2 do Encuentro de Jóvenes Investigadores en Ciencia Ciencia y Tecnología de Materiales – Posadas – Misiones, 16 - 17 Octubre 2008.
ANÁLISIS DE FALLA EN SIERRA CIRCULAR DE CORTE G. A. Mudry (1), D. Belato(1) y G. A. Tarnowski
(1,2)
Director/es: Prof. Dr. Telmo Roberto Strohaecker (1) Laboratório de Metalurgía Física (LAMEF)- Universidade Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS) Av. Osvaldo Aranha 99, Porto Alegre,Rio Grande do Sul, Brasil (2) Departamento de Mecánica - Universidad Nacional de Misiones J. M. de Rosas 325 – Obera - Misiones Email:
[email protected]
TÓPICO: ANÁLISIS DE FALLA RESUMEN Fue realizado un análisis de de falla sobre una hoja de corte utilizada en sierras circulares circulares empleadas en el mecanizado de madera del tipo pino Paraná explotada en un establecimiento típico de la región norte de la provincia de Misiones. La pieza analizada pertenece a un lote de piezas que presentaron aparentemente similares mecanismos de falla. Mediante un análisis de la superficie de la fractura, análisis químico y análisis mecánico, fueron determinados los mecanismos que llevaron a la falla, así como recomendaciones para reducir los factores que llevaron a la falla al lote de piezas analizada.
Palabras claves: Sierra, Análisis de Falla, Fatiga INTRODUCCIÓN El presente trabajo tiene por objetivo determinar los mecanismos que llevaron a la falla de un componente en servicio, perteneciente a un lote de componentes que presentaban similares mecanismos de falla, trabajando los mismos en el mismo tipo de servicio. La pieza analizada se denomina sierra de tipo circular y es utilizada para el mecanizado de madera del tipo pino Paraná en un establecimiento industrial de la región norte de la provincia de Misiones, la misma trabaja por arranque de viruta. Este componente presentaba una serie de fisuras sobre la superficie de la misma además de evidencias de haber estado trabajando a elevada temperatura. Fueron realizados diversos análisis para determinar el mecanismo que caus ó la falla del componente llegando a la conclusión de que el mecanismo fue fatiga originada por diversos factores. A través de los resultados de los análisis se realizan recomendaciones para evitar el mismo tipo de fallas en componentes similares en el futuro.
DESCRIPCION DEL COMPONENTE La pieza analizada trabaja por el principio de arranque de viruta, y consiste básicamente en dos partes principales, por un lado el cuerpo principal de la misma, de forma circular que actúa como soporte de la herramienta de corte. Por el otro est á la herramienta de corte, de un material diferente al del cuerpo principal, que se encuentra unido a éste en la periferia del mismo por soldadura conformando los denominados dientes de la hoja. La geometría del cuerpo principal, como así también la forma y cantidad de dientes de la hoja dependen del tipo de material a ser mecanizado. Además de las características descriptas, el cuerpo principal presenta sobre sus superficies laterales una serie de ranuras distribuidas simétricamente cuya función es la de permitir la dilatación de la pieza en el momento que la misma incrementa su temperatura durante su funcionamiento. Una particularidad del componente analizado es que al comparar los espesores de los dientes y del cuerpo principal, por un error de fabricación éstos presentaban un espesor similar al del cuerpo principal, donde lo correcto en este caso ser ía que los dientes presentasen un espesor mayor que
G. A. Mudry, D. Belato y G. A. Tarnowski permitiese un arranque de viruta en un espesor mayor al del cuerpo principal. La componente analizado.
Figura 1
muestra el
Figura 1 Componente a ser analizado El componente fallado presentaba, en algunas de estas ranuras de dilatación, fisuras que se propagaban desde la misma hacia la periferia del cuerpo principal como puede apreciarse en la Figura 2.Además de evidencias de elevación de temperatura producidas por fricción del material a mecanizar y la superficie lateral del cuerpo principal, debido al espesor del diente reducido [1].
Figura 2 Fisuras desde las ranuras de dilatación
ANÁLISIS Y RESULTADOS Para determinar el mecanismo que llev ó a la falla del componente fueron realizados una serie de análisis sobre la pieza para determinar algunas características mecánicas y químicas del material del cuerpo principal, para determinar si los valores de algunas de estas características no se correspondían a los esperados. Fueron por tanto llevados a cabo un análisis químico para determinar la composición del material, análisis mecánico, una inspección visual y metalografía.
ANÁLISIS QUÍMICO Fue realizado un análisis químico sobre el material del cuerpo principal; del mismo se obtuvieron los resultados que aparecen el la Tabla 1. La composición química es similar a un acero AISI 1080 de baja aleación.
Tabla 1 Composición química del material del cuerpo principal
Elemento % en peso
C
Si
Mn
Cr
Ni
P
Fe
0,80
0,19
0,789
0,369
0,02
0,02
0,02
G. A. Mudry, D. Belato y G. A. Tarnowski
ANÁLISIS MECÁNICO A través de un ensayo de dureza fue determinado el perfil de dureza en sentido radial sobre la superficie del cuerpo principal de la pieza. Se determin ó el valor de dureza tipo Rockwell C, los resultados obtenidos se listan en la Tabla 2.
Tabla 2 Perfil de dureza en sentido radial
Distancia al centro (mm) Valor de dureza
22
30
42
54
63
72
82
91
102
112
41
41
41
41
41
49
51
48
45
44
INSPECCIÓN VISUAL Fue realizada una inspección visual sobre las superficies fracturadas, a través de microscopio óptico y de microscopio electrónico de barrido (SEM). Para esto, a partir de el cuerpo principal de la sierra fueron separadas 3 piezas exponiendo en éstas la superficie del las fracturas descritas anteriormente, como puede observarse en la Figura 3.
Figura 3 Cortes realizados en el cuerpo principal Estas piezas a su vez fueron inspeccionadas bajo lupa para observar la superficie fracturada, fueron enumeradas como espec ímenes 1, 2 y 3. La imagen de la superficie fracturada de cada espécimen observada bajo la lupa de los especimenes 2 y 3 pueden observarse en la Figura 4.
Figura 4 Observación en lupa de los especimenes 2 y 3
G. A. Mudry, D. Belato y G. A. Tarnowski Se observaron a su vez las mismas superficies en microscopio de barrido electrónico, para intentar hallar el mecanismo que llevo a la fractura de la pieza. En las mismas pu eden observarse estrías características de fatiga [1] una imagen del espécimen 3 puede observarse en la Figura 5.
Figura 5 Imagen en SEM espécimen 3
ANÁLISIS METALOGRÁFICO Fue realizado un análisis metalográfico de la región fracturada, a partir del espécimen 3, una imagen en microscopio óptico puede observarse en la Figura 6.
Figura 6 Espécimen 3 variaciones de microestructura La flecha indica una franja alrededor del orificio de la ranura de dilatación que presenta un cambio en la microestructura del material del cuerpo principal de la sierra, esta variación microestructural probablemente se deba al proceso de fabricación de la ranura de dilatación. Además, en una imagen de mayor ampliación se observa la presencia de martensita (película blanca) en la franja, como puede verse en la Figura 7, donde puede también verse, en una ampliación de la región indicada en el círculo, el inicio de más fisuras en esta franja de martensita [2].
G. A. Mudry, D. Belato y G. A. Tarnowski
Figura 7 Presencia de martensita e inicios de fisuras Se realizo una medición de micro dureza en la franja descrita. Las marcas de la medición pueden observarse en la Figura 8.
Figura 8 Medición de micro dureza Los valores de micro dureza en esta región oscilaban entre 540 HV y 530 HV, mientras que en regiones alejadas de esta franja se presentaban valores entre 440 HV y 450 HV.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN A través de los análisis llevados a cabo sobre el componente pudo determinarse el mecanismo que llevo al mismo a fallar. Este mismo mecanismo se presentaba en cada una de las fisuras que se iniciaban a partir de las ranuras de dilatación. Fue posible determinar la propagación de las fisuras por fatiga, que se originadas sobre una capa martensítica producto del proceso de fabricación de las ranuras de dilatación. También contribuyó a la falla del componente el que los dientes de la hoja presentaban un espesor igual al del cuerpo principal de la sierra. Esta característica provoca un rozamiento constante entre el cuerpo de la sierra y la superficie de corte, llevando a una elevación de temperatura del componente, verificado a través de un cambio de coloración superficial. Este cambio de temperatura de la sierra favorece al crecimiento de las fisuras por fatiga térmica [3]. Por otro lado, este rozamiento incrementó los esfuerzos actuantes sobre la sierra, y teniendo en cuenta el efecto de concentrador de tensiones del orificio [4], favoreció también el inicio y propagación de estas fisuras.
G. A. Mudry, D. Belato y G. A. Tarnowski
CONCLUSIONES 1. A partir de los análisis realizados sobre el componente se determin ó que fue fatiga el mecanismo que dio origen a la falla del componente. 2. Este mecanismo se presentó en cada uno de los especimenes analizado, los motivos que dieron origen a la fatiga pueden encontrarse en un error de fabricación del componente al colocar en el mismo dientes de un espesor menor al requerido para el correcto desempeño de la sierra, lo que origin ó rozamientos entre el cuerpo principal de la misma y el material a ser mecanizado, este rozamiento perjudic ó al componente al incrementar su temperatura como así también los esfuerzos a los que estaba solicitado durante el servicio. 3. Una forma de evitar la falla de nuevos componentes semejantes al analizado ser ía verificando el espesor de diente adecuado a ser colocado en la sierra, para evitar el contacto entre el material a ser mecanizado y las superficies laterales, evitando así el rozamiento. Por otro lado mejorar el proceso de fabricación de las ranuras de dilatación evitando la formación de una película de martensita reduciría en parte la probabilidad de falla del componente
REFERENCIAS 1. ASM Metals Handbook Volume 11 "Failure Analysis and Prevention"; 2002 ASM International. 2. ASM Metals Handbook Volume 9 "Metallography and Microstructures" 2002 ASM International. 3. Friedrich Karl Naumann: "Failure Analysis: Case Histories and Methodology"; 1983 ASM International 4. Joseph E. Shigley Charles R.. Mischke: "Proyecto de Ingeniería Mecánica"; 2006 Bookman.
