ANÁLISIS DE FALLA PROFESOR: Jorge Luis Guadalupe Almeida Ingeniero Mecánico – Escuela Politécnica Nacional, Ecuador. Magíster en Ciencias de la Ingeniería Mecánica – Universidad Técnica Federico Santa María, Chile.
Introducción al Análisis de Falla
Tema I. Introducción al Análisis de Falla • La falla en ingeniería de materiales es casi siempre un evento indeseable por varias razones; aquellas incluyen riesgos para el ser humano, pérdidas económicas y la interferencia con la disponibilidad de productos y servicios. • Es difícil garantizar que un material no falle. • Las causas usuales son la selección inapropiada de materiales y diseño inadecuado del componente o su mal uso. • Es importante el buen diseño del ingeniero, para disminuir las causas de la falla de un elemento.
1.1. Práctica general en el análisis de falla • La factura simple es la separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta a esfuerzos estáticos impuestos (cambian constante o lentamente con el tiempo) y en temperaturas que son bajas al comparar con la temperatura de fundición de un material. • El esfuerzo aplicado puede ser de tensión, compresión, corte o torsión. • Por el momento se restringe a facturas que son el resultado de aplicar cargas uniaxiales de tensión. • En ingeniería de materiales, dos modos de fractura son posibles: dúctiles y frágiles.
1.1. Práctica general en el análisis de falla
• La clasificación se da en base a la habilidad que tiene un material a experimentar deformación plástica. • Los materiales dúctiles, exhiben buena deformación plástica con alta energía de absorción antes de la fractura. • Por otro lado, existen materiales con poca o casi sin deformación plástica con baja energía de absorción acompañados de factura frágil.
• Los términos dúctil y frágil están relacionados. La ductilidad puede ser cuantificada en términos del porcentaje de elongación y porcentaje de reducción en el área. Por consiguiente, la ductilidad es una función de la temperatura del material, la velocidad de deformación y el estado de esfuerzo. • Cualquier proceso de fractura envuelve dos pasos – formación de grietas y propagación – en respuesta a un esfuerzo impuesto. • El modo de fractura depende altamente del mecanismo de propagación de la grieta. • La fractura dúctil está caracterizada por la extensión de la deformación plástica en la vecindad de una grieta avanzada. • Este proceso es relativamente lento, mientras la longitud se extiende. • Este tipo de grieta es llamada estable.
• Generalmente, habrá evidencia de la deformación total en las superficies de fractura (zigzagueante y desgarre). • En la factura frágil, las grietas puede expandirse extremadamente rápido, acompañada de una muy baja deformación plástica. • Estas grietas son llamadas inestables y la propagación de la grieta, una vez que empieza, continuará espontáneamente sin un incremento en la magnitud del esfuerzo aplicado. • La fractura dúctil es casi siempre preferida por dos razones. La fractura frágil ocurre repentina y catastróficamente sin alguna advertencia, esta es una consecuencia de la propagación rápida y espontánea de la grieta. • En la fractura dúctil, la presencia de la deformación plástica da advertencia que la fractura es eminente, permitiendo prevenirla y tomar medidas.
• Segundo, más energía de deformación es requerida para inducir la fractura dúctil, asumiendo que los materiales dúctiles son más “duros”. • Bajo la acción de un esfuerzo de tensión aplicado, muchos materiales permiten ductilidad, mientras que los cerámicos son notablemente frágiles y los polímeros podrían exhibir ambos tipos de fracturas.
1.2. Identificación de Tipos de Fractura • En la introducción de la presente exposición, se mencionó dos tipos de fractura: DÚCTIL y FRÁGIL.
1.2.1 Fractura Dúctil • Las superficies que presentan fractura dúctil tienen su propias características distintivas a nivel macroscópico y microscópico.
• En la figura a, se muestra la fractura dúctil para un material extremadamente blando, tal como el oro puro y la plata en temperatura ambiente y otros metales en elevadas temperaturas. • La reducción del área transversal es del 100%. • La fractura más común que se presenta en metales dúctiles es presentado en la parte b donde las fractura es precedida solamente por una cantidad moderada de aprietamiento.
• El proceso de fractura comienza luego que el aprietamiento comienza. • Primero, pequeñas cavidades se forman en el interior de la sección transversal (b). • Como la deformación continúa, estas porosidades se alargan, vienen a juntarse y la coalescencia forma una grieta elíptica, perpendicular a la dirección del esfuerzo (c). • La grieta continua creciendo, paralela a la dirección de la coalescencia (d). • Finalmente, la fractura sigue y se propaga alrededor del perímetro, llegando a separar el material en un ángulo de 45 con el eje de tensión. Este es el ángulo donde se tiene el mayor esfuerzo cortante. • Algunas veces este fractura es llamada FRACTURA COPA – CONO.
1.2.1 Fractura Dúctil – Estudios Fractográficos • La examinación en relación con los mecanismos de fractura esta disponible mediante un examen microscópico. • Por lo general son hechos con microscopios de electrones ya que tienen mejor resolución y profundidad del campo de examinación, respecto del microscopio óptico. Esta característica es necesaria para revelar las características topográficas de las superficies de fractura. • Cuando la superficie de una fractura copa – cono es examinada, consistirá en abolladuras esféricas, que resulta de una tensión uniaxial. También forman ángulos de 45. • Mientras que en una fractura dúctil resultado de un cortante, se formarán abolladuras parabólicas.
1.2.1 Fractura Dúctil – Estudios Fractográficos
1.2.2 Fractura Frágil • La fractura frágil toma lugar sin una apreciable deformación y por la rápida propagación de la grieta. • La dirección del movimiento de la grieta es perpendicularmente muy cercana a la dirección en la cual se aplica el esfuerzo de tensión. • La superficie de los materiales que fallan de una manera frágil tienen sus distintivas características, cualquier señal de deformación plástica total estará ausente.
1.2.2 Fractura Frágil • La figura en “V” (chevron), se podrían formar cerca al centro de la sección que cruza la fractura que señala atrás hacia donde la grieta inicia. • La otra parte de la fotografía contiene líneas o rugosidades que son emitidas desde el origen de la grieta en un patrón tipo ventilador. • A menudo, ambas características serán suficientes para identificar el tipo de fractura al ojo desnudo. • La fractura frágil en materiales amorfos, tales como cerámicas, tendrán campos brillantes y superficies lisas.
• Para muchos materiales cristalinos, la propagación de la grieta corresponde a las sucesivas y repetidas roturas de los bordes de los átomos a lo largo de los planos cristalográficos, esto es conocido como división o canalillo (cleavage). • Este tipo de fractura es conocida como transcristalina, por que la grieta de la fractura pasa a través de los granos. • La superficie de la fractura podría tener una textura granular, como resultado de los cambios de orientación de los planos división de grano a grano.
