Universidad del Valle de Guatemala Materiales I Ing. Raúl Loarca
Desgaste y prevención de fallas en metales
Hugo Daniel Mena 08825 Bily Batz 09698 Stephen Chávez 10490 Sección 40
Índice. Introducción……………………………………………………………………………………………………………………………………….…..3 Objetivos…………………………………………………………………………………………………………………………………………………4 Marco teórico……………………………………………………………………………………………………………………………….…………5
Causas comunes de fa llas………………………………………………………………………………………………………….…………..11 Conclusiones…………………………………………………………………………………………………………………………………………14 Recomendaciones………………………………………………………………………………………………………………………………….15 Comentarios………………………………………………………………………………………………………………………………….………16 Bibliografía…………………………………………………………………………………………………………………………………….………17
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Introducción. Como todo en este mundo es efímero, los materiales presentan ciertos errores o fenómenos que dificultan su uso en la razón de su creación. El siguiente trabajo tiene como finalidad comprender sobre los diferentes tipos de fallas mecánicas que existen con el fin de poder prevenir accidentes de diferentes índoles como lo que son fracturas en los materiales, desgastes etc. Así mismo hay que tomar en cuenta que un mecanismo no puede estar fabricado de cualquier tipo de material. Es muy importante siempre tener en cuenta todos los factores que pueden afectar a los materiales por los que esté compuesto alguna máquina que se vaya a construir, debido a que se corre el riesgo de que la misma falle por no tomar en cuenta factores tan simples, como lo es la reacción que tiene cada material por la temperatura, resistencia al desgaste, conducción eléctrica, etc.
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Objetivos. Objetivo General
Conocer los diferentes tipos de fallas mecánicas que existes y como se pueden prevenir
Objetivo especifico
Conocer las causas más comunes de las fallas de los metales.
Conocer los factores que hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar un material para una maquina o estructura.
Conocer de qué modo fallan los materiales.
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Marco teórico A la hora de seleccionar un material para una maquina o pieza, hay muchos factores que hay que tener en cuenta, no solo así las características de Esfuerzo y De formación mencionados en la Parte I de este informe. También se deben considerar muchas veces las propiedades de resistencia de un material, a la corrosión o a la tensión. Al someter una probeta a una carga estática de tensión, se genera un gráfico-esfuerzo de deformación característico que posee ciertos puntos claves, como se ven a continuación:
El punto P recibe el nombre de límite de proporcionalidad (o límite proporcional). Este es el punto en el que la curva comienza primero a desviarse de una línea recta. Hasta ese punto la deformación es elástica, esto es que cuando uno le saca la carga a la probeta esta vuelve a su forma original. El punto E se denomina límite de elasticidad (o límite elástico verdadero), desde ese punto la deformación pasa de ser elástica a semi-elástica como muestra la figura 8. Luego, el punto Y indica el comienzo de la deformación plástica, hasta la rotura del material en el punto F.
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Falla es una condición no deseada que hace que el elemento estructural no desempeñe una función para la cual existe. Una falla no necesariamente produce colapso o catástrofe. Sin embargo, las fallas pueden involucrar el sacar de operación y desechar el producto, reparaciones costosas, dañar otros productos, pérdidas económicas e incluso pérdida de la vida humana. Existen dos tipos generales de falla: una es fácil de reconocer y corresponde a la fractura o separación en dos o más partes. Es decir, la misma separación nos indica que existe una falla en el material. Luego, tenemos el segundo tipo, que es de difícil identificación y corresponde a la deformación permanente o a cambios de forma y/o posición. Es importante conocer el tipo de falla para saber el método de inspección y cómo eliminar la falla. En las fallas mecánicas en los materiales existen ciertos conceptos que debemos de conocer antes de poder adentrarnos más en el tema.
Mecanismos de falla: es el proceso o secuencia que ocurre en el elemento estructural cuando falla. Puede haber uno o varios mecanismos en una misma estructura como los on los mecanismos de pandeo y los de fractura. Modo de falla: es la configuración (geométrica) que adopta el elemento estructural cuando falla.
Parámetro crítico: es un indicador asociado a la falla. Se usan indicadores como tensión, deformación, desplazamiento, etc.
Criterios de falla: permiten predecir el modo de falla.
Sabiendo la anterior, ahora es importante que conozcamos las escalas a las que pueden existir fallas en los materiales.
1. Escalas en el estudio en fallas en materiales
a.
Macro estructura: se analizan fallas en materiales o -1 estructuras grandes, esto es entre 10m y 10 metros. Se profundiza más sobre esta escala, más adelante en la investigación.
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b. Micro estructura: entre 10 y 10 m, esto se refiere a la observación de las piezas por medio de un microscopio de barrido electrónico. Por medio de este microscopio se pueden observar los granos que forman el material y así comprobar posibles fallas o contaminaciones en el material. Esta escala permite conocer el tamaño de grano, la forma que tiene, la frontera de grano, el alargamiento que tienen y así realizar predicciones del material a nivel macro. c.
Nano estructura: se refiere a los átomos -9 que forman el material, es decir 10 m. Es importante conocer las fallas a nano estructura para saber cómo se comportará la pieza a nivel más grande. Existen diferentes fallas estructurales a nivel nano:
i. Defectos puntuales: son discontinuidades de la red de átomos que involucran uno o varios átomos. Pueden ser de tipo vacante, intersticial, sustitucional, frenkel o Schottky, ii. Defectos de línea: son irregularidades de tipo lineal que e stán localizados en una red perfecta. Pueden ser: dislocación de borde, helicoidal y mixtas.
Modos de fallas mecánicas 1. Plasticidad:
Una de las propiedades mecánicas de un material donde se ve involucrada su deformidad permanente e irreversible se conoce como plasticidad. Generalmente esto se da en materiales biológicos. Para que esto suceda el material tiene que encontrarse por encima de su límite elástico. En ocasiones pequeños incrementos en la tensión, provocan pequeños incrementos en la deformación. En caso de que la carga sea 0, el objeto toma su forma original. Según experimentos realizados existe un límite, conocido como el límite elástico, cuando las tensiones superan este límite y desaparecen las cargas el cuerpo no vuelve a su forma, debido a que muestra deformaciones no reversibles. Este se encuentra presente en los metales. Cuando en un material el comportamiento plástico se presenta de manera perfecta, aunque involucra las deformaciones irreversibles. Los materiales que presentan más esta condición son, la arcilla de modelar y la plastilina. Hay materiales que requieren de un esfuerzo mayor para aumentar su deformación plástica. En ocasiones se presentan efectos viscosos, esto es lo que hace que las tensiones sean mayores si se presenta la velocidad en el proceso de deformación, esto se conoce como visco plasticidad.
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La plasticidad depende mucho de los cambios irreversibles que se presentan en los materiales. Cuando un cuerpo se deforma plásticamente experimenta lo que se conoce como entropía. La energía mecánica en este caso se disipa internamente. Microscópicamente, la plasticidad en los metales es una consecuencia de las imperfecciones en la red llamadas dislocaciones. Para la descripción de la plasticidad se utiliza ecuaciones diferenciales no lineales y no integrables. Cuando este comportamiento implica a las matemáticas, se incluye la irreversibilidad o deformaciones. Sus principales modelos son: • Modelo de plasticidad J2 • Modelo elastoplástico hidrodinámico • Modelo visco -elastoplástico de Krieg-Key
2. Fracturas
Las fracturas por tensión pueden clasificarse en cuanto a forma, textura y color. Los tipos de fractura, en lo respectivo a la forma, son simétricos: cono y copa, planos e irregulares. Varias descripciones de la textura son: sedosa, grano fino, grano gr ueso o granular, fibrosa o astillable, cristalina, vidriosa y mate. Ciertos materiales se identifican efectivamente por sus fracturas. El acero suave en forma de una probeta cilíndrica normal usualmente presentan un tipo de fractura de cono y copa de textura sedosa. El hierro forjado presenta una fractura dentada y fibrosa, mientras que la fractura típica del hierro fundido es gris, plana y granular. Un examen de la fractura puede arrojar una pista posible de los valores bajos de la resistencia o la ductilidad de la probeta. La carga no axial causara tipos asimétricos. La falta de simetría puede también ser causada por la heterogeneidad del material o un defecto o una falla de alguna clase, tal como la segregación, una burbuja, o una inclusión de material extraña, tal como la segregación, una burbuja, o una inclusión de material extraña, tal como la escoria. Sobre la superficie fracturada del material que haya sido trabajado en fió o posea una condición de esfuerzo interno, debida a ciertos tratamientos térmicos, frecuentemente existe una apariencia de rayos o vetas que irradian de algún punto cercano al centro de la sección; esta ocasionalmente es denominada "fractura de estrella". Una descripción de la fractura debe incluirse en cada informe de ensayo, aun cuando su valor sea incidental para las fracturas normales. 3. Fractura copa y cono & Fractura plana.
Como resultado de la triaxialidad de tensiones producida por la estricción, se alcanza una situación en la que las pequeñas inclusiones no metálicas que contiene el material en la zona estringida o bien se fracturan o bien se decohesionan de la matriz metálica produciendo microhuecos que crecen gradualmente al ir progresando la deformación plástica, hasta coalescer. De este modo se genera una fisura interna plana en forma de disco orientada normalmente a la dirección del esfuerzo aplicado. Finalmente, la rotura se completa por corte a lo largo de una superficie cónica orientada a unos 45º del eje de tracción, dando origen a la clásica fractura copa y cono que se ilustra en la Fig. (a).
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La producción de la rotura a lo largo de la superficie cónica tiene su origen en el hecho que a medida que el vértice de la fisura plana en forma de disco se acerca a la superficie de la barra, se pierde triaxialidad de tensiones porque la tensión normal a la superficie libre es nula. Por lo tanto, la constricción plástica disminuye y consecuentemente las tensiones de corte a 45º del eje se tornan preponderantes, lo que conduce a la rotura plástica a lo largo de tales planos. Si el material es frágil, o mediante una entalla superficial se induce un estado de triaxialidad superficial, tiende a suprimirse la zona cónica y se obtiene entonces una fractura plana como puede verse en la Fig. (b).
4. Creep
Las deformaciones elásticas y plásticas que sufre un material se suelen idealizar asumiendo que las mismas se producen de manera instantánea al aplicarse la fuerza que las origina. La deformación que puede desarrollarse posteriormente en algunas situaciones y que progresa en general con el tiempo, se conoce con el nombre de creep. Para los materiales metálicos y los cerámicos, la deformación por creep se torna significativa por encima del rango de temperaturas 0.3/0.6 Tf, donde Tf es la temperatura absoluta de fusión del material. Por el contrario, para los vidrios y polímeros la temperatura a la cual los fenómenos de creep se tornan imortantes se encuentra alrededor de la temperatura Tg de transición vítrea del material. De manera que mientras los metales en general no sufrirán efectos de creep a temperatura ambiente, muchos vidrios y polímeros lo harán.
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La adecuada selección de materiales para servicio a alta temperatura es un factor esencial en el diseño resistente al creep. En general, las aleaciones metálicas empleadas contienen elementos tales como Cr, Ni, y Co en distintas proporciones según las características específicas buscadas. Las grandes diferencias que los distintos materiales pueden presentar en la resistencia a la deformación a alta temperatura pueden verse en la figura, donde se muestran resultados de ensayos de corta duración que establecen las condiciones de tensión-temperatura necesarias para producir una deformación permanente de 3% en 10 minutos.
5. Fatiga
La fatiga de material consiste en el desgaste y posterior ruptura de un objeto construido por el ser humano. La fatiga de material, tiene que ver más que nada, con objetos, los cuales, soportan carga. Y nos referimos, a todos los objetos construidos por el hombre, diseñados para soportar peso. La rama de la física que la estudia es conocida como resistencia de materiales. Por cientos de años, la fatiga de material, no fue una preocupación para los entendidos en la materia. Debido en gran parte, a lo lento del desarrollo productivo e industrial. Con lo cual, las cargas a utilizar, eran bastante menores. Pero con el arribo de la Revolución Industrial, aquel paradigma, fue derrumbándose rápidamente.Los primeros casos de fatiga de material, que llamaron la atención, fueron las ruedas de las locomotoras. Claro, ya que al aumentar el proceso productivo, de las industrias, su carga era mucho mayor, a lo que acostumbraran transportar. Y es que hay leyes infalibles, en cuanto a la fatiga de material. Si uno realiza una carga estática, o sea, sin movimiento o contorsión, el material tenderá a resistir por más tiempo. Ahora, si la carga fuera dinámica, o sea, en movimiento o contorsión, la fatiga de material, se hará presente de manera más rápida.Teoría que fue revalidada, en el caso de los ferrocarriles. Incluso se logró crear un método de calcular el umbral de fatiga, de los distintos materiales. El proceso por el cual, se va generando la fatiga de material, se podría señalar de la siguiente manera. Primero en el material, se comienza a gestar una grieta. La cual en su primera instancia es prácticamente imperceptible. Como segundo paso, tenemos que aquella pequeña grieta, se va ampliando al resto del material. Es en diversas ocasiones, que en éste paso, se logra detectar la fatiga de material. Con lo cual, se logran salvar diversas vidas. Ya que de no ser así, será muy tarde. Por último y como desenlace obvio, más bien, como la crónica de una muerte anunciada, el material se fatiga y se rompe.
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Causas comunes de fallas 1. Inadecuado control o protección ambiental Un inadecuado control de las condiciones ambientales, tales como temperatura y humedad; pueden ocasionar fallos. Se debe tomar en cuenta en qué condiciones se estará trabajando y en cuales se va a operar el material para saber si va a ser afectado por condiciones ambientales o no. Como se mencionó anteriormente, todo material puede ser afectado por condiciones ambientales, tales como temperatura y humedad y si no se toman en cuenta estas condiciones el material se puede degradar más rápido de lo pensado y tener una vida útil menor a la calculada, lo que ocasionaría daños en e l equipo. 2. Condiciones no previstas de operación Se dan cuando no se prevé un movimiento en una máquina. Esto es consecuencia de una mala investigación tanto de diseño como de materiales. Un mal análisis de la resistencia del material o de los esfuerzos a los que estará sometido es una causa de las fallas.
3. Tratamientos térmicos incorrectos Estos fallos se producen por la no información adquirida sobre el material trabajado, o por no estar completamente seguro de saber con qué material se está trabajando. A la hora de realizar tratamientos en una pieza se afectan sus propiedades mecánicas y físicas. Por ejemplo en herramientas templadas, la elevación de la temperatura produce cambios en la dureza y estructura del material utilizado y si esto no se sabe, depende del material puede que dañemos la pieza o no obtengamos los resultados que se necesitan. 4. Material Inadecuado Deficiencias en la selección del material
Datos poco exactos del material (ensayo de tensión, dureza). Empleo de criterios erróneos en la se lección del material. Darle mayor importancia al costo del material que a su calidad.
5. Errores de Diseño Deficiencia en el Diseño
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 e levadores de los esfuerzos.
El 90% de las piezas sometidas al método de análisis de falla presentan problemas de diseño, el 5% problemas en el material y el 5% restante corresponde a otras causas como errores de montaje o selección del acero.
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6. Mantenimiento Inadecuado
Marcas de maquinado pueden originar grietas que conducen a la falla. Esfuerzos residuales causados en el proceso de deformación en frio 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.
7. Defectos de soldadura Los defectos de soldadura son los más comunes, ya que mucha gente cree que cualquier material se puede soldar. Existen ciertos tipos de materiales que pierden propiedades al someterlas a la soldadura, ya que se vuelven frágiles. En el momento de aplicare algún tipo de carga a una pieza que no debió de ser soldada o que se soldó mal, esta pieza se puede fracturar. Otro caso en donde pueden encontrarse defectos de soldadura es en la unión de materiales, o cuando se quiere recuperar alguna pieza, el procedimiento debe de ser el adecuado ya que de lo contrario la pieza sufrirá grandes consecuencias.
8. Errores de Fabricación El conocimiento de los materiales y sus propiedades es muy importante para cualquier persona involucrada en la industria. El propósito del diseño y aplicación de las pruebas debe ser el control efectivo de los materiales y productos, con el fin de satisfacer un servicio sin que se presente la falla prematura o un daño. La fuente de la falla puede ser:
Discontinuidad Material químicamente incorrecto Material tratado de tal forma que sus propiedades no son adecuadas.
9. Errores de Montaje En general los errores de montaje se pueden agrupar en 5 clases, la cuales son:
Erroes de Montaje
Errores no detectados en procesos de inspección
Uniones defectuosas de componentes estructurales
Especificaciones de montaje imcompletas o ambiguas
Negligencias operacionales
Problema de alineamiento y balanceo
10. Mal Uso o Abuso En general las fallas pueden ocurrir por:
Oxidación: acción combinada del oxígeno del aire y e l calor para formar óxidos del metal.
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Corrosión: destrucción lenta y progresiva por la acción de la humedad y agentes agresivos. Termofluencia: deformación plástica cuando está sometido el material a alta temperatura y a cargas permanentes de magnitud menor al esfuerzo de fluencia. Fatiga: esfuerzos cíclicos y de intensidad menor al esfuerzo de fluencia. Flexión: deformación que presenta un elemento estructural alargado en una dirección perpendicular a su eje longitudinal. Torsión: momento sobre el eje longitudinal de un elemento constructivo o prisma mecánico, como pueden ser ejes. Impacto: choque o golpe intenso y repentino.
Instrumentos de diagnóstico de fallas
Radiografía de metales La radiografía de metal consiste en que aplicar rayos X a la pieza que se quiere analizar para
poder determinar si tiene algún tipo de falla, este método se utiliza en su mayoría para detector fallas de tipo de fractura.
Inspección de partículas magnéticas La inspección por partículas magnéticas consiste en aplicarle al
material o a la pieza esta capa de partículas magnéticas, en donde las partículas se concentran en donde existe la mayor cantidad de grietas o de agujeros. Luego por medio de un dispositivo que ayuda a determinar la localización de las partículas magnéticas se que se determina en donde se encuentran las fallas de las piezas.
Inspección de penetración fluorescente La penetración fluorescente se puede aplicar en cualquier tipo de pieza, ya sea cualquier
material o cualquier tamaño, pero se debe de tomar en consideración que cuando se quiera determinar el lugar de las fallas se debe de tener la capacidad de poder poner la pieza en un lugar totalmente oscuro para poder relevar en donde se encuentran localizadas las fallas.
Inspección ultrasónica El método de ultrasonido se basa en la ge neración o propagación de ondas sonoras a través del
material. Un sensor, que contiene un elemento piezo -eléctrico, convierte los pulsos eléctricos en pequeños movimientos o vibraciones, con una fre cuencia imperceptible al oído humano. Estas vibraciones se propagan a través del material, y cuando su camino es inter rumpido por una interfase, sufren reflexión, refracción ó distorsión. Dicha interrupción se traduce en un cambio de intensidad, dirección y ángulo
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Conclusiones
Es importante conocer sobre las fallas que afectan a los materiales y hacer un trabajo preventivo para evitar futuros daños.
Una falla metálica es una condición no deseada que hace que el elemento estructural del metal no desempeñe una función para la cual existe.
Se conocieron los diferentes modos en que falla un material y cómo prevenir e l mismo fallo.
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Recomendaciones.
Para poder conocer más sobre el tema se puede facilitar viendo videos en internet sobre los fallos mecánicos ya que allí se puede apreciar mejor ya que estos mismos cuentan con animaciones.
Se debería de hacer una presentación en clase sobre este tema para poder entender mejor y las maneras que utilizan grandes industrias para prevenir los mismos fallos y economizar.
Sería interesante que se pudiera realizar un laboratorio donde se pueda utilizar alguna maquina que haga esfuerzos a ciertos materiales para ver como estas se fracturan y que tanta presión aguantan.
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Comentario.
Como grupo nos pareció muy interesante este tema ya que se logró conocer sobre cómo ciertas características como la temperatura afectan la estabilidad de los materiales.
Creemos que con el paso del tiempo los mater iales han evolucionado grandemente ya que se pueden alear unos materiales con otros con lo que se pueden crear materiales más adecuados a los que el trabajo exige.
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Bibliografía. (2008). NTD. Revisado el 03 de octubre del 2011. “¿Qué es la Falla de Materiales?”. En el Sitio Web:
http://www.ndtenespanol.org/aprenda_3.html (2010). N, Romero. Revisado el 03 de octubre del 2011. “Metodología de análisis de fallas de materiales”. En el Sitio Web: http://es.scribd.com/doc/39636732/Analisis-de-Fallas-en-Materiales-II-7-
Mayo-2010
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