La fatiga termodinámica, o fatiga mecánica provocada por cambios
térmicos, consiste en el sufrimiento estructural provocado por los
cambios de temperatura repetitivos a los que se ven sometidos los
materiales, los mecanismos y los sistemas en general, bajo condiciones
funcionales de servicio extremadamente agresivas. Casos típicos son los
componentes del compartimento motor de los automóviles, turbopropulsores
de aviones, cohetes o lanzaderas satelitales, etc., y por supuesto las
naves espaciales. Un buen ejemplo es el cohete más potente jamás creado
por la humanidad, el desarrollado por Elon Musk de SpaceX denominado
Falcon Heavy.
Decimos “fatiga mecánica provocada por cambios térmicos”, porque en
realidad está generada por variaciones dimensionales sistemáticas de las
estructuras constituyentes de los materiales, tanto de naturaleza
inorgánica como orgánica, como mixta, (coexistencia de materiales con
coeficientes de dilatación homogéneos), o complejos (como en el caso de
elementos constituidos por materiales cuyos coeficientes de dilatación
son claramente diferenciados).
La magnitud de la fatiga térmica sobrevenida depende de muy diversos
factores:
- Valor absoluto de la diferencia térmica comprendida entre la
temperatura más baja y la más alta.
- Límite de temperatura bajo cero.
- Límite de temperatura sobre cero.
- Velocidad de cambio térmico en ascenso y en descenso (gradientes
térmicos de calentamiento y enfriamiento).
- Tiempo de permanencia en cada nivel térmico.
- Numero de ciclos repetitivos.
- Esfuerzos dinámicos adicionales en condiciones de uso.
- Composición y naturaleza de los especímenes:
Materiales simples o compuestos, su masa relativa, conductividad
térmica, coeficientes de dilatación lineal, punto de reblandecimiento
vicat, punto de fusión, punto de congelación, límite elástico, grados de
dureza, resistencia al desgaste, resistencia al impacto en frió y en
caliente, límite de rotura y deformación a tracción, compresión,
flexión, torsión, etc., etc.
- Sistemas y mecanismos formados por materiales de respuesta térmica
diferenciada.
- Entre otros.
Como resumen, y sin entrar en mayores tecnicismos, podríamos decir que
el efecto repetitivo de la deformación de la variación dimensional de
los materiales, por acción de contracciones y dilataciones sistemáticas,
es la que provoca la fatiga estructural de los mismos, con la
consecuencia de una disminución de la resistencia a las condiciones de
uso.
Lo mismo es aplicable a mecanismos complejos, automatismos y sistemas en
general, con la agravante de que en estos casos las consecuencias son de
efecto multiplicativo.
Del conocimiento exhaustivo del comportamiento de los productos,
dependerá la determinación de la fiabilidad de los mismos y de su vida
útil.
Para llevar a cabo los ensayos de fatiga térmica a escala de
laboratorio, se emplean las cámaras y los bancos de ensayos.
Tipos de cámaras de ensayos de simulación:
De un solo recinto. En el cual se programan los gradientes de
enfriamiento y calentamiento, los límites mínimos y máximos frío/calor,
y el número de ciclos repetitivos a realizar.
De dos recintos. En cuyo caso las muestras pasan de las altas a bajas
temperaturas, y viceversa, de forma instantánea.
De tres recintos. Idéntica a la cámara de dos recintos, pero con un
recinto adicional intermedio de tránsito a temperatura ambiental; caso
típico de la exigencia de norma MIL STD 810-D.
Estas cámaras pueden ser combinadas con esfuerzos mecánicos, en cuyo
caso se denominan bancos de ensayos termodinámicos.
Los bancos de ensayos termodinámicos están formados por las cámaras
anteriormente descritas, a las cuales se les adicionan sistemas
dinámicos para la realización de esfuerzos mecánicos de tracción,
compresión, flexión, torsión, etc., en condiciones aceleradas de uso.
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