Fatiga mecànica

La fatiga és, en ciència i tecnologia dels materials, un tipus de trencament que es produeix a causa de tensions dinàmiques cícliques o fluctuants, és a dir, que el valor de la tensió no és continu, sinó que varia amb el temps, i pot ser nul. Sol ocórrer al cap d'un període llarg al qual actuen aquestes tensions, que en general són causades pel mateix ús d'aquest material. Així, l'enginyer a de tenir en compte, en fer els càlculs, que la peça o estructura haurà d'aguantar unes determinades tensions lleus, però a més el seu efecte al llarg del temps.

La fatiga és la primera causa de trencament dels materials ceràmics, polímers i sobretot metàl·lics, dels quals un 90% dels trencaments són d'aquesta mena. És molt habitual, per exemple, en avions, ponts i components de màquines de tota mena. La resistència a la fatiga, la vida a fatiga i el límit de fatiga (o de resistència a la fatiga) són propietats mecàniques que es poden conèixer a partir d'asajos.

Etapes

El trencament pe fatiga consta de tres etapes:

• Inici: S'inicia una molt petita escletxa en un punt dels que tenen major concentració de tensions. Sol ser a l'exterior i en un colze de la peça, un canto, una ranura, o una ratlladura, per exemple.
• Propagació: L'escletxa creix i es propaga a cada cicle de càrrega, per exemple, en una roda, a cada volta que fa, o en un pont, a cada cop que algú el travessa. La velocitat de propagació es pot conéixer i calcular. Aquesta etapa en realitat es pot dividir en dues:
  • primera etapa: una primera molt subtil, que només es pot observar microscòpicament, i molt lenta. En metalls policristalins l'escletxa és només d'uns quants grans de llargària en aquesta etapa.
  • segona etapa: en aquesta etapa, que pot no existir, l'escletxa creix de manera molt ràpida i la direcció de propagació canvia, de ser paral·lela a perpendicular a la tensió aplicada. Es produeixen estries de fatiga de tamany microscòpic, observables amb miscroscopis electrònics TEM o SEM. De vegades, a més d'estries (marques linials paral·leles) es formen també marques de petxina (marques que poden recordar les ranures de la closca d'una escopinya).
• Trencament: Quan l'escletxa assoleix un cert tamany crític, es produeix de manera sobtada i molt ràpida (es considera instantani) un gran trencament.

Diagnosi

Quan observem la part trencada amb un microscopi electrònic i hi veiem unes petites línies al voltant, no observables a vista, sabem que segurament s'ha tractat d'un trencament per fatiga. Tanmateix, de vegades pot ser també per fatiga però que les línies no siguin visibles tampoc amb el miscroscopi.

Disseny

La vida a fatiga, o el temps que durarà fins a trencar-se per fatiga, es pot allargar calculant una tensió aplicada adequada, i també per mitjà d'altres factors, com el disseny del component (evitant discontinuitats, entalles, etc.), tractaments supercicials (pulir les petites ratlladures que inevitablement es formen en fabricar la peça, per exemple) i (als acers) l'enduriment superficial (carburació, cimentació, nitruració).

Tipus

• Oligofatiga: fatiga a baix nombre de cicles. La vida a fatiga és curta (menor de 10⁴ cicles). Deformacions cícliques elàstiques i de vegades també plàstiques. Causada per a càrregues grans.
• Fatiga a alt nombre de cicles: La vida a fatiga és superior (menor de 10⁵ cicles), ja que les deformacions que es produeixen a cada cicle són sempre totalment elàstiques, de manera que necessita un nombre major de cicles fins a que es trenqui.