Fecha límite para el envío de resumenes: 21/Abril/2024

En el diseño de placas de fijación y prótesis para población joven cuya actividad física implica cargas de mayor magnitud y frecuencia con respecto a la población de edad avanzada [1], se deben contemplar las cargas fluctuantes que con el tiempo provocan la aparición de grietas en la estructura del componente, generadas por el fenómeno de la fatiga. En estas aplicaciones se utilizan diferentes materiales con alta resistencia mecánica y desempeño biocompatible, entre estos, el AISI 316L presenta ventajas debido a su disponibilidad y bajo costo en comparación con otros materiales, por otro lado, estas dispositivos suelen tener diferentes perforaciones que ayudan a la fijación de las estructuras óseas y que pueden influir en el comportamiento de propagación de grieta por fatiga, afectando la vida útil del elemento. Este trabajo propone el análisis de la influencia de concentradores de esfuerzo en la trayectoria de propagación de grieta y la vida útil en placas agujeradas, pre entalladas en AISI 316L mediante ensayos experimentales y simulación computacional. Los ensayos experimentales se realizaron para 24 probetas cortadas por chorro de agua, cuya dirección de laminación se aseguró paralela al eje de la carga aplicada. Los especímenes fueron dimensionados con base en la norma ASTM E399 para flexión tres puntos [2], se ensayaron tres probetas por cada geometría, la geometría base con la grieta centrada, se utilizó para la caracterización de la tasa de crecimiento de grieta en el material, por otro lado, los especímenes restantes se diseñaron con la grieta desfasada del centro con el objetivo de tener modo mixto de fractura. Para los ensayos de grieta desfasada, se incorporaron diferentes agujeros como concentradores de esfuerzo, cuya localización y dimensiones se definieron a partir de simulación computacional por medio del método dual de elementos de contorno, mismo método con el cual se contrastan todos los resultados experimentales obtenidos. Para las corridas experimentales se utilizó la máquina universal de ensayos MTS Bionix, y durante cada ensayo, de manera periódica, se capturaron fotografías macro en la zona de propagación, cada fotografía fue debidamente escalada y procesada para determinar el comportamiento del tamaño de grieta contra número de ciclos, así como la trayectoria de propagación. Para lograr la captura de fotografías limpias, se programó la disminución periódica de la frecuencia de la onda de fatiga de 40 Hz a 5 Hz y se ubicó una escala milimétrica sobre cada probeta. De esta manera, se observó como la presencia de un agujero influye en la curvatura de la grieta, haciendo que esta se desvíe o colapse directamente hacia él, lo cual depende principalmente del tamaño del agujero y de la proximidad entre este y la grieta. Este comportamiento se da por la variación de los fatores de intensidad de esfuerzo  y , el factor de intensidad de esfuerzos correspondiente al modo II aumenta cuando la trayectoria se ve influenciada por el agujero, en contraste con una disminución del factor de intensidad de esfuerzos para el modo I [3]. Por otro lado, también se evidenció que cuando un agujero se ubica sobre la trayectoria que tendría la grieta en ausencia de la perforación, el número de ciclos aumenta considerablemente debido a la disminución de la magnitud de los factores de intensidad de esfuerzo, lo cual demuestra que se puede aumentar la vida útil de un componente, si se colocan agujeros de manera estratégica, consiguiendo que la grieta no colapse de manera prematura. Los datos experimentales para el número de ciclos fueron sometidos a un análisis de varianza que indica diferencias estadísticamente significativas (p <0.05) en la vida útil del elementos según la ubicación de las perforaciones.

 

Referencias

[1]        S. Griza et al., “Fatigue failure analysis of a specific total hip prosthesis stem design,” Int J Fatigue, vol. 30, no. 8, pp. 1325–1332, (2008).

[2]        ASTM, “E399 Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials.” (2024).

[3]        Y. A. Fageehi, “Fatigue Crack Growth Analysis with Extended Finite Element for 3D Linear Elastic Material,” Metals 2021, Vol. 11, Page 397, (2021).

 

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