Un modelo integral para describir la influencia de la frecuencia de ensayo sobre los resultados de fatiga

Abstract

La influencia de la frecuencia se analiza como un efecto de endurecimiento viscoelástico del material que conduce simultáneamente a una reducción de los valores nominales de la tensión máxima, σM, y de la relación de tensiones, R, aplicados durante el ensayo para frecuencias crecientes. Esto permite la reducción del modelo σM-R-f-N, en el que la tensión máxima es la variable primaria de referencia mientras la relación de tensión, R, y la frecuencia, f, son las variables secundarias, al modelo probabilístico tridimensional σM-R-N, recientemente desarrollado. Los pares σM-R nominales aplicados en el ensayo se transforman en pares σM R efectivos que pueden evaluarse como pertenecientes a una única muestra con independencia de la frecuencia del ensayo y de la relación de tensiones. Además, el modelo define una variable normalizada V, que representa una medida del daño acumulado cuando se somete la probeta a una historia de carga variable permitiendo estimar la evolución de la probabilidad de fallo en función de la carga aplicada. El modelo se valida mediante su aplicación a un amplio programa experimental de fatiga realizado sobre alambres de aleación de aluminio de alta pureza, Al_H11, empleados en la interfaz de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) bajo tres frecuencias diferentes (2, 20 y 200 Hz).

The influence of the frequency is analyzed as a viscoelastic hardening effect of the material that leads simultaneously to a reduction of the nominal values of the maximum stress, σM, and the stress ratio, R, applied during the test for increasing frequency. In this way, the σM-R-f-N model, in which the maximum voltage is the primary reference variable while the stress ratio, R, and the frequency, f, are the secondary variables, is reduced to the three-dimensional probabilistic σM-RN model, recently developed. The nominal σM-R pairs applied during the test are transformed into effective σM-R pairs that can be evaluated as pertaining to a single sample regardless of the test frequency and stress ratio. In addition, the model defines a normalized variable V which represents a measure of the accumulated damage when the specimen is subjected to a variable load history, allowing the evolution of the probability of failure to be estimated as a function of the applied load. The model is validated when applied to a wide experimental fatigue program carried out on high purity aluminum alloy wires, Al_H11, used in the interface of insulated gate bipolar transistors (IGBT) under three different frequencies (2, 20 and 200 Hz).