El límite de fatiga es una convención de ensayo, no una promesa

Qué es realmente ese valor

Un límite de fatiga citado sin condiciones está incompleto. En la práctica, es la amplitud de tensión a la que una proporción indicada de probetas sobrevivió a un número predeterminado de ciclos —un ensayo sin rotura— con una relación de tensiones indicada. El ensayo terminó. Eso no equivale a que la probeta sea inmortal.

Ni siquiera existe una sola convención para ese número. ISO 1099 cita unos 10⁷ ciclos para aceros estructurales y 10⁸ para otros, y advierte que, en general, los metales no tienen un límite que garantice infinitos ciclos. Específicamente para elementos de fijación roscados, ISO 3800 utiliza un final predeterminado normalmente situado entre 5×10⁶ y 10⁷, mientras que las amplitudes de resistencia a la fatiga de referencia de VDI 2230-1 se aplican desde N_D ≥ 2×10⁶. Son números distintos bajo una misma expresión.

Las excepciones van en ambas direcciones

Los ensayos de fatiga de muy alto número de ciclos sí encontraron aceros que fallaban después del límite tradicional de 10⁷ ciclos: normalmente aceros templados y revenidos de alta resistencia, aceros para rodamientos o muelles, con grietas iniciadas en inclusiones internas. Pero las pruebas no dicen que «la fatiga de muy alto número de ciclos demostró que el acero no tiene límite de fatiga».

La otra mitad de la pareja de los manuales también falla, y de una forma que merece recordarse: las probetas lisas de 6061-T6 no mostraron una meseta hasta 10¹⁰ ciclos, mientras que las probetas entalladas de la misma aleación mostraron un límite claro. La entalla cambió la respuesta. El AA2198-T8 mostró una meseta cerca de 10⁹. El cobre es el caso con pruebas claras en el sentido esperado: no se detectó ningún límite convencional hasta 10¹⁰.

Por qué nada de esto se traslada directamente a un perno

Es tentador concluir que los pernos también acabarán fallando desde inclusiones internas. Esa es precisamente la extrapolación que hay que evitar, y las normas la bloquean expresamente.

• ISO 1099 cubre probetas sin concentración deliberada de tensiones y excluye los ensayos de componentes. Un perno es un componente entallado; la raíz de la rosca es la entalla.
• Una entalla cambia el gradiente de tensión, reduce el volumen sometido a gran tensión y añade tensiones residuales del laminado de la rosca. Cuanto más aguda es la entalla, más probable es que la iniciación vuelva a la superficie —a la raíz de la rosca— en lugar de producirse en una inclusión interna.
• Una revisión reciente de la fatiga de muy alto número de ciclos en piezas entalladas concluye que todavía no existe un modelo general ampliamente validado para componentes entallados complejos.

El punto crítico propio del perno está bien establecido y responde a otra explicación: la raíz del primer filete engranado, porque la carga se reparte de forma desigual entre los filetes y la raíz la concentra. Es el mismo lugar donde converge la comparación entre rosca laminada y rosca cortada.

Una corrección a otra afirmación de este sitio

Hemos escrito que la precarga no aparece en la amplitud de carga del perno: ΔF_b = Φ·F_A, con Φ determinado por la rigidez. Es correcto, pero resulta fácil llevarlo un paso demasiado lejos y concluir que la precarga no importa para la fatiga.

Por tanto, «con suficiente precarga la fatiga no es un problema» es incorrecto tal como está formulado. Una precarga suficiente y conservada reduce la amplitud cíclica que ve el perno al mantener cerrada la unión. Esa parte es real, y es lo que aporta el modelo del resorte. No exime de comprobar la amplitud en la raíz, las tensiones media y máxima, la dispersión y pérdida de precarga, la flexión excéntrica o el deslizamiento transversal.

Qué hacen los códigos en lugar de prometer una duración eterna

La práctica estructural no prolonga la curva hasta los gigaciclos. EN 1993-1-9 lleva la curva de tensión directa con m = 3 hasta N_D = 5×10⁶, trata ese punto como límite de fatiga de amplitud constante y, cuando un espectro variable contiene intervalos por encima y por debajo, cambia la pendiente a m = 5 y continúa hasta un corte en 10⁸. Los pernos a tracción están en la categoría de detalle 50 sobre el área resistente, y deben incluirse el efecto palanca y la flexión.

Esa estructura es una regla de truncamiento de ingeniería, no una afirmación sobre la naturaleza. También recuerda que un límite de amplitud constante no es una autorización bajo un espectro variable: unos pocos ciclos grandes pueden hacer que los pequeños cuenten.

Este artículo no pertenece a un solo paso de los seis: abarca varios o aparece después del montaje. Las decisiones se explican en el artículo inglés Specifying a screw.

Preguntas frecuentes

¿El acero dura realmente para siempre por debajo de su límite de fatiga?

No como ley. Los aceros de resistencia baja y media suelen mostrar una meseta bajo carga no corrosiva de amplitud constante. En una comparación de 42CrMo4, la condición de revenido alto no sufrió ningún fallo entre diez millones y mil millones de ciclos, y las resistencias en ambos extremos coincidieron. Pero aceros templados y revenidos de alta resistencia, aceros para rodamientos y muelles han fallado más allá del límite tradicional desde inclusiones internas. Que exista una meseta depende de la resistencia, la microestructura, los defectos, la superficie, el ambiente y la relación de tensiones.

¿Es cierto que el aluminio nunca tiene límite de fatiga?

Es el comportamiento habitual, pero no es universal. La excepción es instructiva: las probetas lisas de 6061-T6 no mostraron meseta hasta diez mil millones de ciclos, mientras que probetas entalladas de la misma aleación mostraron un límite claro; el AA2198-T8 mostró una meseta cerca de mil millones. El cobre es el caso más limpio, sin límite convencional detectado hasta diez mil millones de ciclos.

¿Se aplican a los pernos estos resultados de muy alto número de ciclos?

No directamente, y las normas lo dicen. ISO 1099 cubre probetas sin concentración deliberada de tensiones y excluye los ensayos de componentes, mientras que un perno es un componente entallado cuya entalla es la raíz de la rosca. Las entallas cambian el gradiente de tensión y el volumen muy solicitado; cuanto más aguda es la entalla, más tiende la iniciación a volver a la superficie en vez de a una inclusión interna. Una revisión reciente no encuentra un modelo general ampliamente validado para componentes entallados complejos.

Si la precarga no está en la ecuación de amplitud, ¿no importa para la fatiga?

Importa en otro lugar. La amplitud aplicada es el factor de carga multiplicado por la carga externa, y la precarga no aparece allí. Pero VDI 2230-1 hace que la amplitud de resistencia admisible dependa de la fuerza media del perno para pernos laminados después del tratamiento térmico. La precarga entra en la amplitud permitida, no en la aplicada. Una precarga suficiente también mantiene cerrada la unión, que es lo que evita que la amplitud salte.

Referencias

• Lang, Korn & Rohm (2016). VHCF behaviour of 42CrMo4 in different heat treatment conditions. Procedia Structural Integrity. DOI 10.1016/j.prostr.2016.06.145
• Pyttel, Schwerdt & Berger (2011). Very high cycle fatigue — is there a fatigue limit? International Journal of Fatigue. DOI 10.1016/j.ijfatigue.2010.05.009
• Akiniwa et al. (2006). Fatigue strength of smooth and notched specimens in the very high cycle regime. International Journal of Fatigue. DOI 10.1016/j.ijfatigue.2005.04.017
• Majzoobi et al. (2005). Experimental evaluation of the effect of thread pitch on fatigue life of bolts. International Journal of Fatigue. DOI 10.1016/j.ijfatigue.2004.06.011
• ISO 3800:1993 — Axial load fatigue testing of threaded fasteners (final sin rotura normalmente entre 5×10⁶ y 10⁷; no considera la flexibilidad de las piezas sujetas)
• ISO 898-1 — el alcance excluye expresamente la resistencia a la fatiga

La reducción citada a veces para ensayos de gigaciclos depende del material y la geometría: el 17-4PH ligeramente entallado mostró a 10^9 una resistencia aproximadamente un 5% menor que a 10^7 a temperatura ambiente y alrededor de un 10% menor a 350 C. No existe un porcentaje general para aceros ni pernos.