Análisis de Las Causas Que Producen Fallas

1. Análisis de las cusas que producen fallas en las piezas metálicas

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CONTENIDO Análisis de las causas que producen fallas en las piezas

1.1 Introducción 1.2 Procedimiento del análisis de falla 1.3 Modos de fractura

1.4 Esfuerzo y resistencia 1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga 1.5.1 Ejemplos

1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia 1.6.1 Ejemplos 1.7 Mecanismos de desgaste 1.7.1 Ejemplos

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1.1 Introducción

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1.1 Introducción ANÁLISIS DE FALLAS es un proceso crítico en la determinación de las causas raíz de los problemas físicos. El proceso es complejo, se basa en diferentes disciplinas y utiliza observación, inspección y las técnicas de laboratorio.

Uno de los factores clave para el cumplimiento adecuado de un análisis de fallas es mantener la mente abierta al examinar y analizar las pruebas para fomentar una perspectiva objetiva clara de la falla. Se requiere la colaboración con expertos de otras disciplinas, en determinadas circunstancias para integrar el análisis de las pruebas con una comprensión cuantitativa de la información de antecedentes en el diseño, fabricación y vida útil del producto o sistema averiado.

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1.1 Introducción Fallas mecánicas Material con propiedades mecánicas deficientes Se rebasan permisibles

Metalurgia mecánica:

esfuerzos

• Mecánica del medio continuo.

Existencia de algún defecto

• Mecanismos de deformación y endurecimiento. • Mecánica de la fractura.

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1.2 Procedimiento de análisis de falla

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1.2 Procedimiento del análisis de falla Modelos para Resolver Problemas. Una amplia gama de métodos de resolución de problemas y modelos están disponibles en la literatura. Todos estos métodos y modelos tienen sus raíces en el método científico, que se resumen como sigue:

Definir el problema Proponer una hipótesis Recopilar datos Prueba de hipótesis Elaborar conclusiones

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1.2 Procedimiento del análisis de falla Un modelo de resolución de problemas adaptado por varios de los autores se muestra a continuación.

Identificar

Estandarizar

Determinar la causa raíz

El formato continuo, circular en el gráfico es significativo, lo que indica que el proceso se reinicia con la identificación de un nuevo problema como resultado de la primera actividad de resolución de problemas. Nótese la similitud con el método científico clásico mostrado anteriormente.

Validar y verificar las acciones correctivas

Desarrollar acciones correctivas

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1.2 Procedimiento del análisis de falla 1.- ¿Cuánto tiempo estuvo la pieza en funcionamiento? 2.- ¿Cuál era la naturaleza de los esfuerzos aplicados a la pieza? 3.- ¿Existió alguna sobrecarga en la pieza? 4.- ¿Se instaló adecuadamente la pieza? 5.- ¿Tuvo la pieza un mantenimiento preventivo o correctivo adecuado?

Después se estudia la superficie de fractura y se deben contestar las siguientes preguntas:

1.- ¿Qué tipo de fractura presentan? 2.- ¿Empezó la falla en la superficie de la pieza o debajo de ella? 3.- ¿Empezó la falla en un punto o se originó en diversos puntos? 4. ¿Empezó la fisura recientemente o había estado creciendo por un tiempo largo?

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1.2 Procedimiento del análisis de falla Identificar: Describir la situación actual. Definir la deficiencia en términos de los síntomas (o indicadores). Determinar el impacto de la deficiencia en el componente, producto, sistema y el cliente. Establezca una meta. Recopilar datos para proporcionar una medida de la deficiencia.

Determinar la causa raíz: Analizar el problema para identificar la causa(s).

Desarrollar acciones correctivas: lista de posibles soluciones para reducir y prevenir la recurrencia del problema. Generar alternativas. Desarrollar un plan de implementación.

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1.2 Procedimiento del análisis de falla

Validar y verificar las acciones correctivas: Prueba de acciones correctivas en el estudio piloto. Medir la efectividad del cambio. Validar mejoras. Verifique que el problema se corrige y mejora la satisfacción del cliente.

Estandarizar: Incorporar las medidas correctivas en el sistema de documentación de las normas de la empresa, organización o industria para prevenir la recurrencia de los productos o sistemas similares. Monitorear los cambios para garantizar la eficacia.

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Posibles fuentes de fallas en los materiales metálicos a) Deficiencias en la selección del metal o aleación • Poco conocimiento de las condiciones del ambiente de trabajo. • Aplicación errónea de los datos obtenidos en los ensayos mecánicos. • Error al no contar con un prototipo para realizar ensayos de fatiga, corrosión bajo tensión, fragilización por hidrógeno, etc.

b) Deficiencias en el diseño • Maquinado deficiente, por ejemplo biselados con ángulo incorrecto. • Problemas en el diseño al no considerar los esfuerzos o la acumulación de sustancias corrosivas. • Maquinado deficiente, es decir acabado superficial pobre, por ejemplo, superficies no pulidas, entallas de torneado, etc. • Criterio deficiente al momento de diseñar la pieza o una estructura.

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c) Uso de materiales con un control de calidad deficiente

• Material con exceso de porosidades. • Segregación química, es decir, distribución no homogénea de elementos químicos respectivos. • Tratamientos térmicos errados o mal empleados. Por ejemplo, enfriamientos violentos que pueden producir agrietamientos o microfisuras.

d) Errores en el ensamblaje o instalación • Falta de experiencia de los trabajadores durante el proceso de ensamblaje. • Instrucciones confusas sobre el procedimiento de ensamblaje, por ejemplo, los folletos están en otro idioma. • Operaciones de soldadura erradas, por ejemplo, selección de electrodos, tratamiento térmico post soldadura inadecuado.

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f) Tipo de Fallas Resumiendo, en forma general las fallas se pueden clasificar en 4 grupos:

1) Fallas por desgaste: generalmente se presenta pérdida de material en la superficie del elemento; puede ser abrasivo, adhesivo y/o corrosivo. 2) Fallas por fatiga superficial: debido a los esfuerzos presentes en la superficie y en el interior del material. 3) Fallas por fractura: se puede presentar del tipo frágil o dúctil, la topografía de la superficie generalmente indica las causas de la falla; en ese caso generalmente es causada por el fenómeno de la fatiga. 4) Fallas por flujo plástico: El material se deforma plásticamente y es causado por la presencia de cargas que generan esfuerzos superiores al límite de fluencia del material.

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1.3 Modos de fractura

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1.3 Modos de fractura La fractura es la separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta a un esfuerzo estático constante o pausado durante un tiempo determinado a temperaturas relativamente bajas con relación a temperaturas de fusión del material.

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- Dúctil Fractura súbita

- Frágil-Dúctil - Frágil

De acuerdo a la velocidad de propagación de la grieta Fractura progresiva

- Fluencia lenta

- Dependiente del tiempo - Dependiente de los ciclos de carga

Tipos de fractura

Sobrecarga mecánica - Mecánica Fatiga

- Térmica - Por corrosión

Fragilización por hidrógeno De acuerdo al tipo o forma de la falla

Fluencia y Termofluencia, Fricción Fundición localizada, Desgaste, Cavitación Erosión – Abrasión, Impacto Fragilidad por revenido, Fractura por tensión Corrosión bajo tensión Corrosión a temperatura elevada

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1.3 Modos de fractura Fractura Dúctil La fractura dúctil se produce después de una apreciable deformación plástica, con una elevada absorción de energía antes de la fractura. La ductilidad puede ser medida en términos de elongación y reducción de área porcentuales, y es función de la velocidad de carga, temperatura y estado de tensiones.

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Fractura dúctil copa/cono de una probeta de Duraluminio

La temperatura de ensayo afecta la presencia de las zonas y sus respectivos tamaños. En la temperatura criogénica, donde la superficie es casi totalmente radial. A medida que la temperatura aumenta, la zona radial se reduce mientras que las zonas fibrosas y de cizalla (shear lips) crecen para finalmente desaparecer a temperaturas elevadas.

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Probetas planas La geometría de la probeta influye cuando se va de una probeta cilíndrica a una rectangular

a) Una zona fibrosa con un aspecto elíptico alargado, el cual aumenta al incrementar la relación longitud / espesor de la probeta.

b) La zona radial frecuentemente presenta un aspecto con marcas de Chevron.

c) La zona de cizalla, puede ocupar todo el espesor de la probeta. La superficie de fractura forma en este caso, un ángulo aproximado de 45° con la dirección de tracción. 21

Fractura Frágil Las fracturas frágiles aparecen brillantes y cristalinas. Cada cristal tiende a fracturarse en un plano de clivaje único (el cual posee baja energía superficial), plano que varía sólo ligeramente de un cristal a otro; debido a esto una fractura frágil en una muestra policristalina generalmente brillará a la luz. La fragilidad es una característica de los materiales que poseen una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y de tipo hexagonal.

Diferentes aspectos de la superficie de fractura frágil en tres tornillos de acero inoxidable 304

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1.3 Modos de fractura En la fractura frágil las grietas pueden propagarse muy rápidamente con poca deformación plástica, una vez iniciada la grieta, continuará de manera espontánea sin aumento de la magnitud de fuerza aplicada.

Fotografía que muestra en forma de V "chevron" marcas características de la fractura frágil.

La fotografía de una superficie de fractura por fragilidad que muestra crestas en forma de abanico radiales. La flecha indica el origen de la grieta.

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1.4 Esfuerzo y resistencia

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1.4 Esfuerzo y resistencia La resistencia de materiales es una disciplina de la ingeniería mecánica y la ingeniería estructural que estudia los sólidos deformables.

La resistencia de materiales estudia las deformaciones que se producen en el cuerpo sometido a cargas exteriores.

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1.4 Esfuerzo y resistencia Tipos de esfuerzos Las estructuras deben soportar diferentes tipos de fuerzas que actúan sobre los elementos que la componen. Estas fuerzas tienen distintos orígenes:

Propio peso Esfuerzos en los elementos

Carga aplicada

Factores externos

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1.4 Esfuerzo y resistencia Tipos de esfuerzos

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1.4 Esfuerzo y resistencia Tipos de materiales

Los materiales se pueden clasificar como: Dúctiles

Frágiles

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1.4 Esfuerzo y resistencia Elasticidad y plasticidad

Ley de Hooke Esta ley establece que si la tensión normal σ se mantiene por debajo de un cierto valor σp, llamado tensión de proporcionalidad, las deformaciones específicas y las tensiones son directamente proporcionales. σ=E*ε

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1.4 Esfuerzo y resistencia Diagrama esfuerzo-deformación (σ - ε)

a) Período elástico b) Período elasto-plástico c) Período plástico (fluencia) d) Período de endurecimiento y de estricción

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1.4 Esfuerzo y resistencia

Endurecimiento por deformación

Es un fenómeno en el cual un material dúctil se vuelve mas duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. • • • •

El metal posee dislocaciones. Desplazamiento de dislocaciones. Las dislocaciones aumentan en número. Se estorban entre sí haciendo más difícil su movimiento. • Se requiere de mayor fuerza para mover las dislocaciones.

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1.4 Esfuerzo y resistencia Fenómeno de estricción Una valoración cuantitativa del fenómeno de estricción está dada por el “coeficiente de estricción lateral”, el cual se define según la siguiente expresión:

Donde: Ωi = área inicial Ωf = área final

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1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

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1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga Tipo de fracturas

Dúctil

Frágil

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Definición de fatiga Sistema de falla en materiales generado por discontinuidades que tienen la función de

concentradores de esfuerzos mismos que al someterse a esfuerzos cíclicos ya sea de tensión, torsión o compresión, propician la propagación y crecimiento de la discontinuidad pudiéndose producir así la falla súbita del material.

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Tipificación de una falla por fatiga

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Curva de Wöhler

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Cálculo de vida

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1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga Cálculo de vida

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Cálculo de vida

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Cálculo de vida

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1.5 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia

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«Termofluencia» La deformación plástica que transcurre a través del tiempo a temperaturas elevadas, aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que su resistencia a la fluencia

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«Termofluencia» La termofluencia es causada por procesos difusivos que son térmicamente activados.

Alta temperatura

Dinámico

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia Dependen de las propiedades mecánicas del material y de su microestructura

Tiempo Temperatura

Esfuerzo

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Los principales efectos de la exposición de los metales a temperaturas elevadas son: • Disminución del esfuerzo de cedencia y resistencia a la tensión. • Aumento de la movilidad de las dislocaciones. • Recuperación y recristalización. • Disolución y precipitación de fases. • Crecimiento de grano y formación de subgranos.

• Fusión incipiente.

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Temperatura homóloga > 0.40

Tθ =

Termofluencia

Temperatura de trabajo Temperatura de fusión

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia Prueba de ruptura

Prueba de termofluencia

Requerimientos de equipo

ASTM E139

Información de los reportes

• Prueba de termofluencia: mide la capacidad de carga para una limitada deformación. • Prueba de ruptura: Provee una medida de la capacidad de carga de un material en función del tiempo.

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia Datos del reporte: • Tipo de aleación. • Tamaño del producto. • Tratamiento térmico. • Temperatura de prueba. • Esfuerzo, Ksi (MPa). • Dimensiones del espécimen. • Duración de la prueba. • Elongación o reducción de área (%). • Localización y descripción de la fractura.

Esquema de la prueba de termofluencia

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia El resultado es un registro llamado curva de termofluencia. Usualmente, la prueba se realiza a diferentes niveles de esfuerzos constantes, para un mismo material y se evalúa el tiempo de ruptura en cada caso.

Curva de un ensayo de termofluencia.

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Termofluencia transitoria

• Ocurre transformación de microestructura y reacomodo de dislocaciones y vacancias. • Velocidad de fluencia decreciente. • Se está endureciendo por deformación.

Termofluencia estacionaria

• Se genera un equilibrio entre los mecanismos de generación de dislocaciones y vacancias y los mecanismos de eliminación de las dislocaciones. • Velocidad de deformación constante. • El material se hace blando y retiene su capacidad para experimentar deformación.

Termofluencia terciaria

• Mayor deformación con un menor endurecimiento. • Provoca un encuellamiento en la probeta. • Forma cavidades que provocan fractura intergranular.

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia Mecanismos de deformación por termofluencia

Termofluencia por dislocaciones

• La activación térmica ayuda a pasar los obstáculos, mediante un proceso de ascenso de dislocaciones. • Este movimiento va cortando el cristal; produce deformación plástica. • Ocurre por la difusión de vacancias.

Termofluencia por flujo difusivo

• Involucra la deformación de los granos por el flujo difusivo de vacancias en el interior de los granos. • Movimientos desde las zonas sujetas a compresión hacia las de tensión. • Al mismo tiempo los átomos fluyen en dirección contraria. • La probeta se alarga.

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia Fractura en termofluencia Es del tipo intergranular y presenta un aspecto granuloso, donde las facetas de los granos están cubiertas de pequeños hoyuelos o cráteres que son cavidades separadas.

Procesos involucrados en la falla por termofluencia: Deslizamiento de límite de grano

Cavitación de límite de grano

Formación de subgranos

Flujo difusivo

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia Fractura en termofluencia • • • •

Cierta deformación plástica. Formación de cuello y relieve superficial. Macroscópicamente puede ser dúctil o frágil. Dúctil: Transgranular acompañado de elongación y cuello. • Frágil: Intergranular y tiene muy poca elongación y cuello.

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1.6.1 Ejemplos 1. Una tubería de vapor de 30 pulgadas de diámetro, que operaba a 900 psi y 538 °C se rompió violentamente produciendo una rajadura longitudinal, indicada por la flecha

roja en la figura 1.6.8, a lo largo del cordón de soldadura. El estudio realizado mostró que el cordón de soldadura tenía mejores propiedades mecánicas a temperatura ambiente que el acero de la tubería. Además se encontró que la velocidad

de deformación causó la ruptura por esfuerzos debido a termofluencia después de 10 años de servicio.

Figura 1.6. 8. Fractura longitudinal causada por termofluencia en un tubo de alta presión en una planta termoeléctrica.

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1.6.1 Ejemplos 2. Aquí se presenta daño por sobrecalentamiento a largo plazo que generalmente produce una rotura con bordes de canto gruesos en la cumbre de la zona hinchada que se forma antes de producirse la rotura, figura 1.6.9. El tubo horizontal se rompió violentamente produciendo una rajadura longitudinal de paredes gruesas, ubicada inmediatamente aguas debajo de la soldadura. La rotura violenta dobló el tubo en 90° formando una

“L”, ella terminó en dos grietas a ambos lados de la rotura. La superficie exterior del tubo estaba cubierta con magnetita (Fe3O4), excepto en las zonas cercanas a la rotura, donde el óxido fue arrancado. La falla se produjo por termofluencia a

temperaturas prolongadas mayores a 1050 °C.

Figura 1.6. 9. Fractura longitudinal causada por termofluencia en un tubo de vapor de alta presión en una caldera.

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1.6.1 Ejemplos 3. En las siguientes imágenes se presenta un ejemplo de componentes que soportan cargas constantes durante lapsos prolongados, como es el caso de pernos de anclaje en elementos que soportan calor.

Figura 1.6. 10. Fallas de tornillo de aleación Nimonic 80A por termofluencia en ductos de aire en una cámara de combustión que trabaja a 650 °C. a) Vista panorámica de lugar de falla de los tornillos. b) Superficie de fractura, vista de arriba. c) Superficie de fractura, vista de lado.

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1.6.1 Ejemplos Un procedimiento de extrapolación emplea el parámetro de Larson-Miller, definido como:

Donde C es una constante (generalmente del orden de 20), con T en grados Kelvin y el tiempo a la ruptura 𝑡𝑟 en horas.

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia. 1.6.1 Ejemplos

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia. 1.6.1 Ejemplos Un componente fabricado con aleación S590 de base hierro debe tener una vida a fluencia de por lo menos 100 días a 500°C. Determinar la tensión máxima permitida. (Sol. 600 MPa).

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1.7 Mecanismos de desgaste

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1.7 Mecanismos de desgate SISTEMA TRIBOLÓGICO Vida útil Asentamiento

Operación normal

Envejecimiento Desgaste severo

Operación suave

Desgaste

Es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación entre superficies sólidas en contacto

Horas (Miles)

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1.7 Mecanismos de desgate INTRODUCCIÓN AL DESGASTE Daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos.

Consiste en el deterioro o desprendimiento de partículas que sufren las superficies en contacto a causa de la fricción a las que se encuentran sometidas o el medio ambiente.

Se producen debido a la sensibilidad de un material o sistema a los cambios en la superficie.

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1.7 Mecanismos de desgate TIPO DE MECANISMOS DE MECANISMO POR DESGASTE TIPOS DE DESGASTE

Desgaste por adherencia

Desgaste por abrasión

Desgaste por fatiga

Desgaste por cavitación

Desgaste por corrosión

Desgaste por erosión

Se clasifican dependiendo de diversos factores que intervienen en la pérdida del material

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1.7 Mecanismos de desgate DESGASTE POR ADHERENCIA Es el proceso por el cual se transfiere material de una a otra superficie durante su movimiento relativo como resultado de soldadura en frío.

Coeficiente de adhesión

La tendencia a formar regiones adheridas, depende de las propiedades físicas y químicas de los materiales.

Dureza Vickers

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1.7 Mecanismos de desgate DESGASTE POR ABRASIÓN Pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella.

De acuerdo al mecanismo de abrasión puede clasificarse en dos tipos: abrasión a dos cuerpos, y abrasión a 3 cuerpos.

a)

b) Figura a) Desgaste a dos cuerpos, b) a tres cuerpos

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1.7 Mecanismos de desgate MECANISMO DE FALLO DE DESGASTE POR ABRASIÓN Factores que intervienen en el desgate abrasivo 

Tamaño de las partículas



Forma de la partícula

Propiedades



Dureza

abrasivas



Límite elástico



Propiedades de fractura



Concentración



Fuerza / nivel de impacto



Velocidad



Ángulo

Condiciones de contacto

de

impacto

choque 

Deslizamiento / rodadura



Temperatura



Húmedo / seco



Dureza



Límite elástico



Módulo de elasticidad

Desgaste



Ductilidad

propiedades



Características de

de materiales

/

los

Desgaste en función al ángulo de impacto

endurecimiento 

Tenacidad a la fractura



Microestructura



Resistencia a la corrosión

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1.7 Mecanismos de desgate DESGASTE POR FATIGA DEFINICIÓN

MECANISMO DE FALLO Surge por la concentración de esfuerzos

Pérdida de material por la repetición cíclica de esfuerzos a los que se somete un Causando pérdida del material componente o estructura. Teniendo distorsiones en la estructura cristalina y granos.

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1.7 Mecanismos de desgate DESGASTE POR CAVITACIÓN

Daño ocurrido en los materiales debido al crecimiento y colapso de pequeñas burbujas que surgen debido a la variación de presión durante el flujo de un fluido.

El fluido choca con la arista afilada haciendo variación en el fluido en la constante de Bernoulli.

Cavitación en hélice de un barco

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1.7 Mecanismos de desgate MECANISMO DE FALLO Comportamiento del fenómeno de cavidad 1) Se forma una burbuja de cavilación. 2) El colapso de la burbuja destrucción local de la película.

causa

la

3) La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión. 4) Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular.

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1.7 Mecanismos de desgate DESGASTE POR CORROSIÓN Degradación del material por el fenómeno de oxidación, logrando la pérdida del material a causa de la combinación o por la exposición del material a un tipo o modo de desgaste.

a)

b)

Desgaste corrosivo a) Formación capa de óxido, b) desprendimiento del material.

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1.7 Mecanismos de desgate DESGASTE POR EROSIÓN Definición

Mecanismo de fallo

Forma Tamaño Velocidad

Eliminación del material provocado

Dureza de las partículas erosivas

por incidencia de partículas sólidas.

Dureza de la superficie Ángulo de impacto

Tipos

I. Erosión por suspensión

a)

b)

II. La erosión por impacto Ángulos de desgaste erosivo, a) recto, b) inclinado.

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1.7 Mecanismos de desgate PREVENCIÓN DE DESGASTE EN GENERAL lubricación

 Formación de los tipos de fenómenos son independiente de cada uno.  No

existe

modelo

de

fabricación

Medio ambiente

solución

específica. Condiciones de uso

Calidad del material

Parámetros o factores para la prevención

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1.7 Mecanismos de desgate EQUIPO PARA MEDIR EL DESGASTE Máquina de espiga y disco

S=

Wi - Wf

a) Máquina de espiga

Wi

X 100

Donde:

S= Peso del desgaste en %. Wi= Peso inicial. Wf= Peso después de la prueba. c) Disco para medir fricción

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1.7 Mecanismos de desgate EJEMPLOS DE LOS TIPOS DESGASTE

Desgaste por adhesión

Desgaste por adhesión en soportes.

Desgaste por abrasión

Desgaste abrasivo en maquinaria pesada.

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1.7 Mecanismos de desgate EJEMPLOS DE LOS TIPOS DESGASTE

Desgaste por erosión

Desgaste por cavitación en turbinas de barcos.

Desgaste por cavitación

Desgaste por cavitación en turbinas de barcos.

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Bibliografía 1. American Society of Metals (ASM). Handbook vol. 11. Failure Analysis and Prevention. 2. González, Jorge Luis. Metalurgia Mecánica. Limusa Noriega editores. 2003. México, DF. 3. Callister, William. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Reverté, S. A. 1995. 4. ASM Metals HandBook Volume 8 - Mechanical Testing and Evaluation. American Society of Metals. 2000.

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Análisis de Las Causas Que Producen Fallas

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