Fallas de Materiales

TECNOLOGIA DE MATERIALES

FALLAS DE MATERIALES SOLICITACIONES MECANICAS El comportamiento mecánico de los materiales se describe a través de sus propiedades mecánicas, que son el resultado de ensayos simples e idealizados. Estos ensayos están diseñados para representar distintos tipos de condiciones de carga. Los principales esfuerzos o solicitaciones mecánicas a los que están sometidos los materiales son:      

Tracción Compresión Flexión Torsión Corte

Tracción

Decimos que un elemento está sometido a un esfuerzo de tracción cuando sobre él actúan fuerzas que tienden a estirarlo. Los tensores son elementos resistentes que aguantan muy bien este tipo de esfuerzos.



Compresión

Un cuerpo se encuentra sometido a compresión si las fuerzas aplicadas tienden a aplastarlo o comprimirlo. Los pilares y columnas son ejemplo de elementos diseñados para resistir esfuerzos de compresión.Cuando se somete a compresión una pieza de gran longitud en relación a su sección, se arquea recibiendo este fenómeno el nombre de pandeo.



Flexión

Un elemento estará sometido a flexión cuando actúen sobre el cargas que tiendan a doblarlo. Ha este tipo de esfuerzo se ven sometidas las vigas de una estructura.

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

Torsión

Un cuerpo sufre esfuerzos de torsión cuando existen fuerzas que tienden a retorcerlo. Es el caso del esfuerzo que sufre una llave al girarla dentro de la cerradura.



Corte

Es el esfuerzo al que está sometida a una pieza cuando las fuerzas aplicadas tienden a cortarla o desgarrarla. El ejemplo más claro de cortadura lo representa la acción de cortar con unas tijeras.

ENSAYOS Producto que un elemento puede estar sujeto a la acción de diferentes esfuerzos o sometido bajo diferentes solicitaciones mecánicas (esfuerzos a los que están sometidos los materiales durante su uso) es necesario realizar una buena elección de los materiales que se utilizarán en la formación de ese elemento. Para realizar una correcta elección de un determinado material, que va a estar destinado a prestar un servicio, es necesario conocer las características técnicas del mismo, de tal forma que cualquier deformación que se produzca no sea excesiva y cause una rotura. Las propiedades de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos de laboratorios que reproducen las condiciones de trabajo real hasta donde sea posible. Ante la extensa gama de tipos de ensayos que se realizan en la industria para determinar las características técnicas de los materiales, estableceremos tres criterios básicos para su clasificación: 

Atendiendo a la rigurosidad de su ejecución distinguiremos entre: o

Ensayos Técnicos de Control: Son aquellos que se realizan durante proceso productivo. Se caracterizan por su rapidez y simplicidad mismo tiempo han de ser exactos, fieles y sensible.

o

Ensayos Científicos: Son aquellos que se realizan para investigar características técnicas de nuevos materiales. Se caracterizan por gran precisión, fidelidad y sensibilidad, pero no importa la rapidez que exige la producción.

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

Atendiendo a la forma de realizar los ensayos distinguiremos entre: o

Ensayos Destructivos: Los materiales sometidos a este tipo de experimentos ven alteradas su forma y presentación inicial.

o

Ensayos No Destructivos: Los materiales sometidos a este tipo pruebas no ven alteradas su forma y presentación inicial.



Teniendo en cuenta los métodos empleados en la determinación de las propiedades de materiales, y así distinguimos cuatro grandes grupos: o

Ensayos Químicos: Nos permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa del material, así como su comportarme ante los agentes químicos.

o

Ensayos Metalográficos: Con la ayuda del microscopio metalográfico estudiaremos la estructura interna del material que nos permitirá conocer los tratamientos térmicos y mecánicos que ha sufrido el mismo.

o

Ensayos Físicos: Mediante éstos determinaremos las propiedades físicas (densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad térmica y eléctrica, etc.), así como las imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas.

o

Ensayos Mecánicos: Destinados a determinar las características elásticas y de resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad.

Ensayos Mecánicos: Los principales ensayos mecánicos que se realizan en la sala de verificación de un taller son los ensayos a solicitación progresiva (aumento uniformemente) o a solicitación brusca a modo de golpe, así como los de dureza. Esto producto que las piezas de máquinas, los elementos de unión y las construcciones están solicitados por fuerzas mecánicas, que pueden producirse por tracción, compresión, corte, flexión, pandeo, torsión o por varios tipos de cargas simultáneamente.

Ensayo de Tracción: El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. La probeta va por este objetivo provista de cabezas de sujeción roscada. Con ayuda de unos dispositivos de medición se va determinando la carga aplicada a la probeta y su alargamiento, a medida que el cabezal móvil se desplaza a una velocidad constante. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la siguiente imagen: Las máquinas poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga ejercida. De esta grafica se puede obtener cual es el comportamiento del material ante la carga, por ello, si al cesar la fuerza el material vuelve a sus dimensiones primitivas, diremos que ha experimentado una deformación elástica. El número de deformaciones elásticas que todo material puede soportar es pequeño, puesto que los átomos son desplazados de sus posiciones originales mientras dura la deformación, pero no hasta el extremo de tomar nuevas posiciones, de tal manera que, cuando dejamos de aplicar la fuerza de deformación, vuelven a sus posiciones originales.

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Si el material se deforma hasta el extremo de no poder recuperar por completo sus medidas originales, se dice que ha experimentado una deformación plástica. as curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte (como se señaló si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial). Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:

Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio y se define ahora la zona plástica que ha comenzado del ensayo de tracción.

omo se señaló anteriormente la grafica entrega la deformación que sufre la probeta al ser exigida por una carga.

F = Fmáx

Así como se puede obtener valores de resistencia tanto elástica como plástica, se puede calcular porcentajes de reducción de áreas y de alargamiento observando la probeta y realizando valores medidos al inicio y valores medidos al final de la prueba.

La ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como la negación de la ductilidad, por lo tanto un material poco dúctil es frágil. La gráfica permite visualizar estos dos conceptos.

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El área bajo la curva fuerza - desplazamiento (F versus ΔL) representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más tenaz. A partir de los valores obtenidos en el gráfico Fuerza-Desplazamiento, se puede obtener la curva Esfuerzo-Deformación.

Los diagramas esfuerzo-deformación de diversos materiales varían ampliamente y diferentes ensayos de tensión con el mismo material pueden producir resultados diferentes de acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga. Sin embargo, es posible distinguir algunas características comunes a los diagramas de varios grupos de materiales y dividirlos en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles, conceptos definidos anteriormente. Finalmente, si la curva del material no presenta claramente dónde termina la zona elástica y comienza la zona plástica, se define como punto de fluencia al correspondiente a una deformación permanente del 0,2%.

Cuando se plantea el diseño de una pieza o elemento simple de una estructura, debemos tener presente el diagrama de fuerzas que actúan sobre dicha pieza o elemento, para que el ingeniero no la sobredimensione o la haga trabajar en zonas de deformaciones plásticas. Además, pueden aparecer otros tipos de tensiones que podemos llamar imprevistas. Para solucionar este tipo de problemas, la normativa establece una tensión máxima de trabajo, que definiremos como el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de estructura. Cuantitativamente, el valor de esta tensión es inferior a la tensión correspondiente al límite de proporcionalidad.

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La forma de determinar la tensión máxima de trabajo dentro de un diagrama de tracción consiste en hacer referencia a los puntos críticos citados anteriormente, como son los límites de fluencia y límite de rotura, y se obtiene dividiendo las tensiones de fluencia o de rotura por un número que llamaremos coeficiente de seguridad ( n),que puede tomar valores comprendidos entre 1,2 y 4,0:

Ensayo de Compresión: El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo. Generalmente se emplean para este ensayo probetas cilíndricas con diámetro de 10 a 30 mm, para ensayos sin medición de variaciones de longitud, h = d; en los ensayos con mediciones de variaciones de longitud h = 3 d. El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta para los aceros, al igual que el de tracción un periodo elástico y otro plástico. En los gráficos de metales sometidos a compresión, que indica la figura obtenidas de probetas cilíndricas de una altura doble doble con respecto al diámetro, se verifica lo expuesto anteriormente, siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspensión de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al limite de proporcionalidad.

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Ensayo dinámico de Flexión al Choque (Resiliencia): En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto. El ensayo de tracción estático nos da valores correctos de la ductilidad de un metal, no resulta preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad, en condiciones variables de trabajo. Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia. Este nuevo concepto, tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que se debe tener muy en cuenta los distintos factores que inciden sobre ella. Resumiendo diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una maquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, fileteados, etc., o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado. Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillo pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método Izod y el método Charpy. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, por lo que se los denomina flexión por choque. El martillo se sujeta en la posición de ensayo, según la energía requerida (dos posiciones del martillo para alcances de 325,4 Joule (33,81 Kgfm) o bien 135,6 Joule (13,825 Kgfm), según los métodos) mediante una palanca que al destrabarse lo deja en libertar al impacto. La misma palanca permite accionar un sistema de freno a cinta para detener al golpeador una vez alcanzada la rotura. La energía de ensayo será la necesaria para producir la fractura del material en un solo golpe y quedará indicada, en el cuadrante del péndulo, por una aguja arrastrada por otra fija solidaria al eje del golpeador. Luego del golpe se observa que las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, es por ello que esto obliga a realizar el

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ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transición dúctil-frágil".

Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método

Charpy utiliza probetas ensayadas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7 [m/s], entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5 [m/s]. Las probetas se colocan, como muestra la figura siguiente, simplemente apoyadas sobre la mesa de máquina y en forma tal que la entalladura se encuentra del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la misma figura se puede observar la correcta posición del material como así también la forma y dimensiones de los apoyos y de la forma de golpear del martillo pendular. En el método Izod la probeta se coloca en voladizo y en posición vertical, siendo asegurada por la mesa de apoyo de modo tal que la entalladura quede en el plano de las mordazas; en estas condiciones el extremo del martillo golpea al material a 22mm de las mismas, como indica la figura anterior, pudiendo realizarse más de un ensayo sobre la misma probeta, también puede construirse de sección circular, que presenta la ventaja de que permite determinar la energía de rotura sobre caras o generatrices opuestas y a diferentes profundidades de la muestra.

Por medio de este método obtenemos características mecánicas importantes en forma rápida, según se la dureza, el material, la forma y el tamaño de la pieza. Midiéndose la dureza de acuerdo a ensayos estático de penetración, de rebote, de rayado que permiten realizarse en piezas ya elaboradas.

Ensayo de de Dureza tipo Penetración: Se define la dureza como la resistencia a la penetración o resistencia a la deformación plástica que opone un material a ser presionado por un penetrador determinado y bajo la acción de cargas preestablecidas. El último ensayo rutinario es el de Dureza Superficial, que es la resistencia de un material a ser marcado por otro. Se prefiere el uso de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con otros elementos. Es el caso de las herramientas de construcción (palas, carretillas, pisos, tolvas). El ensayo es realizado con indentadores en forma de esferas, pirámides o conos. Estos elementos se cargan contra el material y se procede a medir el tamaño de la huella que dejan. Es un ensayo fácil y no destructivo; puede realizarse en cualquier sitio, ya que existen durímetros fácilmente transportables. Una de las ventajas del ensayo de dureza es que los valores entregados pueden usarse para hacer una estimación de la resistencia a la tracción. La dureza superficial puede aumentarse añadiendo al material una capa de carbono, en un tratamiento térmico denominado cementación. La clasificación y los métodos varían con cada material, dando origen a los números de dureza:   

HBN HRA, HRB, HRC, ... HVN

(Hardness Brinell Number). (Hardness Rockwell series A, B, C, ...). (Hardness Vickers Number). (Hardness significa dureza, temple)

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Ensayo Brinell (HBN): En el ensayo de Brinell se utiliza una esfera de acero que se comprime contra la superficie lisa de la pieza midiéndose el diámetro de la impresión producida por la esfera en su superficie. El diámetro de la esfera es para espesores inferiores a 3mm, de 1mm o de 2,5mm, para espesores de 3 a 6 mm, de 5 mm y para espesores de más de 6 mm, de 10mm. Con este ensayo sólo se ensayan piezas sin templar. La superficie sobre la que se efectúa la prueba debe estar plana y tener brillo metálico, así como estar dispuesta perpendicularmente a la dirección de la presión.

Indentador: Esfera de 10mm de acero o carburo de tungsteno. Carga = P Fórmula: HBN =

Ensayo Vickers (HVN): En este ensayo se comprime contra la superficie de la pieza la punta de una pirámide de diamante de cuatro caras laterales. Las caras de la pirámide forman un ángulo de 136°, la carga de ensayo puede estar comprendida entre 1 y 120 kp; en las máquinas ensayadoras de carga pequeña empieza la carga en 0,02 kp. Las cargas de ensayo preferidas son 10, 30 y 60 kp. La dureza Vickers HV se determina, midiendo la superficie de la impresión de ambas diagonales de la impresión; su valor medio dm; se toma como base de cálculo.

Indentador: Pirámide de diamante Carga = P Fórmula HVN = 1,72 Ensayo Rockwell Rockwell (HRA, HRB, HRC, ...): En el ensayo de dureza según Rockwell se oprime un cuerpo en dos etapas contra la superficie exterior de la pieza a ensayar. Se mide la profundidad permanente de penetración y de ella se deduce la dureza Rockwell. Se distinguen varios procedimientos diferentes con distintos cuerpos para oprimir contra la pieza y también con distintas cargas. Entre estos procedimientos están comprendidos el HRC para aceros templados y el HRB para aceros sin templar, que son los más importantes.

Ensayo Rockwell A, C, D Indentador: diamante

Cono (HRA,

de HRC,

HRD) Carga: PA = 60 Kg PC = 150 Kg PD = 100 Kg

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Formula: HRA, HRC, HRD = 100 - 500t

Ensayo ROCKWELL B, F, G, E Indentador: Esfera de acero f= 1/16” 1/16” (HRB, HRF, HRG) Esfera de acero f= 1/8” (HRE) (No Metales) Carga:

PB = 100 Kg PF = 60 Kg PG = 150 Kg PE = 100 Kg

Fórmula: HRB, HRF, HRG, HRE = 130 - 500t

Ensayos de Defectos: Este tipo de ensayos de defectos tiene por objeto descubrir y localizar defectos en la superficie o en el interior de los materiales. En general, estos ensayos se aplican a piezas terminadas y por lo tanto no deben dañar ni dejar huella alguna. Estos ensayos son muy útiles y se aplican extensiva y sistemáticamente, no sólo para el examen de la pieza o productos terminados, sino también para revisar periódicamente piezas que están en servicio.

Ensayo Metalográfico: Todos los metales constan de pequeños cristales, de cuya clase, forma y disposición (estructura, trabazón cristalina) dependen las propiedades de los materiales. Mediante modelado en frió y en caliente, sin arranque de viruta, y mediante tratamiento térmico se varia la estructura. El tratamiento correcto o equivocado de un material puede ponerse de manifiesto por la variación de la estructura. En los ensayos metalográficos, se esmerila la probeta, se pulimenta y se somete a la acción de ácidos. Se observa entonces al microscopio la parte así tratada. En virtud del fuerte aumento de la imagen se hace visible la constitución de la estructura, así como las grietas y la dirección del laminado.

Ens ayo Quím ico : La investigación química de un material (análisis químico) da una idea exacta sobre su composición, es decir, sobre la clase y cantidad de los componentes de la aleación, tales como carbono, azufre, cromo, molibdeno y otros. No puede realizarse nada más que en el laboratorio y por personal técnico especialmente preparado.

An ális is Esp ect ro g ráfic o: Con objeto de determinar la composición de los materiales, es decir de conocer la clase y la cantidad de los componentes de la aleación, se emplea muchas veces, en vez del análisis químico, el análisis espectrográfico. En este ensayo lo que se hace es provocar en el espectroscopio un arco voltaico entre un electrodo y la probeta. Los rayos luminosos radiados con ello se descomponen mediante un prisma de cristal en el aparato espectrométrico. Basándose en el

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espectro (banda luminosa) producido, puede conocerse la composición del material. El procedimiento no da en realidad unos datos tan exactos sobre la composición porcentual de la aleación como los que da el análisis químico, pero la exactitud obtenida es totalmente suficiente para las necesidades de la técnica. El análisis del espectro tiene la ventaja de que en muy corto tiempo se puede obtener un resultado. Una investigación en el espectroscopio exige sólo algunos minutos, mientras que un análisis químico, en ciertas circunstancias, puede llegar a ocupar todo un día.

Ensay os Electr om agné tico s: En este procedimiento la pieza es excitada magnéticamente. Las líneas de fuerza que con ello se forman se aglomeran en sitios en que la capa superficial de la pieza presenta defectos tales como grietas y análogos.

Ensayo mediante Corrientes Parásitas: Los procedimientos electromagnéticos de ensayo de materiales sin destrucción de la pieza sirven sobre todo para la automatización del proceso de ensayo. En este ensayo la pieza no se toca sino que se pasa rápidamente por el aparato de ensayo por lo cual, los tiempos empleados son muy cortos. En el ensayo de productos semifabricados tales como barras, tubos, alambres, etc., la velocidad de ensayo viene a ser, por ejemplo, de unos 10 [m/min]. Durante el ensayo pasa el material a ensayar a través de una bobina de ensayo que es recorrida por una corriente alterna y produce en el material que se ensaya las llamadas corrientes parásitas o de Foucault . Estas corrientes parásitas sólo pueden fluir sin dificultad cuando en el material que pasa por la bobina no hay defecto alguno. Cuando existen grietas, poros o cavidades, sobre la superficie o debajo de ella, las corrientes parásitas experimentan un aumento de resistencia. Se mide la acción reciproca de estas corrientes parásitas sobre la bobina, de tal modo que al presentarse fallas el aparato de ensayo de las corrientes parásitas produce señales.

Ensayo mediante Polvo Magnético: Otro procedimiento aprovecha para el ensayo el flujo de dispersión magnética que sirve para el procedimiento del polvo metálico. Si se vierte sobre la pieza a ensayar petróleo, al cual se ha añadido polvo de hierro (limaduras), se reunirá ese polvo, en virtud de la mayor densidad en los sitios donde exista el defecto, quedando de este modo bien visible.

Ensayo de Cocción en Aceite: Para determinar grietas superficiales existen diversos procedimientos todos ellos análogos entre sí. En el ensayo de cocción en aceite se cuecen las piezas en baño de aceite. El aceite penetra en las grietas capilares que pudieran existir. A continuación se limpian las piezas y se untan con lechada de cal. Las piezas vuelven a calentarse ligeramente (en seco): el aceite sale entonces de las grietas: Las grietas se ponen de manifiesto dibujadas en oscuro sobre el fondo blanco.

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Penetración de Pintura: En el procedimiento de penetración de pintura, se pulveriza, sobre la superficie de la pieza a verificar, colorante rojo que tiene la propiedad de penetrar aun en las grietas capilares más finas; las piezas pequeñas son también sumergidas en el colorante. Después se lava la pieza. Después de pulverizar un colorante blanco que se combina con el colorante rojo que ha penetrado, se hacen visibles a simple vista, en rojo, las grietas que antes no se apreciaban ni aun con el empleo de la lupa. De modo análogo se emplean también substancias fluorescentes que hacen visibles las grietas cuando se proyecta sobre la pieza luz ultravioleta.

Ensayo por Ondas Supersónicas: En el ensayo mediante ultrasonido se proyectan mediante un cabezal ultrasónico ondulaciones sonoras a través de la pieza; el número de vibraciones es tan elevado que no pueden ser percibidas por el oído humano (ultrasonido, hasta 10 millones de vibraciones). Las ondas son reflejadas por la cara opuesta de la pieza o por las superficies de los defectos que puedan existir y alcanzan nuevamente después de algunos microsegundos el cabezal emisor el cual transforma nuevamente en impulsos eléctricos los impulsos mecánicos reflejados. La diferencia de tiempo entre el eco de la pared posterior y el de la superficie del defecto hace posible determinar con bastante exactitud, la posición y el perímetro del defecto en el material. Esto se hace visible en la pantalla del instrumento. La escala de las graduaciones del indicador es ajustable, con lo cual se puede ajustar sobre toda la figura de la pantalla cualquier longitud de pieza desde los 10 [cm] hasta los 10 [m].

FALLAS MECANICAS     

Fatiga de material Sobre esfuerzos Pandeo Abrasión Desgaste por fricción

Fatiga de Material La fatiga se puede definir como una fractura progresiva, que se produce cuando una pieza o cuerpo está sometida a un esfuerzo repetido o cíclico, como por ejemplo una vibración. Durante el movimiento cíclico, no se observa deformación aparente, pero se van produciendo pequeñas grietas, que disminuyen la sección eficaz en la pieza, hasta que la pieza no puede soportar el esfuerzo y se rompe. Es importante emplear materiales resistentes a la fatiga en aquellas piezas que tienen que aguantar vibraciones, como son los amortiguadores, o las piezas de motores de explosión. Cuando cortamos un alambre flexionándolo de forma repetitiva, la rotura se produce por fatiga. La fatiga se da en tres etapas: Se genera una grieta muy pequeña en el material. Esta grieta también puede ser defecto  de fabricación del mismo.  La grieta crece una cantidad pequeña cada vez que se aplica un esfuerzo.  Cuando la grieta es demasiado grande, la pieza se fractura súbitamente.

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Las propiedades de fatiga de un material se determinan con el ensayo de fatiga.

Se mide cuantos ciclos de carga resiste el material antes de romperse. Se grafica el número de ciclos contra el esfuerzo aplicado para obtener la curva de fatiga del material.

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La vida de fatiga es el número de ciclos ( o tiempo) que un material puede resistir al esfuerzo aplicado antes de romperse.

Fatiga Térmica  

La fatiga térmica se induce normalmente a temperaturas elevadas debido a tensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que estén presentes tensiones mecánicas de origen externo. La causa de estas tensiones térmicas es la restricción a la dilatación y o contracción que normalmente ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones de temperatura.

Fatiga con corrosión  

Lógicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa y reducen la vida a fatiga. A consecuencia pueden producirse pequeñas fisuras o picaduras que se comportarán como concentradoras de tensiones originando grietas.

Fatiga generalizada    

Aspecto: La superficie del cojinete presenta áreas irregulares de donde se desprendió el material antifricción. Los daños por fatiga pueden ser causados por esfuerzo anormal y cíclico, o sea pick de carga. Las fracturas por fatiga son iniciadas por cargas excesivas, propagándose perpendicularmente a la superficie del cojinete. Antes de alcanzar la línea de ligación entre la aleación del cojinete y el material del soporte (acero) la fractura cambia de dirección propagándose paralelamente a la línea de ligación.

Si la durabilidad del cojinete fue menor que la prevista, verificar las condiciones de temperatura y carga en que trabajo el motor eliminando los defectos que haya. Evitar sobrecargas operacionales del motor observando las recomendaciones del fabricante.

Fractura La fractura de un sólido se puede definir como su separación en dos o más partes como consecuencia de una tensión. Existen dos tipos diferentes de fractura:  

Fractura dúctil: se produce un importante deformación plástica en la zona de rotura, la fractura es opaca. Fractura frágil: el material se separa sin que se produzca apenas deformación plástica. Este tipo de fractura que es típica de materiales cerámicos, vidrio y metales muy duros, origina superficies brillantes.

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Sobre esfuerzos En el diagrama de esfuerzo deformación de un materiales se distinguen dos zonas: una zona elástica en la cual el esfuerzo es directamente proporcional al la deformación dada por la ley de Hooke, Y una zona plástica en la cual existe un punto de fluencia del materia, que ocurre cuando la pieza continúa su deformación sin aplicación de esfuerzo hasta que se detiene la deformación. deformación. Si continúa la aplicación del esfuerzo mas allá del punto de fluencia, llegará un punto en que la pieza alcanzará el esfuerzo máximo que puede soportar llamado esfuerzo último antes de fracturarse.

Pandeo Fallo por inestabilidad o pandeo, que puede tener lugar en el caso de elementos estructurales esbeltos sometidos a compresión. En estos casos, en el elemento puede aparecer una flexión lateral que puede llegar a ser tan ser tan grande y hacer “fallar” al elemento. La aparición de dicha flexión lateral, su rápido crecimiento y la pérdida total de estabilidad del elemento y el consiguiente colapso de la estructura, constituyen el estudio del pandeo.

Fluencia Los elementos sometidos a altas temperaturas como turbinas, calderas, reactores, etc., experimentan deformaciones plásticas importantes, a pesar de que a temperatura ambiente y sometida a la misma carga, apenas se deformarían elásticamente. La deformación por fluencia que experimenta un material es tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura, o la carga aplicada, o el tiempo que dicha carga ha estado actuando.

Abrasión Es la apariencia de desgaste, destrucción o uso que puede presentar una superficie, a causa de una acción mecánica o química.

Desgaste por fricción Se produce en las superficies de los cuerpos o piezas debido a la fricción de otro cuerpo o medio. Es el resultado de una una interacción superficial y de atracción molecular en los límites de la adhesión y deformación mecánica en los límites del micro corte. Algunas de las formas de control del desgaste abrasiv o son: Aumento de la dureza de las capas superficiales de los elementos o máquinas Disminución del tamaño de las partículas abrasivas Control de la relación dureza metal-abrasivo Los aceros más resistentes al desgaste contienen entre 0.6 a 0.8 % de carbono.

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El desgaste es el daño de la superficie por remoción de material de una o ambas superficies sólidas en movimiento relativo. Es un proceso en el cual las capas superficiales de un sólido se rompen o se desprenden de la superficie. Los análisis de los sistemas han demostrado que 75% de las fallas mecánicas se deben al desgaste de las superficies en rozamiento.

Desgaste abrasivo: Es el daño por la acción de partículas sólidas presentes en la zona del rozamiento. Desgaste por roce: Aspecto: Grandes áreas de la camada antifricción del cojinete son arrancadas, quedando expuesta a la capa de acero. Causas: Cuando un cojinete en operación se calienta encima de la temperatura de fusión del plomo o del estaño y esta sujeto al esfuerzo de arrastre considerable de la fricción con el eje, el material antifricción de la misma asume la condición de la fragilidad en caliente. Bajo esta condición puede ocurrir un movimiento del plomo, separándose del cobre, y la camada superficial perderá la adherencia con la capa de acero provocando, consecuentemente el desprendimiento del material. Corrección:   

Montar las cojinetes con el juego recomendado por el fabricante. En el cambio de aceite observar lo máximo de limpieza y el montaje del motor retirar todos lo residuos de rectificación y otras suciedades existentes. Antes del montaje de nuevos cojinetes hacer una inspección dimensional cuidadosa de los cuellos del cigüeñal.

FALLAS POR CORROSIÓN El material sufre un ataque no intencionado por por parte del medio ambiente a través de reacción química. No existen materiales perfectos, todos los materiales son degradables (cerámicos, hormigones, polímeros, metales) Las clases de corrosión con solicitación mecánica son:

1.- Corrosión con grietas por tensión: Se produce por la tracción y por la acción de medios corrosivos. La formación de grietas tiene lugar de forma intercristalina o transcristalina. Corrosión intercristalina: se presente a lo largo de los límites de grano del metal y tiene como consecuencia la reducción de la resistencia.

2.- Corrosión con grietas por vibración : es un tipo de corrosión por fatiga producida por una solicitación alternada

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Corrosión generalizada

Corrosión por erosión    

Cuando el movimiento del medio corrosivo sobre la superficie metálica incrementa la velocidad de ataque debido a desgaste mecánico. Tiene la apariencia de picaduras poco profundas, prospera en condiciones de alta velocidad, turbulencia, choque, etc. Se observa en bombas, agitadores, tuberías. Los líquidos con suspensión conteniendo partículas sólidas duras pueden causar este tipo de problema.

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Aspecto: La apariencia típica de la ocurrencia de la corrosión es id entificada por la form ación de los compuestos oscuros y pequeñas cavidades en la superficie del cojinete. Corrosión es un ataque químico sobre la aleación de los cojinetes por compuestos existentes en el lubricante. Tales compuestos pueden ser extraños al sistema de lubricación, como en el caso de agua o pueden ser producidos durante la operación como resultados de la oxidación del aceite lubricante. Corrección, Cambio de aceite dentro del plazo especificado por su fabricante. Caso sea observado que la corrosión ha sido provocada por pasaje de gases para el cárter (“blow -by”), efectuar el cambio de los anillos y rectificar el motor si necesario.

Corrosión por agrietamiento Las condiciones ambientales en una grieta, pueden con el tiempo volverse muy diferentes de las existentes en una superficie limpia y abierta, por lo que un medio ambiente muy agresivo puede desarrollar y causar corrosión en las grietas.

Erosión por cavitación Aspecto: Algunas regiones de la superficie del cojinete quedan erosionadas. En algunas ocasiones la erosión puede atravesar todo el material de la aleación del cojinete y llegar hasta la capa de acero.

Causas: 



La erosión por cavitación es un tipo de daño causado por la explosión instantánea de burbujas de vapor de aceite a baja presión en la superficie de la aleación antifricción del cojinete. Eso ocasiona cambios rápidos en la presión hidrodinámica de la película de aceite en el cojinete. La erosión del cojinete puede ser también causada por alta velocidad del flujo de aceite en los agujeros del cigüeñal y por la variación del flujo en discontinuidades de la superficie del mismo, como rebajes, canales y cantos vivos.

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Corrección:     

Usar aceite de lubricante con viscosidad recomendada por el motor. Verificar la presión del aceite. Evitar contaminación del aceite lubricante. Verificar el juego del montaje. Verificar la holgura del montaje.

PROTECCIONES SUPERFICIALES Por protección anticorrosiva se entiende la separación del material metálico respecto del medio atacante, mediante la aplicación de capas de recubrimiento o revestimiento que eviten la corrosión o que la reduzcan suficientemente. Los tipos de protecciones son:

1.- Por barrera metálica: Una pieza limpia se sumerge en un baño metálico. Ej. Una chapa de acero en zinc. Con aire a presión se aplican metales líquidos. Ej. Plomo, zinc. Los procesos de este tipo son: galvanizado, cromado, niquelado.

Inmersión   

Estos recubrimientos consisten en sumergir las piezas en un baño fundido de metal protector durante breve tiempo. Los metales mas empleados son el zinc, estaño, aluminio y plomo. Galvanizado.

Metalización  

Este procedimiento es por medio de una pistola metalizadora, se proyectan partículas de un metal fundido o en estado pastoso. Se emplea para recargar piezas desgastadas, reparar defectos y proteger contra la corrosión y el desgaste.

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Chapado  

Consiste en proteger un metal por una o las dos caras mediante laminas protectoras que se laminan en caliente junto con el metal. Se emplea en el acero para darle resistencia a la corrosión.

2.- Por tratamiento químico Los procesos de este tipo son:

Fosfatado: llamado también bonderizado. Por rociado o inmersión se aplica una solución acuosa de fosfato de magnesio o de zinc a la superficie metálica, previamente desoxidada o desengrasada. Generalmente sirve de base para otras capas protectoras.

Anodizado: En un baño con ácido sulfúrico empleado como electrolito se pone una placa de plomo (como polo negativo) y la pieza de aluminio (como polo positivo). Si se hace pasar una corriente eléctrica continua en la pieza se forma una capa de óxido debido al oxígeno liberado.

Pasivado: La pasivación se refiere a la formación de una película relativamente inerte, sobre la superficie de un material (frecuentemente un metal) que la protege en contra de la acción de agentes externos. Ciertos metales como el níquel, cromo (acero inoxidable), titanio, aluminio y cadmio, basta la con la formación de una película invisible de óxido para que se autoporotegan. Los metales que se pasivan pueden transmitir esta propiedad con mayor o menor intensidad a sus aleaciones.

RECUBRIMIENTOS NO METALICOS 1.- Esmaltado: se hace mediante espolvoreo o aplicación con pistola de esmaltes y posterior cocción a 800°C o 1000°C. El recubrimiento es resistente a los agentes químicos y al calor. La masa de esmaltar se compone de polvo de vidrio, que es una mezcla de cuarzo, feldespato, y arcillas.

2.- Recubrimientos plásticos: se obtiene por inmersión en plásticos líquidos o bien por lacado.

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Electrolisis 

Los recubrimientos electrolíticos o galvánicos sirven para proteger las piezas mediante una capa de un metal auto protector (níquel, cobre, zinc y cromo).

FALLAS DE MATERIALES ¿Cuándo hay una falla?   

Cuando la pieza queda completamente inservible Cuando a pesar de que funciona no cumple su función satisfactoriamente. Cuando su funcionamiento es poco confiable debido a las fallas y presenta riesgos

Causas     

Mal diseño, mala selección del material. Imperfecciones del material, del proceso y/o de su fabricación. Errores en el servicio y en el montaje. Errores en el control de calidad, mantenimiento y reparación. Factores ambientales, sobrecargas.

Generalmente una falla es el resultado de uno o más de los anteriores factores.

Deficiencia en el Diseño  

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Errores al no considerar adecuadamente los efectos de las entallas. Insuficientes criterios de diseño por no tener la información suficiente sobre los tipos y magnitudes de las cargas especialmente en piezas complejas (No se conocen los esfuerzos a los que están sometidos los elementos) Cambios al diseño sin tener en cuenta los factores elevadores de los esfuerzos.

Deficiencias en la selección del material   

Datos poco exactos del material (ensayo de tensión, dureza). Empleo de criterios erróneos en la selección del material. Darle mayor importancia al costo del material que a su calidad.

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Imperfecciones en el Material 

Segregaciones, porosidades, incrustaciones, grietas (generadas en el proceso del material) que pueden conducir a la falla del material

Deficiencias en el Proceso  

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Marcas de maquinado pueden originar grietas que conducen a la falla. Esfuerzos residuales causados en el proceso de deformación en frío o en el tratamiento térmico que no se hacen bajo las normas establecidas (Temperatura, Tiempo, Medio de enfriamiento, Velocidad). Recubrimientos inadecuados. Soldaduras y/o reparaciones inadecuadas

Tipos de fallas 

Fallas por desgaste: o

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Fallas por fatiga superficial: o

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Debido a los esfuerzos presentes en la superficie y subsuperficie del material.

Fallas por fractura: o

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Generalmente se presenta pérdida de material en la superficie del elemento; puede ser abrasivo, adhesivo y corrosivo. Se puede catalogar como una falla de lubricación (tipo de lubricante).

Se puede presentar del tipo frágil o dúctil, su huella debe ser analizada para encontrar el motivo de la falla. La pieza queda inservible, generalmente es causada por el fenómeno de la fatiga.

Fallas por flujo plástico: o o

Se presenta deformación permanente del material; Es causado por presencia de cargas que generan esfuerzos superiores al límite elástico del material.

Inspección de campo  

La inspección de falla en campo se debe hacer tan pronto como sea posible. Se deben tomar fotografías (a color) y hacer anotaciones de todos los detalles que se observen.

En una inspección se debe determinar:        

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Localización de las piezas rotas respecto a cada una de las otras. Identificación del origen de la falla. Orientación y magnitud de los esfuerzos. Dirección de propagación de la grieta y secuencia de la falla. Presencia de oxidación, colores de temperatura o productos de corrosión. Presencia de defectos obvios en el material, concentración de esfuerzos, etc. Presencia de peligros secundarios no relacionados con la falla principal Además es importante hablar con los operarios, ya que pueden suministrar datos o pistas importantes para el posterior análisis, indagar por la presencia de ruidos, vibraciones, o temperaturas anormales. Es importante escoger las muestras del material y de los fluidos presentes, preservando muy bien las superficies de fractura para hacer pruebas de laboratorio.

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La recopilación ordenada de los datos y observaciones hechas en el sitio del accidente permitirán hacer un acertado análisis.

Recopilación de información  

Se debe tener una historia de cada pieza o equipo (esto generalmente se hace en el programa de mantenimiento). De ser posible se debe examinar esta información antes de visitar el sitio del accidente. Esto permitirá hacer una estimación en forma más inteligente.

La información que se necesita es:           

Nombre de la pieza, identificación, propietario, usuario, fabricante. Función que cumple. Datos de la historia de servicio. Discusión u opinión de los operarios que la han utilizado. Material de fabricación. Procesos de manufactura y métodos de fabricación. Tratamientos térmicos aplicados. Documentación de las normas y técnicas usadas en la inspección. Fecha y tiempo de falla, con temperatura y condiciones ambientales. Documentación de las normas de diseño y cálculos modificados en el diseño. Conjunto de planos, incluyendo cualquier modificación hecha en manufactura o en montaje.

Inspección de la Falla   

Consiste en la observación de la superficie de la fractura y de la pieza fallada en general. Para tratar de hallar el tipo u origen de la falla se debe tener un amplio conocimiento de los tipos de fallas y saber interpretar las pistas que nos puede dar el aspecto de la falla

Examen Macroscópico o

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Es una observación a simple vista de la superficie de la falla que permitirá en algunos casos identificar el tipo de fractura o el origen de la falla. Se debe observar muy bien la huella, la amplitud de las zonas marcadas en la superficie, la textura de la superficie, la presencia de grietas o focos de fractura y en fin todo aquello que conduzca a la determinación correcta del motivo de la falla. Es una observación al microscopio que permite delinear la microestructura del material. Allí se puede determinar la presencia de elementos extraños, la existencia de discontinuidades en la estructura del material, tratamientos térmicos mal efectuados, la presencia de concentradores de esfuerzos o microgrietas difíciles de detectar a simple vista. Las observaciones hechas en los casos anteriores se deben anotar complementándolas con mediciones, fotos, esquemas o dibujos. Con frecuencia es necesario efectuar algunos ensayos adicionales para determinar la causa de una falla. Se aplican los ensayos no destructivos (rayos X, ultrasonido, etc.), que permitirán acopiar una mayor cantidad de información.

Análisis de la Información    

Al analizar los datos recopilados en las etapas anteriores se debe plantear una hipótesis para contrastarla con ellas. Este método de análisis permitirá confirmar o descartar los supuestos hechos al pretender encontrar el origen de la falla. En esta etapa es comúnmente escuchar y analizar las opiniones de los expertos. Al dar un diagnóstico sobre la falla de una pieza es necesario plantear o dar soluciones para cada caso. La falta de esto haría inútil el trabajo realizado en las etapas anteriores.

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Reporte de la Falla    

Es tal vez la parte más difícil por las implicaciones legales que puede traer el diagnóstico. Se deben evitar los comentarios o las conjeturas no técnicas o demasiado subjetivas. Los comentarios u opiniones de los operarios deben ser tenidos en cuenta en el análisis de fallas, no es necesario incluirlos en el reporte técnico. Al hacer un informe sobre la falla, se debe incluir además de la solución de las fallas algunas sugerencias que permitan evitar fallas futuras.

Conclusiones  

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Toda Falla deja unas pistas que permiten encontrar su origen. El diseñador debe conocer muy bien las teorías de las fallas a fin de interpretar adecuadamente estas pistas. Toda máquina tiene sus niveles normales de ruido, vibración y temperatura. Cuando se observe algún aumento anormal de estos niveles, se tienen los primeros indicios de que hay alguna falla. Los operarios de las máquinas deben ser instruidos para que avisen al detectar estos síntomas que presenta la máquina. Al diseñar una máquina se debe tener un profundo conocimiento de la forma en que funciona cada elemento componente y la forma en que puede fallar. Esto conducirá a mejores diseños. Antes de reemplazar una pieza que ha fallado se debe hacer un análisis minucioso con el fin de determinar la causa exacta y aplicar los correctivos que hay a lugar.

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Fallas de Materiales

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