¿Requerimientos de resistencia a la fatiga de la extrusión de aluminio?
El fallo por fatiga suele aparecer sin previo aviso. Muchos compradores se centran en el límite elástico y pasan por alto la fatiga. Esta carencia provoca grietas, tiempos de inactividad y elevados costes de sustitución.
La resistencia a la fatiga de la extrusión de aluminio depende de la aleación, el temple, la calidad de la superficie y el patrón de carga. En la mayoría de los usos industriales, la resistencia a la fatiga es muy inferior a la resistencia estática y debe comprobarse al principio del diseño.
Muchos proyectos fracasan no porque el aluminio sea débil, sino porque se ignora su comportamiento a la fatiga. Comprender la fatiga en una fase temprana ayuda a evitar rediseños, retrasos y riesgos para la seguridad.
¿Cuál es la resistencia típica a la fatiga de las extrusiones?
La resistencia a la fatiga no es un número fijo. Cambia con la aleación, el temple, el acabado superficial y los ciclos de tensión. Los diseñadores suelen esperar un valor claro, pero el aluminio no se comporta como el acero a la fatiga.
La resistencia típica a la fatiga de la extrusión de aluminio oscila entre 30 MPa y 100 MPa a 10 millones de ciclos, dependiendo de la aleación y el temple. No existe un límite de resistencia real para el aluminio.
Esto significa que los daños por fatiga siguen aumentando a medida que se incrementan los ciclos, incluso a bajas tensiones.
Por qué el aluminio no tiene límite de resistencia
El acero suele mostrar una curva de fatiga plana. Por debajo de un límite de tensión, puede sobrevivir a infinitos ciclos. El aluminio no se comporta así.
Para extrusiones de aluminio:
- Cada ciclo de estrés causa pequeños daños
- Las microfisuras crecen lentamente con el tiempo
- Los fallos pueden producirse incluso con poca tensión
Esto hace que el recuento de ciclos sea crítico.
Rangos de fatiga típicos por familia de aleación
A continuación se ofrece una comparación general utilizada en el diseño inicial. No son valores garantizados. Sólo sirven de ayuda para la selección.
| Aleación | Temple | Resistencia aproximada a la fatiga a 10^7 ciclos (MPa) | Uso común |
|---|---|---|---|
| 6063 | T5 | 30 a 50 | Estructuras arquitectónicas ligeras |
| 6061 | T6 | 60 a 95 | Estructuras, maquinaria |
| 6082 | T6 | 70 a 100 | Estructuras resistentes |
| 7075 | T6 | 90 a 130 | Aeroespacial, alta carga |
El estado de la superficie puede reducir estos valores en un 20% o más.
Papel de la calidad de la extrusión
La fatiga comienza en los puntos débiles. En las extrusiones, estos suelen incluir:
- Líneas de troquelado
- Arañazos superficiales
- Esquinas afiladas
- Cordones de soldadura en perfiles huecos
Un buen diseño de la matriz y un buen control del proceso reducen estos riesgos. En muchos casos, las superficies lisas mejoran la vida a fatiga más que el aumento del grosor de la pared.
El coeficiente de estrés es importante
La resistencia a la fatiga depende de la relación de tensiones. La carga totalmente invertida es más severa que la carga en una dirección.
Los diseñadores deben definir:
- Tensión máxima
- Tensión mínima
- Tensión media
Ignorar esto conduce a suposiciones inseguras.
Errores de diseño que hay que evitar
Muchos compradores sólo piden informes de resistencia a la tracción. Esto no predice la vida a fatiga. La resistencia a la fatiga suele ser mucho menor que el límite elástico.
Las extrusiones de aluminio tienen un claro límite de resistencia similar al del acero.Falso
El aluminio no tiene un verdadero límite de resistencia. Los daños por fatiga siguen acumulándose con el aumento de los ciclos.
El acabado superficial desempeña un papel importante en la resistencia a la fatiga de la extrusión de aluminio.Verdadero
Los defectos superficiales actúan como puntos de iniciación de grietas y reducen fuertemente la vida a fatiga.
¿Cómo afectan los ciclos de carga a la vida útil de la extrusión?
El fallo por fatiga se debe a cargas repetidas, no a sobrecargas puntuales. Muchas extrusiones fallan con cargas muy inferiores a su resistencia nominal debido a los ciclos.
Los ciclos de carga reducen la vida útil de la extrusión al crear microfisuras que crecen con cada ciclo hasta que se produce una fractura repentina. Los ciclos y rangos de tensión más elevados acortan bruscamente la vida útil.
Comprender los patrones de carga es más importante que la carga máxima.
Qué se considera un ciclo
Un ciclo es un cambio de carga completo. Esto incluye:
- Arranque y parada de máquinas
- Vibración del viento
- Dilatación y contracción térmicas
- Levantamiento o movimiento repetido
Incluso los pequeños cambios de tensión cuentan.
Conceptos básicos de la curva S-N
El comportamiento a la fatiga se muestra con una curva S-N:
- S = amplitud de tensión
- N = número de ciclos hasta el fallo
Para aluminio:
- Una tensión elevada provoca un fallo rápido
- La baja tensión alarga la vida, pero no la hace infinita
Los diseñadores suelen fijarse como objetivo un ciclo de vida específico, como 2 millones o 10 millones de ciclos.
Fatiga de ciclo alto frente a fatiga de ciclo bajo
Existen dos zonas de fatiga comunes.
Fatiga de bajo ciclo
- Alto estrés
- Deformación plástica
- Ciclos generalmente inferiores a 100.000
- Común en cargas sísmicas o de choque
Fatiga de alto ciclo
- Menor estrés
- Deformación elástica
- Millones de ciclos
- Común en bastidores y soportes de maquinaria
La mayoría de las extrusiones de aluminio trabajan en fatiga de alto ciclo.
Dirección de la carga y forma del perfil
Las extrusiones soportan mejor la fatiga cuando:
- Los recorridos de carga son suaves
- La tensión se distribuye uniformemente
- No existe ningún cambio repentino de sección
Los malos diseños incluyen:
- Muescas afiladas
- Telarañas finas cerca de los agujeros
- Cambio brusco de espesor
Ajustes prácticos de diseño
Para prolongar la vida a fatiga:
- Aumentar el radio del filete
- Evite las esquinas afiladas
- Utilizar un grosor de pared uniforme
- Reducir la concentración de estrés
Los pequeños cambios de geometría suelen duplicar la vida a fatiga.
Fuentes ciclistas ocultas
Algunos compradores sólo tienen en cuenta la carga mecánica. Se olvidan:
- Ciclos de temperatura
- Tensión de montaje
- Tensión residual de enderezamiento
Estos se combinan con las cargas de servicio.
Patrón de fracaso real
Las grietas por fatiga suelen empezar silenciosamente. Crecen lentamente. Luego, el fallo se produce de repente. A menudo no hay ningún aviso visible hasta la rotura final.
El fallo por fatiga en las extrusiones de aluminio suele producirse gradualmente con una deformación visible.Falso
Las grietas por fatiga crecen silenciosamente y el fallo final suele ser repentino, con escaso aviso visible.
La reducción de la concentración de tensiones puede prolongar significativamente la vida a fatiga de la extrusión.Verdadero
Una menor concentración de tensiones reduce la iniciación de grietas y ralentiza su crecimiento.
¿Qué aleaciones ofrecen mayor resistencia a la fatiga?
No todas las aleaciones de aluminio se comportan igual a la fatiga. La elección de la aleación influye mucho en la vida útil.
Las aleaciones de las series 6000 y 7000 ofrecen mejor resistencia a la fatiga que las de la serie 3000, siendo las 6061-T6 y 6082-T6 opciones equilibradas habituales para extrusiones.
Sin embargo, la resistencia por sí sola no garantiza la resistencia a la fatiga.
Por qué es importante la química de las aleaciones
La resistencia a la fatiga depende de:
- Estructura del grano
- Endurecimiento por precipitación
- Control de impurezas
Las aleaciones tratables térmicamente suelen rendir mejor.
Comparación de las aleaciones de extrusión más comunes
| Aleación | Comportamiento ante la fatiga | Ventajas | Límites |
|---|---|---|---|
| 6063-T5 | Bajo a moderado | Buena superficie, fácil extrusión | Menor resistencia a la fatiga |
| 6061-T6 | Moderado a alto | Buen equilibrio entre resistencia y coste | Algo más difícil de extrudir |
| 6082-T6 | Alta | Más resistente que el 6061 | Menor calidad superficial |
| 7075-T6 | Muy alta | Excelente fatiga | Coste, riesgo de corrosión |
Por qué se utiliza ampliamente el 6061-T6
6061-T6 se selecciona a menudo porque:
- Datos de fatiga estables
- Buena maquinabilidad
- Resistencia aceptable a la corrosión
- Amplia disponibilidad de proveedores
No es el más fuerte, pero es predecible.
El papel del temperamento
El temperamento cambia el comportamiento de la fatiga.
- T5: enfriado por extrusión, menor fatiga
- T6: solución tratada y envejecida, mayor fatiga
Una mejora del temple puede aumentar la resistencia a la fatiga sin cambiar el perfil.
Impacto de la soldadura
La soldadura reduce drásticamente la resistencia a la fatiga.
- Las zonas afectadas por el calor se ablandan
- Cambios en la microestructura
- Las grietas suelen empezar cerca de las soldaduras
Los diseñadores deben evitar la soldadura en zonas de alta fatiga o aumentar localmente el tamaño de la sección.
Efectos del tratamiento superficial
Algunos tratamientos ayudan, otros perjudican.
- Anodizado: puede reducir ligeramente la fatiga si es grueso
- Granallado: puede mejorar la fatiga
- Pulido: mejora la fatiga
El control de la superficie es fundamental.
Coste frente a fatiga
Las aleaciones de mayor fatiga cuestan más. Pero el coste de sustitución y el tiempo de inactividad suelen costar más que la mejora del material.
7075-T6 proporciona siempre la mejor solución a la fatiga para cualquier aplicación de extrusión.Falso
Aunque es resistente, el 7075-T6 tiene un coste más elevado y es más sensible a la corrosión, por lo que no es adecuado para todos los usos de extrusión.
Las aleaciones tratables térmicamente de la serie 6000 ofrecen generalmente mejor resistencia a la fatiga que las aleaciones no tratables térmicamente.Verdadero
El endurecimiento por precipitación mejora el comportamiento a la fatiga en la mayoría de las aplicaciones de extrusión.
¿Existen normas para las pruebas de resistencia a la fatiga?
Las pruebas de fatiga deben seguir normas. Sin métodos normalizados, los datos no son comparables ni fiables.
Sí, los ensayos de fatiga de extrusión de aluminio están cubiertos por las normas ASTM, ISO y EN que definen la forma de la probeta, el control de la carga y el recuento de ciclos.
Estas normas guían tanto las pruebas como la validación del diseño.
Por qué son importantes las normas
Los datos sobre fatiga varían mucho. Las normas lo garantizan:
- Pruebas repetibles
- Resultados comparables
- Definición clara de la carga
Los compradores siempre deben preguntar qué norma se ha utilizado.
Normas comunes de fatiga
A continuación figuran referencias muy utilizadas.
| Estándar | Alcance | Uso típico |
|---|---|---|
| ASTM E466 | Fatiga axial | Pruebas del material de base |
| ASTM E468 | Presentación de los datos de fatiga | Formato de los informes |
| ISO 1099 | Fatiga axial | Referencia internacional |
| ES 1999 | Diseño en aluminio | Aplicaciones estructurales |
Perfil de la muestra frente al perfil real
Los ensayos estándar utilizan probetas lisas. Las extrusiones reales incluyen:
- Esquinas
- Agujeros
- Costuras de soldadura
Esto significa que la resistencia real a la fatiga suele ser inferior a los valores de ensayo.
Pruebas de componentes
Para los proyectos críticos, se recomienda la prueba de componentes.
- Utiliza el perfil real
- Incluye soldaduras y juntas
- Refleja el estado real de estrés
Esto es habitual en el transporte y la maquinaria pesada.
Factores de seguridad
Las normas de diseño aplican factores de seguridad por fatiga. Estos tienen en cuenta:
- Variación en la fabricación
- Daño superficial
- Incertidumbre de carga
Ignorar los factores de seguridad conduce a un fallo prematuro.
Lista de control del comprador
Al revisar los datos de fatiga, confírmelos siempre:
- Relación de carga utilizada
- Objetivo de recuento de ciclos
- Definición de fracaso
- Geometría de las muestras
Muchas hojas de datos omiten estos detalles.
Códigos de diseño frente a datos de materiales
Los datos de fatiga de los materiales apoyan los códigos de diseño. Los códigos de diseño controlan la tensión final admisible.
Los ingenieros deben seguir el código de diseño, no sólo los datos del proveedor.
Los resultados de los ensayos de fatiga de probetas lisas siempre representan el rendimiento real de la extrusión.Falso
Las extrusiones reales incluyen características geométricas que reducen la vida a fatiga en comparación con las probetas lisas.
Las normas ASTM e ISO definen métodos coherentes para los ensayos de fatiga del aluminio.Verdadero
Estas normas especifican la carga, la forma de las muestras y las reglas de notificación.
Conclusión
La resistencia a la fatiga controla la seguridad a largo plazo de las extrusiones de aluminio. La elección de la aleación, la calidad de la superficie, los ciclos de carga y las normas son factores importantes. La planificación temprana de la fatiga reduce el riesgo de fallos, los costes de rediseño y el tiempo de inactividad.
