Geometría de las piezas, fallos por fatiga y fisuras.

Cayó en mis manos un artículo sobre las ventanillas de los aviones y su forma redondeada para evitar accidentes. Recordé que una causa de  agrietamiento en el temple por inducción son también los concentradores de tensiones. Lugares donde en las piezas pueden llegarse a sobrepasar su límite de resistencia en un lugar concreto debido a una geometría que podría haberse suavizado.

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Durante el proceso de temple por inducción, y en todos los procesos de temple , se producen distintos cambios de volumen producidos por la dilatación contracción térmica y las modificaciones de los constituyentes del acero.

El primero de esos cambios de volumen (en los aceros al carbono normales) por modificación de los constituyentes, se produce al sobrepasar dicho acero la temperatura critica Ac3 . En ese momento y aunque este dilatándose por efecto del calentamiento, el acero se contrae debido a la transformación de perlita en austenita. Posteriormente durante un enfriamiento se produce el efecto a la inversa.
Estas transformaciones no suelen ser en principio muy problemáticas, debido a que si bien existen cambios de volumen significativos, estos se producen a altas temperaturas, donde la plasticidad del acero es grande, y no suelen ocasionar generalmente defectos graves.
El peligro suele estar cuando estos cambios de volumen se producen con un acero relativamente frio y por tanto poco plástico. Esto se da, durante el enfriamiento en el temple: la austenita del acero al ser enfriada rápidamente, se transforma directamente en martensita (este es el objetivo principal del temple). Esta transformación también conlleva un cambio de volumen: el acero en pleno proceso de contracción por la acción del enfriamiento se dilata bruscamente. A diferencia de las dilataciones-contracciones producidas a altas temperaturas, esta se produce con un acero casi frio, generándose muchas tensiones internas dentro de la pieza; tensiones que pueden terminar en grietas o deformaciones. Por esto es muy importante evitar los concentradores de tensiones que pueden llevar a la rotura de la pieza.

Una concentración de tensiones (también llamado concentrador de tensión) es una localización dentro de un sólido elástico donde la tensión local es significativamente mayor que la carga nominal aplicada. Un objeto es más resistente cuando la fuerza se distribuye uniformemente sobre su área, de tal manera que una reducción del área efectiva, por ejemplo causada por esquinas sin radios, por una fisura o por otra discontinuidad, conduce un aumento de las tensiones cerca del límite de dicho defecto (respecto a la situación en que dicho defecto no existiera). Un material puede fallar por propagación de grieta cuando una concentración de tensiones excede el límite del material a pesar de que la tensión media esté por debajo de límite resistente.

La resistencia real en fractura de un material siempre es más baja que el valor teórico precisamente porque la mayor parte de elementos resistentes contienen pequeñas fisuras o impurezas que crean un concentrador de tensiones. Las fisuras de fatiga siempre empieza como concentradores de tensiones, así pues eliminar dichos defectos incrementa la resistencia frente a fatiga.

Las discontinuidades geométricas o la falta de suavidad de una geometría actúan como concentradores de tensión. Los extremos de las fisuras, las esquinas agudas, los agujeros y los cambios de sección transversal son ejemplos de concentradores de tensiones. Las tensiones locales altas pueden producir un fallo más temprano de un elemento resistente, por esa razón los ingenieros diseñan las geometrías para minimizar la concentración de tensiones.

La realización de radios en los cambios de sección, evitar esquinas en el diseño, claflanar los taladros son operaciones muy recomendables para mejorar la efectividad de una pieza y evitar la formación de fisuras