Fatigue testing methods to accelerate the prediction of fatigue life stresses in different polymers




=1. Introducción=

El uso de polímeros y materiales compuestos se ha consolidado como una solución tecnológica clave en múltiples sectores industriales, especialmente en aplicaciones estructurales sometidas a cargas mecánicas de naturaleza cíclica. La comprensión del comportamiento de estos materiales frente a solicitaciones repetitivas —conocido como comportamiento a fatiga— es esencial tanto para el diseño del propio material como para la optimización estructural y la definición de sus límites operativos. La fatiga se manifiesta como una degradación progresiva de las propiedades mecánicas, generalmente traducida en pérdida de rigidez (descenso del módulo de Young), deformaciones acumuladas y, eventualmente, rotura del material debido a la nucleación y propagación de microdaños internos.

Este deterioro está influenciado por múltiples factores: la amplitud y frecuencia de carga, las condiciones ambientales (temperatura, humedad), y las características propias del ensayo. Comprender estos aspectos permite replicar de forma controlada las condiciones de servicio del material y evaluar su vida útil. La relevancia de estos ensayos se acentúa en sectores donde el rendimiento estructural es crítico, como el transporte (automoción y aeronáutica), el naval y la energía, especialmente en aerogeneradores, donde las palas experimentan millones de ciclos de carga a lo largo de su vida operativa.

En este contexto, la innovación material avanza hacia el uso de termoplásticos reforzados con fibras continuas (organosheets), que se postulan como alternativa sostenible frente a los composites termoestables tradicionales. Aunque estos nuevos materiales ofrecen ventajas en reciclabilidad y eficiencia en procesos de fabricación, su caracterización a fatiga aún se encuentra en fase de desarrollo. Por tanto, resulta imprescindible establecer metodologías de ensayo adecuadas para evaluar su resistencia a fatiga y predecir su comportamiento en condiciones reales de uso.

Los ensayos de fatiga se rigen por parámetros clave como la frecuencia de carga, la razón de tensiones (por ejemplo, R = 0,1) y las condiciones térmicas y ambientales. La frecuencia es particularmente relevante, ya que afecta directamente a la duración del ensayo. Aunque muchos estudios indican que la frecuencia no altera significativamente la vida a fatiga —siempre que no se induzcan efectos viscoelásticos—, en materiales termoplásticos este límite es crítico, ya que el calentamiento inducido por la deformación cíclica puede alterar drásticamente su comportamiento.

Ensayos convencionales para alcanzar el régimen de fatiga de alta vida (por ejemplo, 10⁷ ciclos) con frecuencias moderadas (~5 Hz) pueden extenderse durante semanas por cada probeta. Esta limitación temporal impulsa la necesidad de explorar estrategias de aceleración de ensayos que, sin comprometer la validez de los resultados, permitan predecir de forma rápida la resistencia a fatiga de nuevos materiales.

En este marco, se plantea la presente investigación, centrada en la aceleración de ensayos mediante el aprovechamiento del fenómeno de autocalentamiento (self-heating), asociado al comportamiento viscoelástico de los materiales. Esta metodología, previamente validada para metales y algunos composites termoestables, se aplica aquí a materiales termoplásticos con matrices y refuerzos diversos.

El enfoque consiste en correlacionar la temperatura alcanzada por el material durante la aplicación de cargas cíclicas con el nivel de daño acumulado. Mediante escalonamientos de carga controlados, se monitoriza el incremento térmico hasta alcanzar un estado estacionario, que puede relacionarse con la evolución del daño interno. Este enfoque permite una estimación rápida del límite de fatiga, ofreciendo una herramienta eficaz para el cribado preliminar de materiales y la optimización de futuros ensayos normalizados.

=2. Modelo=

Dentro de los materiales de estudio de la totalidad del proyecto, se estudia el material comercial basado en matriz termoplástica de poliamida y fibras de refuerzo de fibra de carbono en formato tejido. Este material se proporciona por parte de la empresa ''LANXESS ''y su denominación por catálogo es ''Dynalite 102-RG600. ''La morfología de este material se basa en una estructura de 8 capas tejidas con un espesor total de 2mm.

Entrando más en detalle en cuanto a la metodología aplicada, esta requiere del establecimiento de una serie de parámetros para su configuración. Ampliando la información anterior en la que se plantea esta metodología de carga progresiva del material, esta metodología basada en literatura referente a este tipo de materiales requiere de prestar atención a ciertas particularidades que definen el ensayo y están relacionadas con la naturaleza de la muestra.

Estas particularidades que definen la metodología de ensayo se centran en las siguientes características de los ensayos de fatiga:

- Frecuencia de ensayo

- Ratio de tensiones mínima-máxima (R).

- Temperatura alcanza y estabilización de la misma a la carga de ensayo.

- Número de ciclos por carga y temperatura para la generación de la acumulación de daño.

- Tiempo entre bloques de ciclos de ensayo para la disipación de la temperatura generada en el grupo anterior de carga.

Teniendo en cuenta todo este tipo de parámetros para la configuración del ensayo. Se establecen las distintas características del ensayo con los parámetros necesarios para definir el ensayo.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 
{|
|-
| [[File:Enfriamiento1.jpg|330x330px]]
|[[File:Enfriamiento2.jpg|centre|252x252px]]
|}
</div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
Figura 1. Curva de enfriamiento.</div>

{| style="width: 100%;margin: 1em auto 0.1em auto;border-collapse: collapse;" 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|'''Parámetro'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|'''Valor'''
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Frecuencia 
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|5Hz y 10Hz
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Ratio tensiones
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|0,1
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Temperatura de enfriamiento
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|420s
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Ciclos por carga
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|12000
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Saltos de carga
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|5%
|}


<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
Tabla 1. Parámetros de ensayo.</div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[File:Imagen6.jpg|360x360px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
Figura 2. Configuración de ensayo. (carga vs ciclo)</div>

A partir de esta metodología de ensayos se aplican las metodologías de la literatura para la obtención de correlaciones de temperatura vs esfuerzo para la predicción de la carga a fatiga. Desde este punto de vista, se aplican dos Risitano y Luong mediante el criterio utilizado por Huang para la determinación de la diferencia entre pendientes.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Mafe_980855604-image4.png|600px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
Figura 3. Métodos de predicción y correlación.</div>

El principio fundamental que guía estas metodologías se centra en la asociación de puntos y la correlación de sus rectas interpoladas dentro de las tendencias de comportamiento observadas, definidas a través del criterio de Huang que relaciona las pendientes entre las rectas de puntos consecutivos. Esto permite conocer a partir de qué punto se considera que el daño acumulado en el material durante la carga al que se le expone, se acumula al aumentar la temperatura en cada nivel de carga expuesto. Este punto de inflexión se puede establecer mediante la técnica que compara pendientes y ángulos entre puntos consecutivos. 

=3. Resultados=

Los resultados obtenidos del estudio realizado se centran en la sucesión de esfuerzos y ciclos a los que han sido sometidos y la correlación entre temperatura estable enfrentada al nivel de carga en el que ocurre. Dentro de los distintos estudios llevados acabo se centra el estudio en la independencia de ciclos en esta misma metodología además de verificar qué tipo de enfoque (Risitano,Luong) ofrece una mejor precisión en la predicción de ensayos.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<big>''' '''</big>[[File:Figura.jpg|498x498px]]<big>''' '''</big></div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
Figura 4. Comparativa de resultados tras los ciclos de carga enfrentando distintos niveles de frecuencia. </div>

Las predicciones obtenidas de este gráfico pueden observarse en la siguiente tabla, donde se comparan los resultados con resultados bibliográficos.

{| style="width: 100%;margin: 1em auto 0.1em auto;border-collapse: collapse;" 
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''Método'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''Autor'''
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;vertical-align: top;"|'''Vida a Fatiga (MPa)'''
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|OCM – 5Hz
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Risitano
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|99,13
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|TCM – 5Hz
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Luong
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|191,05
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|OCM – 10Hz
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Risitano
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|23,00
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|TCM – 10Hz
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Luong
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|188,91
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Amplitud Constante
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Baumann
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|[122;211]
|-
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Curva de correlación
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|Baumann
|  style="border: 1pt solid black;text-align: center;"|112,16
|}


<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
Tabla 2. Este es un ejemplo de table que se puede utilizar.</div>

=4. Discusión=

Como resultado del presente estudio enfocado en la aceleración de ensayos de fatiga, se ha conseguido una mejora significativa en la precisión de los métodos aplicados. Se ha comprobado que la temperatura alcanzada durante los ensayos es independiente de la frecuencia de carga, aunque se ha observado que, a mayor frecuencia, el material se calienta más rápidamente. Asimismo, se ha verificado la presencia del fenómeno de auto-calentamiento en el material analizado, una poliamida reforzada con fibra de carbono (PA+CF), lo que valida el enfoque experimental seguido.

De cara a futuros trabajos, se propone la evaluación de nuevos materiales utilizando esta misma metodología, con el objetivo de ampliar su aplicabilidad. También se sugiere considerar el pre-acondicionamiento del material, teniendo en cuenta las tensiones residuales inducidas durante su proceso de fabricación, ya que estas podrían influir en el comportamiento térmico y mecánico. Finalmente, se plantea el desarrollo de nuevos métodos que permitan mejorar aún más la precisión, como por ejemplo la aplicación de incrementos de tensión más reducidos, lo que contribuiría a controlar de forma más precisa el aumento de temperatura durante los ensayos.

=5. Referencias=

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