Análisis y Prevención de Fallas en Equipos Industriales

541421: ANALISIS DE FALLAS EN

EQUIPOS INDUSTRIALES

GABRIEL BARRIENTOS RIOS

MARIO RAZETO MIGLIARO

DEPARTAMENTO INGENIERIA MECANICA

Marzo 2014

Indice general

1. Introduccion 91.1. Objetivos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2. Algunos casos destacados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.1. Con participacion de los autores . . . . . . . . . . . . . . 91.2.2. Casos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2. Mecanica de Solidos 172.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2. Concepto de esfuerzo en un punto . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3. Comportamiento de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3.1. Ensayo de traccion uniaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3. Modos de Fractura 273.1. Aspectos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1.1. Mecanismos basicos de fractura . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.2. Influencia del estado de tensiones en el tipo de fractura . 283.1.3. Fractura en barras cilındricas sometidas a traccion . . . . 30

3.2. Fractura de barras cilındricas sometidas a Torsion . . . . . . . . 303.3. Teorıas de falla a la fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4. Teorıa del Esfuerzo de Corte Maximo . . . . . . . . . . . . . . . . 313.5. Teorıa de Energıa de Distorsion Maxima . . . . . . . . . . . . . . 33

3.5.1. Teorıa del Esfuerzo Normal Maximo . . . . . . . . . . . . 333.6. Teorıas de falla a la fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.6.1. Formacion y propagacion de grietas por fatiga . . . . . . 343.6.2. Ciclos de esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.6.3. Formacion y propagacion de las grietas por fatiga . . . . . 353.6.4. Parametros que influyen en la ruptura a la fatiga . . . . . 383.6.5. Dimensiones y estado superficial de las piezas . . . . . . . 383.6.6. Resistencia a la fatiga y curva S-N . . . . . . . . . . . . . 413.6.7. Factor de superficie Cs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6.8. Factor de Carga Cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6.9. Factor de Tamano Ct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6.10. Efectos de la Concentracion de Esfuerzos en el Lımite de

Fatiga Kf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3

4 INDICE GENERAL

3.7. Factor de Concentracion de Esfuerzos de Fatiga Kf . . . . . . . . 453.8. Diferentes teorıas de la resistencias la fatiga . . . . . . . . . . . . 46

3.8.1. Esfuerzos Fluctuantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4. Metodologıa del Analisis de Falla 554.1. Procedimiento General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.2. Objetivo de la investigacion de la falla . . . . . . . . . . . . . . . 564.3. Etapas de un Analisis de Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.3.1. Recoleccion de antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.3.2. Seleccion de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.3.3. Preparacion de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.3.4. Analisis Metalografico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.3.5. Analisis quımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.3.6. Ensayos mecanicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.3.7. Modelacion numerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.3.8. Planteamiento de hipotesis . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.4. Ejemplo de pauta de investigacion . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.5. Ejemplo de cuestionario de investigacion . . . . . . . . . . . . . . 65

5. Analisis, ensayos y estudios a realizar 735.1. Ensayos Destructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.1.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.1.2. Ensayos mecanicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2. Ensayos no destructivos END . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.2.1. Inspeccion con lıquidos penetrantes . . . . . . . . . . . . . 775.2.2. Inspeccion con partıculas magneticas. . . . . . . . . . . . 795.2.3. Inspeccion por ultrasonido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.2.4. Ventajas del Ultrasonido Industrial . . . . . . . . . . . . . 825.2.5. Inspeccion por radiografıas . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.2.6. Analisis de vibraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.2.7. Termografıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.2.8. Inspeccion por Emision Acustica . . . . . . . . . . . . . . 855.2.9. Ferrografıa directa (conteo de partıculas) . . . . . . . . . 865.2.10. Espectrofotometrıa de absorcion atomica (deteccion de el-

ementos presentes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.11. Ferrografıa analıtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.12. Composicion de partıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6. Identificacion de Tipos de Fallas 916.1. Definicion de modos de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.1.1. Modos de falla presentados en la practica . . . . . . . . . 936.2. Fracturas ductiles y fragiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 956.3. Fallas por fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6.3.1. Caracterısticas de las fracturas por fatiga . . . . . . . . . 966.4. Fallas en ejes sometidos a torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006.5. Picado (Pitting) y descascarado (spalling) . . . . . . . . . . . . . 102

INDICE GENERAL 5

6.5.1. Picado Superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.5.2. Picado Sub-superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.6. Fallas por Desgaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066.6.1. Desgaste adhesivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.6.2. Desgaste Abrasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.7. Fallas por erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.7.1. Erosion / Erosion-Corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.7.2. Erosion de un codo de tuberıa . . . . . . . . . . . . . . . 1086.7.3. Erosion por Cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

6.8. Fallas por corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.8.1. Corrosion Galvanica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.8.2. Corrosion atmosferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.8.3. Corrosion bajo aislamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.8.4. Corrosion caustica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.9. Fragilidad de metales solidos por condiciones ambientales . . . . 1136.10. Fallas por dano con hidrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.11. Fallas por corro fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.12. Fallas por altas temperaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.12.1. Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.12.2. Fatiga termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.12.3. Sobrecalentamiento rapido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

I Aplicaciones industriales 119

7. Uniones Apernadas 1237.1. Calculo de uniones apernadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

7.1.1. Consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1237.2. Pernos en traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1247.3. Coeficiente de dilatacion lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257.4. Junta con empaquetadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1277.5. Pernos sometidos a cargas transversales . . . . . . . . . . . . . . 1297.6. Resistencia de los pernos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.7. Fuentes de peligro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.8. Apriete de pernos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1327.9. Secuencia de apriete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8. Rodamientos 1378.1. Definiciones basicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1378.2. Vida util de un rodamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1398.3. Formula de vida nominal ajustada . . . . . . . . . . . . . . . . . 1398.4. Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

8.4.1. Causas mas comunes de falla . . . . . . . . . . . . . . . . 1428.4.2. Ejemplos graficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8.5. Guıas de investigacion en una falla de un Rodamiento . . . . . . 1538.6. Resumen fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6 INDICE GENERAL

9. Engranajes 159

9.1. Fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

9.1.1. Engranajes rectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

9.1.2. Engranajes helicoidales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

9.1.3. Engranajes conicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.2. Esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

9.2.1. Flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

9.2.2. Picadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

9.3. Tipos de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

9.4. Clasificacion segun causa - mecanismo . . . . . . . . . . . . . . . 165

9.5. Ejemplos de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

9.6. Metodos de prevencion de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

9.7. Materiales para engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

9.8. Analisis de fallas existentes en engranajes . . . . . . . . . . . . . 167

9.9. Clasificacion de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

9.10. Estadısticas de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

9.10.1. Tipos de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

9.11. Clasificacion de fallas en engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . 175

9.11.1. Procedimiento del analisis de falla . . . . . . . . . . . . . 175

9.11.2. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

9.11.3. Relacion entre la causa de la falla y el modo de falla . . . 176

9.12. Factores que influyen en las fallas en los engranajes . . . . . . . . 180

9.12.1. Lubricacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

9.12.2. Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

9.12.3. Tensiones en el flanco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

9.12.4. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

9.12.5. Juego normal entre dientes o backlash . . . . . . . . . . . 182

9.13. Ejemplos de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

10.Cables de acero 189

10.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

10.2. Clasificacion de los modos de falla en cables de transmision depotencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

10.2.1. Formas de fractura de un cable . . . . . . . . . . . . . . . 192

10.2.2. Desgaste del cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

10.2.3. Corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

10.2.4. Descarga electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

10.2.5. Deformacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

10.2.6. Indentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

10.2.7. Doblado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

10.3. Causas comunes de los modos de falla . . . . . . . . . . . . . . . 201

10.4. EJEMPLOS GRAFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

INDICE GENERAL 7

11.SOLDADURA 20711.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20711.2. Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20711.3. Inclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21111.4. Discontinuidades geometricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21311.5. Radiografıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

12.Ejes 22112.1. Ejemplos de fallas en ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

8 INDICE GENERAL

Capıtulo 1

Introduccion

1.1. Objetivos generales

Este texto representa un resumen de la experiencia como analista de fallasde los autores. Muchos de los temas tratados son orientados en funcion de laexperiencia de los autores en temas de relevancia en la industria nacional. Lostemas son tratados principalmente desde el punto de vista de los conceptosmecanicos asociados al analisis de fallas aun cuando en muchos de los ejemplosmostrados se ha trabajado en estrecha colaboracion con profesores de otras areasdel conocimiento.

1.2. Algunos casos destacados

Como una forma de generar conciencia en los ingenieros dedicados a la man-tencion y/o diseno de elementos variados de maquinas y/o equipos, a contin-uacion se muestran algunos casos de fallas que puedan aportar un grano dearena a los cuidados que se debe tener en esta area.

1.2.1. Con participacion de los autores

Incidente en horno de industria quımica

Algunas vistas graficas del incidente se muestran en la figura 1.1. El in-cendio duro varias horas y las consecuencias se resumen en perdidas directas(equipos danados) e indirectas (perdidas por no produccion). Una cifra con-

servadora alcanza los US$ 20,000,000. El resultado del analisis defalla evidencio falla por creep en soportes de tuberıa producido por problemasde operacion.

9

10 CAPITULO 1. INTRODUCCION

Figura 1.1: Incendio en horno de industria Petroquımica

1.2. ALGUNOS CASOS DESTACADOS 11

Desastre ecologico por derrame de Petroleo

Incidentes como el mostrado en la figura 1.2 donde se rompe una tuberıa dedescarga de Petroleo causa un dano ambiental de muchos alcances e involucragrandes costos. El resultado del analisi de falla evidencio problemas de fabri-cacion en soldadura de la tuberıa, asociado a altos esfuerzos debido a desnivelde fondo marino.

Figura 1.2: Derrame de petroleo al mar


Falla en Turbina de Turbogenerador

Una falla como la mostrada en la figura 1.3 implica una serie de gastos direc-

tos e indirectos que sumados llegan facilmente por sobre losUS$10, 000, 000..En este caso se fracturaron durante la puesta en marcha los alabes mostradosen la figura cuya investigacion determino una falla en el material de sujecion delos alabes que produjo la falla catastrofica mostrada en la figura. Dichos alabesse soltaron y danaron la carcaza de la turbina.

Figura 1.3: Turbogenerador de industria celulosa


Falla en Reductor de Turbogenerador

En una de las lıneas de produccion de una celulosa ocurre una fractura deuno de los dientes del pinon del reductor del Turbogenerador. La figura 1.4muestra el reductor antes del desarme y el eje del pinon con el diente quebra-do. La mepresa solicito un estudio para ver laposibilidad de hacer funcionar elequipo a menor carga. Si bien es cierto fue un incidente controlado (no catas-trofico) los gastos asociados a la reparacion del reductor alcanzan facilmente los

US$ 10, 000, 000. ya que involucra efectos tales como:

Valor de reparacion

Perdidas por no produccion de energıa

Lo anterior incluye tambien la compra de energıa asociada a la falla

El tiempo de reparacion. La empresa proveedora no dispone de este tipode reductores en el mercado, por lo que debe construirse en fabrica

HH de personal externo involucrado en acciones de desarme, montaje ypuesta en marchja

.....otros

1.2.2. Casos generales

Incendio en avion tripulado

LA figura 1.5 muestar un accidente ocurrido durante el aterrizaje de unavion Boeing 707 producto de una falla en los pernos de sujercion de uno de losmotores. La investigacion demostro una falla por fatiga. Las perdidas humanasy materiales son incalculables.

Dano en puente carretero

La figura 1.6 muestra la ubicacion de uno de los muchos puentes coonstruidosen la carrera austral de nuestro pais. En este caso se evidencia una grieta degran magnitud que amerita un rapido estudio para reparaciones adecuadas yaque esta en juego vidas humanas.


Figura 1.4: Reductor de industria celulosa


Figura 1.5: Accidente aereo


Figura 1.6: Viga principal de puente con grieta visible

Capıtulo 2

Mecanica de Solidos

2.1. Introduccion

Definicion 1. Digrama de cuerpo libre. Representacion espacial esquematicade todas las reacciones y cargas externas que actuan sobre un cuerpo o de unaparte de este.

Definicion 2. Equilibrio estatico. Para que un cuerpo se encuentre en equilib-rio estatico se debe cumplir que la suma de todas las fuerzas que actuan sobreel sea nula y que los momentos de las fuerzas tambien sean nulos respecto acualquier eje espacial. ∑

Fi = 0∑Mi = 0

Figura 2.1: a) Cuerpo sometido a la accion de dos fuerzas y b) cuerpo sometidoa la accion de tres fuerzas

17

18 CAPITULO 2. MECANICA DE SOLIDOS

Figura 2.2: Ejemplos de maquinas y o elementos sometidos a cargas externas

Las cargas dinamicas se originan debido a los cambios de velocidades delos cuerpos. En estos casos las ecuaciones de equilibrio pasan a denominarseecuaciones del movimiento que para el caso de movimiento plano se puedenescribir de la forma: ∑

Fi = maG∑Mi = Iα

donde m es la masa del cuerpo, aG es la aceleracion del centro de masas, I esel momento de inercia de masa, α es la aceleracion angular del cuerpo.

El concepto de potencia P esta dado por la relacion:

P = Tω

donde T es el torque aplicado y ω es la velocidad angular del cuerpo

2.2. Concepto de esfuerzo en un punto

El esfuerzo es un vector que se mide en unidades de fuerza por unidad dearea. Se acostumbra a estudiar todos los tipos de esfuerzos que ocasionan de-formaciones en los cuerpos:

esfuerzo axial: traccion y compresion

corte transversal o directo

torsion

flexion

De ellos los mas significativos y son la torsion y la flexion.

2.3. COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES 19

Figura 2.3: Representacion del estado de esfuerzos en un punto. a) 3D y b) 2D

2.3. Comportamiento de los materiales

Los esfuerzos que actuan sobre un cuerpo siempre deberan compararse conlos esfuerzos que resiste ese tipo de material. Para ello existen una serie deensayos mecanicos normalizados que se realizan a cada material, entre los quese destacan:

Ensayo de traccion uniaxial

Ensayos de dureza: Rockwell, Vickers, Brinell, Shore entre otros

Ensayos de impacto: Charpy, Izod y traccion al impacto

Ensayo de torsion

2.3.1. Ensayo de traccion uniaxial

La figura 2.4a muestra la forma en que se tracciona una probeta normalizadaen una maquina Universal de Ensayos. Se genera una tabla de valores para lafuerza de traccion F y para el alargamiento L medido con algun instrumentode precision como un micrometro. Esto permite determinar la deformacion ε:

ε =L− L0

L0

y el esfuerzo ingenieril σ:

σ =F

A

donde A es la seccion inicial de la probeta. La figura 2.4b muestra un detalle dela curva tension deformacion obtenida en un ensayo de laboratorio.


Figura 2.4: A la izquierda se muestra una probeta normalizada que se montaen una maquina Universal de Ensayos. Con los datos obtenidos en el ensayo seconstruye la correspondiente curva Esfuerzo - deformacion

Figura 2.5: a) Zonas caracterısticas de una curva esfuerzo deformacion, b) For-ma en que se puede determinar el punto de fluencia cuando no se encuentraclaramente definido


Figura 2.6: Curvas esfuerzo de formacion. a) influencia de los tratamientos termi-cos clasicos, b) comparacion entre material ductil y material fragil


Figura 2.7: 1.Falla por traccion en material ductil, 2a) Falla por compresionductil y 2b) falla por compresion fragil, 3a) falla por flexion en material ductily 3b) falla por flexion fragil


Figura 2.8: Flexion de vigas prismaticas. Distribucion de los esfuerzos en unaseccion transversal


Figura 2.9: Torsion de vigas circulares. a) efecto de la torsion, b) distribucion deesfuerzos de corte por torsion en una seccion circular hueca y c) Concentradorde esfuerzos en zona de chavetero cuando actua torsion


Figura 2.10: Angulo de torsion para vigas con diferentes secciones transversales


Figura 2.11: Deflexion y rigidez en vigas de seccion circular

Capıtulo 3

Modos de Fractura

3.1. Aspectos generales

La fractura puede definirse como la separacion o fragmentacion de un cuerposolido en dos o mas partes bajo el efecto de tensiones. Desde el punto de vistamecanico, se han clasificado a las fracturas en ductiles y fragiles de acuerdo ala deformacion permanente producida en el material. El comportamiento de unmaterial determinado en cuanto al grado de ductilidad o fragilidad presentado,depende fundamentalmente de los siguientes factores:

i) Tamano y forma de la pieza

ii) Temperatura de operacion

iii) Estado de esfuerzos

iv) Velocidad de deformacion.

Existen algunos metales que presentan un comportamiento ductil a altastemperaturas y fragil a bajas temperaturas pudiendose producir falla inesperadaen servicio cuando la temperatura es menor que una de transicion.

En forma simple, se puede atribuir como causa principal de fragilidad de unmaterial, a la poca habilidad que presenta para resistir la propagacion de unagrieta relajando los esfuerzos con deformacion plastica local. Si el tiempo no essuficiente para permitir esta relajacion, la grieta se propaga rapidamente cau-sando fractura fragil (carga de impacto). La capacidad de relajacion de esfuerzosdisminuye, en general, al disminuir la temperatura.

Por otro lado, la presencia de esfuerzos triaxiales favorece el comportamientofragil, ya que se puede llegar primero al valor crıtico de la fuerza cohesiva queal esfuerzo de corte crıtico que produce el deslizamiento.

3.1.1. Mecanismos basicos de fractura

Los metales se pueden fracturar debido a:

i) Fuerzas de corte que producen deslizamiento en ciertos planos cristalo-graficos (mecanismo ductil)

27

28 CAPITULO 3. MODOS DE FRACTURA

ii) Fuerzas de traccion que producen clivaje o separacion de planos cristali-nos. (fragil)

En una fractura determinada, se pueden encontrar uno o una combinacionde estos mecanismos.

3.1.2. Influencia del estado de tensiones en el tipo de frac-tura

Figura 3.1: Influencia del estado de tensiones en el tipo de fractura

En general el estado de esfuerzos en un punto, esta definido por tres compo-nentes de esfuerzo normal y seis componentes de corte. Existe una orientaciono direcciones principales, para las cuales solo estan las componentes de compre-sion o traccion. De estas componentes o esfuerzos principales una corresponde almayor esfuerzo normal que hay en el punto y otro al menor, tomando la terceraun valor comprendido entre los dos anteriores. A 45o de los planos principales,estan los planos de esfuerzo de corte maximo. Estas ideas se muestran grafica-mente en la figura 3.1. Cuando bajo la accion de una carga, se llega a un puntode fractura, los materiales muestran tres tipos de resistencia:

i) Resistencia a la deformacion plastica por corte (flujo plastico)ii) Resistencia ultima o de ruptura al corte (fractura ductil)iii) Resistencia cohesiva (esfuerzo normal para el cual se produce fractura

fragil).

3.1. ASPECTOS GENERALES 29

Figura 3.2: Esquema de falla para estado de esfuerzo plano y deformacion plana


Dependiendo del tipo de esfuerzos y de las resistencias propias de cada ma-terial, se produciran fracturas fragiles o ductiles. La figura 3.1 muestra como eltipo de falla depende en gran medida del estado de esfuerzos involucrado. Sepuede apreciar que un sistema de carga torsional, favorece la ocurrencia de unafalla ductil, mientras que un estado triaxial, como el que presentan las ental-laduras, favorece la ocurrencia de fractura fragil.La figura 3.2 muestra en forma esquematica las tensiones, planos de deslizamien-to y superficies de fractura de un especimen de seccion rectangular, sometido atraccion en condiciones de esfuerzo plano y deformacion plana.El efecto de Entalla. La presencia de discontinuidades en una pieza tiene graninfluencia en la distribucion de esfuerzos provocada por las solicitaciones y porlo tanto en el comportamiento a la fractura. La existencia de una entalla, pro-duce un aumento localizado del esfuerzo (concentrador de esfuerzo), ademas deinducir a un estado triaxial, lo que favorecen la ocurrencia de fracturas fragiles.

3.1.3. Fractura en barras cilındricas sometidas a traccion

En la seccion transversal de la barra actua el esfuerzo normal maximo, mien-tras que en planos a 45o actua el esfuerzo de corte maximo, que es igual a lamitad del esfuerzo normal maximo.

Si el material se comporta en forma fragil, la fractura se producira por elefecto del esfuerzo normal maximo en una superficie transversal a la barra (cli-vaje).

Por otro lado las fracturas ductiles se producen lentamente con una sepa-racion final debido a esfuerzo de corte. En este caso las deformaciones son muyimportantes. En ensayos experimentales se ha observado que la nucleacion de lagrieta esta vinculada a la presencia de mayores o menores inclusiones. El pro-ceso comienza con la formacion de cavidades y las grietas comienzan cuando seproduce una estriccion en el plano de menor resistencia. A medida que aumentala deformacion, las cavidades crecen en el sentido de la deformacion impuesta.Las grietas se propagan a la superficie por los planos de corte maximos queestan a 45o, configurandose una superficie conica caracterıstica llamada copa defractura.

Estos procesos de fractura se muestran en la figura 3.3

3.2. Fractura de barras cilındricas sometidas aTorsion

Cuando una barra de seccion circular se somete a torsion, se producen es-fuerzos de corte en secciones transversales y longitudinales y en planos a 45o

se producen esfuerzos normales de traccion y compresion maximos. Segun lascaracterısticas del material, que se han mencionado anteriormente, la fracturase producira segun alguno de los mecanismos descritos: ductil o fragil. Se ilus-tra (ver figura 3.4) claramente los distintos tipos de fractura (superior: fractura

3.3. TEORIAS DE FALLA A LA FLUENCIA 31

Figura 3.3: Fracturas de barras cilındricas sometidas a traccion

fragil debido a esfuerzos normales, inferior: fractura ductil debido a esfuerzos decorte).

3.3. Teorıas de falla a la fluencia

En numerosos casos de elementos de maquinas, estructuras, tuberıas o es-tanques, el estado de esfuerzo y deformacion en puntos crıticos puede ser muycomplejo. En estos casos se dispone de las formulas para determinar los esfuer-zos principales en los diferentes puntos crıticos, tratando a los problemas comocargas combinadas de traccion, compresion, corte, torsion y flexion. Desde elpunto de vista del material se dispone de ciertos criterios de falla por fluenciao por fractura segun el tipo de material y el problema especıfico a resolver. Enmateriales ductiles se utilizan principalmente los criterios de esfuerzo de cortemaximo y de energıa de distorsion maxima y en materiales fragiles, se utilizaprincipalmente el criterio de esfuerzo normal maximo. Estos criterios correspon-den a las formas de falla de los materiales ductiles y fragiles respectivamente.Estos criterios consideran que un elemento falla cuando se alcanza la fluenciaen algun punto de una pieza.

3.4. Teorıa del Esfuerzo de Corte Maximo

Esta teorıa resulta de la observacion de que en un material ductil aparecenlos deslizamientos durante la fluencia a lo largo de los planos donde ocurrenlos esfuerzos de corte maximos. La teorıa dice que siempre que se alcance uncierto valor crıtico de esfuerzo de corte en un material comienza la fluencia deeste. Este valor es igual al esfuerzo de corte de fluencia en traccion o compresion


Figura 3.4: Fracturas presentadas en torsion de barra cilındrica

3.5. TEORIA DE ENERGIA DE DISTORSION MAXIMA 33

simple del material, por lo tanto se cumple :

τmax =| ±σ12|= σ0

2(3.1)

Al aplicar este criterio a un problema de esfuerzo plano biaxial, surgen dos casosdiferentes. En un caso los signos de los esfuerzos principales son iguales y en elotro caso los esfuerzos principales tienen signo contrario.

Para el primer caso, se debe cumplir | ±σ1 |= σ0 y | ±σ2 |= σ0, ya queσ3 = 0 es el mayor o el menor de los esfuerzos principales.Para el segundo caso se debe cumplir | ±(σ1 − σ2)/2 |= σ0/2, ya que σ3 = σ0no es ni el mayor ni el menor de los esfuerzos principales.Una grafica de estas ecuaciones se muestra en la figura 3.5. Si un punto de lapieza analizada tiene esfuerzos tales de caer fuera del hexagono de la figura, elmaterial esta en fluencia. Si cae dentro del hexagono, el material no fluye en esepunto y se comporta elasticamente.

Este criterio de fluencia se conoce tambien con el nombre de criterio deTresca.

3.5. Teorıa de Energıa de Distorsion Maxima

Este criterio es muy utilizado en materiales isotropos ductiles y se basa enel concepto de energıa. En este enfoque la energıa de deformacion se divide endos partes: una asociada al cambio de volumen y la otra que causa distorsionespor esfuerzo de corte. Igualando la energıa de distorsion en el punto para unelemento en fluencia en traccion simple a la energıa correspondiente a esfuerzocombinado, se establece el criterio de fluencia.Igualando la energıa de distorsion para un punto en un problema de cargascombinadas con la energıa de distorsion elastica maxima en traccion simple seobtiene la ley basica para la fluencia de un material :

(σ1 − σ2)2 + (σ2 − σ3)2 + (σ3 − σ1)2 = 2σ0

Esta es la ecuacion de una elipse cuya grafica se muestra en la figura 3.5b.Cualquier esfuerzo que cae dentro de la elipse indica que el material se comportaelasticamente y si se cae fuera de la elipse, el punto se encuentra en estadoplastico. Este criterio se llama comunmente Criterio de fluencia de Von Mises.La comparacion de las dos teorıa antes vistas se muestran en la figura 3.7. Sepuede observar que el criterio de corte maximo es mas conservativo para elmaterial que el criterio de energıa de distorsion maxima.

3.5.1. Teorıa del Esfuerzo Normal Maximo

Esta teorıa afirma que la falla de un material ocurre cuando el esfuerzonormal maximo en un punto alcanza un valor crıtico. El valor crıtico del esfuerzoes igual al esfuerzo de fluencia obtenido en un ensayo de traccion simple en unaprobeta del mismo material.


Figura 3.5: (a)Criterio de falla basado en el esfuerzo de corte maximo, (b) Cri-terio de von Mises, basado en la energıa de distorsion maxima

Este criterio de falla difiere drasticamente de los dos anteriores en el caso deque los esfuerzos principales (esfuerzo plano) tienen distinto signo como se puedever en la figura 3.7, En esa figura aparecen punteados resultados experimentalespara materiales ductiles.

3.6. Teorıas de falla a la fatiga

Cada vez son mas las partes de piezas que deben ser disenadas usando elcriterio de fatiga. Los esfuerzos variables estan casi siempre presente en lasmaquinas. Ya en el ano 1852 el ingeniero aleman Wholer afirmaba: El hierroy el acero pueden romperse bajo un esfuerzo inferior, no solo al esfuerzo deruptura estatico, sino tambien inferior al lımite elastico, siempre que el esfuerzose repita un numero suficiente de veces. El fenomeno de ruptura bajo cargasvariables se denomina Falla por Fatiga. Se acepta comunmente que la falla porfatiga comienza con la formacion de una pequena grieta o fractura que se iniciaen un punto (foco), donde existe un alto valor del esfuerzo (concentrador deesfuerzos). Una vez iniciada la fractura, esta se propaga hasta que la seccionresistente de la pieza disminuye a tal grado, que acontece la ruptura.

3.6.1. Formacion y propagacion de grietas por fatiga

Un gran porcentaje de las fallas que se producen en la industria se debe alefecto sobre los materiales de la aplicacion de cargas o esfuerzos fluctuantes yrepetidos (figura 3.8). Los materiales pueden fallar a esfuerzos muy inferiores a

3.6. TEORIAS DE FALLA A LA FATIGA 35

Figura 3.6: Comparacion de los criterios de Tresca y von Mises

los esfuerzos que producen una fractura o incluso inferiores al esfuerzo de fluen-cia.El fenomeno de ruptura bajo cargas repetidas de denomina falla por fatiga. Sedistinguen dos tipos de falla por fatiga, una de altos esfuerzos y bajo numerode ciclos (N < 1000), en que se sobrepasa el esfuerzo de fluencia y la fallase produce por incremento de deformacion y otra de menores esfuerzos y grannumero de ciclos (N > 1000), donde la propagacion de las grietas se producena esfuerzos menores al esfuerzo de fluencia.La superficie de la pieza fractura por fatiga de alto numero de ciclos, normal-mente presenta una forma caracterıstica, con dos zonas claramente definidas:una zona lisa y brillante, con lıneas de avance que corresponde a la zona depropagacion de la grieta y una zona granulada que corresponde a la fracturafinal. En la falla con bajo numero de ciclos, la superficie es similar, pero la zonade avance de la grieta no es necesariamente lisa.

3.6.2. Ciclos de esfuerzos

La figura 3.8 muestra distintos modelos tıpicos de esfuerzo variables los quese presentan en maquinas y equipos, donde podemos ver esfuerzos totalmenteinvertidos, esfuerzos fluctuante y esfuerzos irregulares y aleatorios.

3.6.3. Formacion y propagacion de las grietas por fatiga

En general el proceso de fatiga se divide en 3 fases:1. Etapa primaria: de nucleacion e inicio de la grieta.2. Etapa secundaria: propagacion de la grieta.3. Etapa final: falla por ruptura.


Figura 3.7: Comparacion de los criterios de Tresca, von Mises y Esfuerzo normalmaximo

Figura 3.8: Modelos de cargas variables


La apariencia caracterıstica de una superficie danada por fractura se puedevisualiza en la figura 3.9. Los puntos donde se inicia la fractura normalmenteestan ubicados en la superficie, ya que en general es en estos puntos dondenormalmente se producen los mayores esfuerzos.

Los focos potenciales de inicio de una grieta se pueden clasificar en:

Anomalıas metalurgicas, inclusiones, quemaduras y otras.

Anomalıas mecanicas, concentracion de esfuerzos, defectos superficiales,etc.

Anomalıas quımicas, corrosion, oxidacion y otros.

En ausencia de uno de estos focos, tal como serıa el caso de superficies pulidasde metales ductiles, sin defectos metalurgicos superficiales, el inicio de la grietase explica como un dano permanente y acumulativo en la microestructura otopografıa de la superficie de la pieza. La secuencia que se produce generalmenteen estos casos es la siguiente:

Formacion de bandas de deslizamiento

Formacion de extrusiones e intrusiones,

Propagacion de grietas a partir de estos puntos.

La figura 3.9 muestra en forma esquematica el modelo propuesto por Catrelly Hull para la formacion de extrusiones e intrusiones.

Figura 3.9: Propagacion de grietas

En general las grietas por fatiga tienen direccion ortogonal a las lıneas defuerza. Algunos ejemplos clasicos en grietas de chaveteros se muestran en lasfigura 3.10. Variada literatura presenta casos generales como los mostrados enla figura 3.11 que intentan mostrar el aspecto de la superficie de fractura cuandoexiste fatiga bajo diversas condiciones de cargas.


Figura 3.10: Aspectos de grietas por fatiga

3.6.4. Parametros que influyen en la ruptura a la fatiga

Forma en que se aplican los esfuerzos.

Frecuencia

En general se observa poca variacion del lımite de resistencia a la fatiga conla variacion de la frecuencia de la carga.(2 %)

Forma de aplicacion de los esfuerzos

Se ha comprobado que la historia de la carga de la pieza tiene gran impor-tancia en la falla por fatiga.

Tensiones internas o residuales

La distribucion de esfuerzos residuales se suma a la distribucion de esfuerzoscausada por las solicitaciones externas. En general se puede decir que los esfuer-zos residuales de traccion disminuyen la resistencia a la fatiga de un elemento,en cambio los esfuerzos residuales por compresion contribuyen a aumentar laduracion de la pieza. En fatiga los esfuerzos residuales a los debido a las cargascıclicas pudiendo aumentar o disminuir su resistencia. La figura 3.12 muestra lasuma de esfuerzos residuales y esfuerzos de flexion.

3.6.5. Dimensiones y estado superficial de las piezas

Dimensiones: Se ha comprobado que las propiedades de resistencia mecanicade una pieza, disminuyen a medida que aumenta el tamano de la misma.Este mismo fenomeno ocurre con la resistencia a la fatiga


Figura 3.11: Aspectos de grietas por fatiga en funcion de las cargas

Figura 3.12: Esfuerzos en flexion


Entallas y concentradores de esfuerzos: estas singularidades o discontinui-dades producen aumentos localizados de los esfuerzos, lo que es equivalentea una disminucion de las propiedades mecanicas de la pieza en esos puntos

Terminacion superficial: Las irregularidades en la terminacion superficialde una pieza, actuan produciendo el efecto de concentradores de esfuerzo

Temperatura: La temperatura tiene un efecto notable en la resistencia a lafatiga. Piezas sometidas a esfuerzos cıclicos a temperaturas mayores quelas ambientales tienen una menor duracion.

3.6.6. Resistencia a la fatiga y curva S-N

La resistencia a la fatiga intrınseca se obtiene en el laboratorio bajo lassiguientes hipotesis

Ensayo de flexion rotativa

Superficie pulida a espejo

Probeta de seccion circular de 0,3” de diametro

Sin presencia de esfuerzos residuales ni concentradores de esfuerzo

Los niveles de esfuerzos y respectivos ciclos de duracion se grafican en un diagra-ma bilogarıtmico, conocido con el nombre de curva S-N o diagrama de Wholer(ver figura 3.13).Se ha demostrado experimentalmente que los materiales ferrosos pueden resistirun numero infinito de ciclos si los esfuerzos estan bajo un cierto valor lımite.Para un esfuerzo completamente invertido, este valor lımite recibe el nombre delımite de resistencia a la fatiga (lımite de endurancia).

Haciendo ensayos de fatiga a la traccion para diferentes aceros, se obtuvouna relacion empırica entre el valor de la resistencia a la ruptura (Sr) y el valorlımite de resistencia a la fatiga (Sn).

Sn = 0,5Sr

En el caso de metales como el aluminio y otras aleaciones no ferrosas, no existeun lımite de resistencia a la fatiga definido. Por este motivo, este valor se definepara un numero de ciclos determinado. Para el Aluminio se considera paraN = 5 · 108 ciclos. Para el acero este valor se considera para N = 106 ciclos.Dicho valor se modifica en funcion de los efectos de carga, tamano y terminacionsuperficial principalmente. De esta forma, la resistencia a la fatiga de una piezade acero cualquiera, para N = 106 ciclos, esta dada por:

Sf =CcCtCsSn

Kf(3.2)


Figura 3.13: Tıpico grafico de wholer para la resistencia a la fatiga de un acero

Figura 3.14: Factor de terminacion superficial


3.6.7. Factor de superficie Cs

La figura 3.14 muestra valores para el coeficiente de superficie Cs para dis-tintas calidades en funcion de la resistencia a la ruptura del acero.

3.6.8. Factor de Carga Cc

.

Para flexion rotativa o carga de flexion invertida.

La diferencia entre estos dos tipos de carga es que para el caso de flexionrotativa, todos los puntos de la superficie van tomando el maximo valorde esfuerzo, mientras que en el caso de flexion invertida, solo los puntosde la superficie mas alejados de la lınea neutra toman el maximo valor deesfuerzo.

Para un material ideal perfectamente homogeneo, el lımite de fatiga enlos dos casos deberıa ser el mismo, sin embargo, para materiales realessometidos a carga de flexion invertida, se deberıa esperar un pequenoaumento de la resistencia a la fatiga respecto a carga de flexion rotativa.Esta diferencia, en general, es menor a un 5 % por lo que en la practica,para los dos casos:

Cc = 1

Carga Axial.

Todos los puntos tienen σmaxCc = 0,9; sin excentricidad.Cc = 0,6→ 0,85; con excentricidad intermedia.

Cargas de Torsion.

Las cargas torsionales difieren de las cargas de flexion en el estado deesfuerzo producido. Basandose en teorıas de falla se recomiendan factoresde carga en torsion.

Cc = 0,58; Materiales ductiles

Cc = 0,8; Materiales fragiles (se rompen por esfuerzo normal).

3.6.9. Factor de Tamano Ct

Para cargas torsionales y flexionales, el lımite de fatiga disminuye al aumen-tar el tamano. Este factor se calcula para cargas de flexion y torsion en ejes deseccion circular mediante la siguiente expresion:

Ct = (d/7,62)−0,1133 para 2,79 < d < 51mm.


0,6 < Ct < 0,75 si d > 51mm.

Cuando la seccion circular no esta sometida a flexion rotativa o no se utilizauna seccion circular, es posible aplicar la ecuacion anterior considerando unadimension efectiva o diametro equivalente de.

3.6.10. Efectos de la Concentracion de Esfuerzos en elLımite de Fatiga Kf

Las discontinuidades de una pieza, ya sean geometricas o de estructuradel material producen aumentos localizados de esfuerzos. La teorıa de elasti-cidad permite resolver algunos casos sencillos de concentradores de esfuerzos,ademas existen metodos experimentales para evaluar los efectos de estas dis-continuidades. En la mayorıa de los problemas simples, estos factores de con-centradores de esfuerzos estan tabulados en la literatura. En caso de cargasestaticas, la importancia de los concentradores de esfuerzos depende del tipode material: En Materiales Ductiles no tienen gran importancia, ya que puedenproducir fluencia localizada en los puntos de maximo esfuerzo, pero no compro-meten a la pieza completa.En Materiales Fragiles altamente heterogeneos, como el fierro fundido, tampocotienen gran importancia, ya que el material tiene en su estructura concentradoresde esfuerzo y su resistencia practicamente no esta influida por concentradoresde esfuerzos externos.

Figura 3.15: Concentradores de esfuerzo en la composicion interna de un mate-rial

En cambio, en Materiales Fragiles homogeneos, tienen gran importancia, yaque la resistencia es reducida al valor que permite el material como maximovalor de esfuerzo.La figura 3.16 muestra un grafico tıpico de factores de concentracion de esfuerzosteorico para un eje cilındrico con variacion de diametro y distintos diametros defondo.

3.7. FACTOR DE CONCENTRACION DE ESFUERZOS DE FATIGA KF 45

Figura 3.16: Grafico tıpico de factores de concentracion de esfuerzos teorico

3.7. Factor de Concentracion de Esfuerzos deFatiga Kf

Ensayos de laboratorio muestran que en muchos casos la disminucion dela resistencia a la fatiga causada por concentradores de esfuerzo es menor quela predicha teoricamente. La razon por la cual el efecto de concentracion deesfuerzos es menor que el teorico esta asociada al gradiente de esfuerzo y altipo de micro estructura del material, de esta manera Kf tiende a ser iguala Kt cuando el gradiente de esfuerzos no es muy importante como sucede enentallas de gran diametro. Por otro lado, Kf tambien tiende a ser igual a Kt enmateriales de grano fino, relativamente homogeneos.En general el factor de concentracion de esfuerzo a la fatiga se puede obtenera partir del factor de concentracion de esfuerzos teorico mediante la siguienteexpresion:

Kf = 1 + (Kt − 1)q

Donde q es el factor de sensibilidad a la entalla, el cual depende del material yse puede obtener de literatura especializada en calculo de fatiga.

q = 0 Material insensible a la entalla.

q = 1 Material completamente sensible.


(b)

Figura 3.17: Teorıas de falla por fatiga

3.8. Diferentes teorıas de la resistencias la fatiga

Algunas teorıas de falla presentadas en la literatura se muestran en la figura3.18

La figura 3.19 muestra una superficie tıpica de fractura por fatiga. La parte a)muestra las marcas de avance de la grieta (marcas de playa). Las flechas indicanla direccion del crecimiento del frente de grieta, cuyo origen se encuentra en laparte inferior de la fotografıa. La parte b) muestra las marcas de playa con muyalta ampliacion (x 1000), estrıas poco espaciadas formadas durante el avance dela grieta por fatiga.

La grieta comienza con la formacion de bandas de deslizamiento en el interiordel grano, la que fractura el grano y que es frenada en los lımites de gramo, luegoesta traspasa los lımites de gramo y continua creciendo. Los granos fracturadosse asocian entre si en un proceso de nucleasion llegando a formar micro-grietas(ver figura 3.20).

La figura 3.21 muestra un ejemplo del porcentaje de vida de una piezasometida a fatiga en funcion del tamano del defecto inicial. Para una superficietotalmente pulida y material sin defectos, mas del 95 % del numero de ciclosque producen una fractura se utiliza para hacer crecer una grieta hasta unamagnitud de algunos milımetros, en caso de que el material contenga pequenasinclusiones este valor se reduce al 85 % y si la pieza comienza con grietas estase propaga rapidamente.

La relacion entre el tamano de la grieta y el numero de ciclos para un materialpulido sin inclusiones, permite que una gran parte de los ciclos se consumen enla nucleacion de la grieta y solo un pequeno porcentaje en el crecimiento de esta

3.8. DIFERENTES TEORIAS DE LA RESISTENCIAS LA FATIGA 47

Figura 3.18: Formulas basicas usadas en teorıa de fatiga

Figura 3.19: Macrografıa y micrografıa de una falla por fatiga


Figura 3.20: Formacion de una grieta


Figura 3.21: Porcentaje de vida a la fatiga


una vez que alcanza dimensiones visibles. La figura 3.23 permite esquematizar

Figura 3.22: Longitud de grieta en funcion del numero de ciclos

el porcentaje de vida de una pieza con diferentes defectos en funcion de unasin defectos en . Se puede observar que una vez que la grieta es visible, se haconsumido una gran parte de la vida de la pieza.

3.8.1. Esfuerzos Fluctuantes

Cualquiera sea el tipo de carga usado en el diseno de algun elemento demaquinas, se pueden definir los siguientes esfuerzos:

σmax = Esfuerzo maximo

σmin = Esfuerzo mınimo

σm = σmax+σmin

2 = Esfuerzo medio

σa = σmax−σmin

2 = Esfuerzo alterno


Figura 3.23: Longitud de grieta en funcion del porcentaje de vida


Esfuerzo Fluctuante = σm + σa

La figura 3.24 representa las definiciones dadas. Cuando se esta en presenciade diferentes tipos de esfuerzos fluctuantes diversas teorıas permiten estudiar elproblema siendo en la actualidad una de las mas utilizadas la teorıa de Gerber[4].

Figura 3.24: Forma en el tiempo de las cargas variables usadas en el diseno porfatiga

La figura 3.25 representa la zona de diseno para cargas axiales de flexion enMateriales Ductiles usando el diagrama σm vs σa. La nube de puntos representaresultados experimentales que se acercan mas a la curva de diseno de Gerber.

Observaciones:

Se puede apreciar que un esfuerzo medio de traccion disminuye la partealterna admisible.

Respecto a la falla por fatiga, la lınea de Soderberg es demasiado conser-vativa. La parabola de Gerber se acerca bastante a los valores experimen-tales.

El Diagrama muestra que un esfuerzo medio en compresion favorece mıni-mamente la resistencia a la fatiga, mientras no se excedan los esfuerzos defluencia o de ruptura.


Figura 3.25: Teorıas de diseno usadas en fatiga

Capıtulo 4

Metodologıa del Analisis deFalla

4.1. Procedimiento General

Un procedimiento de analisis de falla tiene el objetivo de determinar la causaorigen de esta y establecer acciones correctivas para solucionar y prevenir larecurrencia del problema. Un analisis de falla requiere de un claro entendimientode la definicion de falla, asi como de la distincion entre indicadores, causa yconsecuencia de la falla y acciones. Algunas definiciones basicas son:

Indicador: Sıntomas que evidencian la presencia de fallas

Causa: Hecho efectivo que indujo a que la falla se produjera

Mecanismo y consecuencia: Procedimiento de ocurrencia de la falla, aclaran-do origen, desarrollo y consecuancia de la falla

Acciones correctivas: Procedimientos para prevenir la recurrencia de lafalla

El proceso del analisis de fallas es complejo y involucra diferentes disciplinas:Observacion, inspeccion, ensayos de laboratorio y calculos. Muchas veces implicala interaccion de expertos de diferentes areas. Ademas se debe considerar infor-macion de diseno, manufactura, mantenimiento, historial de servicio, historialde fallas.

La figura 4.1 representa un esquema de interaccion del analisis de fallas enel proceso, donde se considera:

1. Identificacion. Describe la situacion, define la deficiencia en terminos de lossıntomas o indicadores. Determina el impacto de la deficiencia en el com-ponente, producto o sistema. Recoge los datos que entregan una medidadel dano o deficiencia.

55

56 CAPITULO 4. METODOLOGIA DEL ANALISIS DE FALLA

Figura 4.1: Resolucion de un problema de fallas

2. Determinacion de la causa Raız. Analisis del problema para identificar lacausa raız y los problemas consecuanciales

3. Desarrollo de acciones correctivas. Planteamiento de acciones para solu-cionar y prevenir la recurrencia del problema. Genera alternativas y de-sarrollo de un plan de implementacion.

4. Validacion y verificacion de acciones correctivas. Ensayos y calculos delas acciones correctivas, eficiencia de los cambios, verifica el efecto de lasacciones correctivas.

5. Estandarizacion. Incorporar las acciones correctivas en la documentacionde la empresa para prevenir recurrencia en productos similares. Monitoreode cambios para asegurar eficiencia.

En general se presenta una curva de fallas en los equipos en funcion del tiempo,la que presenta tres perıodos mas o menos definidos: Fallas iniciales (despues dela instalacion del equipo), fallas intrınsecas al funcionamiento normal y fallasdebido al desgaste. Ver figura 4.2

Muchas veces no existe una causa unica de una falla, si no, que el origen sedebe a una combinacion de ellas.

4.2. Objetivo de la investigacion de la falla

El objetivo principal de un analisis de fallas es la utilizacion de este parala prevencion de la misma u otras fallas que pueden presentarse en el sistemaanalizado.

4.3. ETAPAS DE UN ANALISIS DE FALLAS 57

Figura 4.2: Distribucion tıpica de fallas en el tiempo

En general una falla se define como una condicion o evento no deseado de unaestructura, componente o elemento de maquina. Se considera que un elementoha fallado cuando presenta alguna de las siguientes condiciones:

Sistema o elemento completamente inoperable.

Sistema o elemento puede continuar operando por algun tiempo pero enforma insatisfactoria.

El deterioro o dano producido en el elemento, hace que el sistema no operecon las condiciones mınimas de seguridad.

4.3. Etapas de un Analisis de Fallas

Antes de comenzar un analisis de falla es necesario tener claro el objetivo yalcances de la investigacion de la falla.Las etapas a desarrollar en la investigacion de una falla estan condicionadas altipo y caracterısticas de la falla en cuestion, sin embargo se pueden identificarlas principales etapas que involucran un analisis de fallas.

1. Recopilacion de antecedentes y especificaciones de diseno de elemento fa-llado

2. Recopilacion de historial de servicios, incluyendo modificaciones al disenooriginal

3. Levantamiento fotografico in situ lo antes posible. De modo de no danarevidencias

4. Inspeccion Visual y seleccion de muestras representativas


5. Mediciones e Inspecciones con metodos no destructivos a la parte fallada.Medicion de otros parametros fısicos y quımicos

6. Envıo de muestras a Laboratorios, previa identificacion y acondicionamien-to

7. Inspeccion visual con elementos adecuados, para identificar posibles tiposde fallas

8. Analisis macroscopico, definicion de metodos de fabricacion, modos defalla

9. Ensayos mecanicos. Caracterizacion mecanica del material. Traccion, Charpy,Dureza

10. Analisis metalograficos. Del material en zona de falla y en zonas alejadasde esta

11. Analisis Quımicos, del material y de productos depositados sobre la pieza

12. Microscopıa Electronica de superficies afectadas

13. Calculos de esfuerzos a los que estuvo sometida la pieza en condicionesreales de operacion

14. Interpretacion de resultados. Formulacion y explicacion del mecanismode falla. Relacion de este con las condiciones de servicio y de diseno deelemento fallado

15. Estudio de medidas correctivas

16. Implementacion de medidas correctivas

17. Informe tecnico final

18. Seguimiento a sugerencias y recomendaciones

4.3.1. Recoleccion de antecedentes

Saber preguntar ordenada y criteriosamente es fundamental para obtenerbuenos resultados en la pesquisa de antecedentes. El afectado por el siniestro(dano) en el equipo debe tener siempre claro que la investigacion es para evitarfuturos eventos y no sera usada para sancion. Existen muchas formas de realizarpreguntas al respecto y tambien una serie de ordenadas planillas de recoleccion.A continuacion se muestra algunos ejemplos de los items a considerar:

1. Documentos.

Es ventajoso y aun necesario coleccionar documentos como evidencias,tales como: certificados de vendedores, datos de ensayos mecanicos e in-formes y evaluaciones hechas en casa, especificaciones y garantıas, planos


de diseno con especificaciones de terminaciones superficiales. Tambien esimportante el examen de correspondencia, tales como cartas entre el pro-ductor y el consumidor o el tecnico y el ingeniero. Este tipo de informaciontecnica no se puede subestimar ya que muchas veces el hecho de cenirsea un procedimiento u obedecer una especificacion se puede convertir en elpunto mas importante de una investigacion especialmente desde el puntode vista legal.

2. Condiciones de servicio.

Condiciones de operacion de diseno

Las condiciones de operacion o servicio reales son extremadamenteimportantes: Historial de servicio, condiciones de operacion y man-tenimiento

Datos sobre los niveles y rangos de condiciones de trabajo

Manuales de mantenimiento

Manuales de operacion

Condiciones ambientales (polvo, humedad, altura sobre el nivel mar,caracterısticas de los fluidos utilizados en el proceso, etc.)

Reportes sobre reparaciones realizadas y especificaciones de los ma-teriales que han sido reemplazados.

3. Manejo de materiales

Muchas veces las fallas no ocurren por condiciones de servicio sino que porerrores al manipular, al identificar o en el almacenamiento. Es tıpico quepiezas sufran golpes en su manipulacion, que puede ser el inicio de unafutura grieta. Tambien los problemas de corrosion facilitan la formacionde grietas por fatiga o por corro-fatiga. Un ejemplo lo representa un casodocumentado respecto a una falla originada por una marca superficialrealizada electricamente, la cual localmente transformo la austenita enmartensita que es mucho mas fragil.

Las condiciones de almacenamiento tambien son importantes. Por ejemp-lo, los electrodos para soldar deben guardarse en lugares secos, para evitarproblemas de fragilidad por hidrogeno en la soldadura cuando estos sonusados en materiales sensibles al hidrogeno. Los elementos de maquinascon terminacion superficial del tipo pulida fina, deben limpiarse para elim-inar huellas dactilares. Despues deben engrasarse para ser almacenadas yevitar la corrosion.

4. Entrevistas.

Ninguna investigacion es completa sin los testimonios de las personas quetienen informacion sobre la falla, ya sea como testigos de la falla o per-sonalmente asociados con el proceso. Tal testimonio, por supuesto, puedeser parcial sin intencion o deliberadamente. Ası la falla puede ser guia-da directa o indirectamente al no cumplimiento de algun procedimiento


prescrito. La parcialidad en la informacion puede ser revelada por otrostestimonios o por datos de ensayos. Lo importante es que el investigadordebe usar la entrevista solo como una herramienta, analizandolo juiciosa-mente.

4.3.2. Seleccion de muestras

Es fundamental y quizas de la maxima importancia que la investigacioneste apoyada por diversos tipos de ensayos, ya sea de tipo destructivo o nodestructivos. Por lo que es necesaria la recoleccion de muestras.

Figura 4.3: Diente fracturado de un reductor

Figura 4.4: Seleccion de muestras en el diente fracturado del reductor


Figura 4.5: Montaje de algunas muestras seleccionadas para ser miradas al mi-crocopio

4.3.3. Preparacion de muestras

Las muestras deben ser seleccionadas de modo de no danar las evidencias, nicambiar las condiciones de estas. Se debe tener especial cuidado en los cortes, yaque pueden hacer variar las propiedades mecanicas y metalurgicas del material.

Figura 4.6: Diente fracturado

4.3.4. Analisis Metalografico

Es una de las principales herramientas del analisis de fallas ya que, poruna parte permite conocer la microestructura del material y por otra, visualizargrietas y/o discontinuidades pequenas. Cada tipo de falla tiene una alteracion delas caracterısticas metalograficas del material, por consiguiente una evaluacionmetalografica permitira en muchos casos determinar la causa exacta de la falla.


Figura 4.7: superficie de analisis sin ataque quımico

Figura 4.8: Diente fracturado. Fotografıa superficie con microcopio con aumentox200

4.4. EJEMPLO DE PAUTA DE INVESTIGACION 63

4.3.5. Analisis quımico

El analisis quımico es utilizado para determinar la composicion quımica delos materiales, permitiendo determinar si se ha producido algun cambio en lacomposicion quımica en operacion. Varias empresas realizan este analisis. Lafigura 4.10 representa un ejemplo obtenido en la Fundacion Imperial de la ciudadde Concepcion.

4.3.6. Ensayos mecanicos

Los ensayos mecanicos como ya hemos visto permite determinar sus propie-dades mecanicas, estas varıan en algunas condiciones de operacion y se utilizanpara determinar si las condiciones mecanicas de los materiales despues de op-eracion se mantienen. Son especialmente utilizados para comparar materiales yen caso de operacion a altas temperaturas permiten determinar si existe danoen el material.

4.3.7. Modelacion numerica

Los calculo y modelaciones numericas permiten conocer las solicitaciones enmaquinas y estructuras, por lo que pueden ser utilizadas en determinar fallasde diseno y/u operacion. Los autores del presente texto han modelado un sinnumero de modelos de equipos reales de los mas diversos tipos y es presentadaen una seccion aparte.

4.3.8. Planteamiento de hipotesis

Finalmente una vez recopilada toda la informacion se debe generar unahipotesis de falla, determinando la causa raız y los efectos consecuenciales.

4.4. Ejemplo de pauta de investigacion

1. Determinar la historia previa a la falla.

a) Evidencia a traves de documentos.

Certificados de ensayos

Datos de ensayos mecanicos

Especificaciones pertinentes

Correspondencia

b) Parametros de servicio:

Parametros de diseno o de operacion esperados

Condiciones de servicio reales

• Datos sobre temperatura

• Presiones, velocidades.


• Condiciones del medio

• Tensiones de servicio

c) Detalles referentes a la falla reportados por el personal de operaciony mantenimiento.

2. Ensayos no destructivos.

a) Examen macroscopico de la superficie de fractura:

1) Presencia de color o cambios de textura

Colores de revenido

Oxidacion

Productos de corrosion

2) Presencia de aspectos notables

Zonas de cizalle

Marcas de playa

Marcas chevron

Senas de alta plasticidad

Huecos o inclusiones grandes

Grietas secundarias

3) Deteccion de propagacion

4) Origen de la fractura

b) Deteccion de defectos en la superficie y bajo la superficie.

1) Magnaflux

2) Lıquidos penetrantes

3) Ultrasonido

c) Medidas de dureza

1) Macroscopica

2) Microscopica.

d) Analisis quımico

1) Espectrografico.

2) Ensayos puntuales.

3. Ensayos destructivos.

a) Metalograficos.

1) Macroscopico

2) Microscopico

Estructura

Tamano de grano

Microdureza

b) Ensayos mecanicos

4.5. EJEMPLO DE CUESTIONARIO DE INVESTIGACION 65

Traccion

Impacto

Tenacidad a la fractura

Especiales.

c) Ensayos de corrosion.

d) Analisis quımicos humedos.

La figura 4.11 muestra un esquema presentado por la litertura especializada quepermite estratificar los tipos y causas de fallas

4.5. Ejemplo de cuestionario de investigacion

Datos de la empresa1. Nombre de la planta.2. Ubicacion.3. Que procesa y que produce.4. Departamento interesado en el estudio.5. Departamento responsable del sistema o equipo averiado.6. Nombre de la persona responsable de la operacion del equipo (su numero

telefonico y horario de trabajo).7. Nombre de la persona responsable del area donde funciona el sistema o

equipo (su numero telefonico y horario de trabajo).8. Nombre de la persona que solicita el estudio (su numero telefonico y

horario de trabajo).9. Proposito del estudio.Datos sobre la averıa10. Nombre del equipo o sistema averiado.11. Descripcion de las funciones que cumple en el proceso.12. En que parte del mismo ocurrio la averıa.13. Relate como ocurrio la averıa.14. Es la primera vez en la historia del equipo o sistema que falla ası.15. Si hubo otras veces, indique cuantas.16. Aporte todos los datos de las averıas anteriores (Estudios, ensayos, doc-

umentacion fotografica, etc.).17. Cuando ocurrio la averıa?. (durante el funcionamiento, puesta en marcha,

parada, cambio de condiciones de servicio, etc.)18. Aporte antecedentes si los posee, de averıas similares en instalaciones

semejantes.19. Fecha de la averıa mas reciente.20. Fecha de la primera averıa.21. Ubique la(s) posicion(es) de la averıa en un plano actualizado del sistema

o equipo.22. Cronologıa de la puesta en marcha y paradas.


23. Tipo y caracterısticas de las medidas adoptadas para condicionar el sis-tema durante su parada.

24. Horas de servicio prestado hasta la ruptura mas reciente.25. Horas de servicio hasta la primera rotura.Datos sobre el servicio26. Tipo de servicio: continuo, intermitente.27. Clase de servicio: provision de vapor, refrigeracion, bombeo de acidos, al-

imentacion a caldera, lodos quımicos, agua de proceso, transmision de potencia,etc.

28. Controles sobre parametros del proceso.29. Temperatura de servicio / valores picos registrados.30. Presion nominal de servicio.31. Presion promedio / valores picos registrados.32. Las variaciones de temperatura y presion son cıclicos.33. Frecuencia de las mismas.34. Ciclos de calentamiento y enfriamiento por dıa (mes o ano).35. Numero de paradas anuales.36. Duracion de las paradas.37. Que variaciones se han introducido en las condiciones operativas del

sistema con respecto a las de diseno, desde su puesta en marcha.38. Fecha de la ejecucion de dichas modificaciones.39. ¿Hubo sobrecargas accidentales en el sistema?. Cuantas y cuando.40. Errores operativos consignados (cuantos y cuando).41. Durante el proceso, el equipo o sistema es limpiado siguiendo algun

procedimiento especial.42. ¿Con que frecuencia?43. Descripcion del gas, lıquido contenido o transportado. Composicion quımi-

ca o pureza.44. ¿Existen las fases lıquidas o gaseosas?45. ¿Existen solidos sin disolver? (cantidad)46. Elementos contaminantes. Hay controles sistematicos?47. ¿Existen elementos corrosivos? (pH, concentracion, etc.)48. Aireacion, sin aire, moderado, completo.49. Agitacion, velocidad de disolucion.50. Viscosidad, rigidez, etc.51. Abrasivos presentes solidos en estado de suspension (Naturaleza y can-

tidad).


Figura 4.9: Ejemplo de un analisis quımico realizado por la fundicion Naguilande la Octava Region


Figura 4.10: Ejemplo de un analisis quımico realizado por la fundicion Imperialde la Octava Region


Figura 4.11: Distribucion tıpica de fallas en el tiempo


Figura 4.12: Clasificacion de fallas en maquinaria

Figura 4.13: Agentes productores de fallas y su forma de aplicacion

Figura 4.14: Propiedades respecto al diseno asociado a las fallas


Figura 4.15: Causas de fallas ordenadas para realizar quequeo en una investi-gacion


Figura 4.16: Tabla guıa que indica las principales formas de falla presentada enequipos industriales

Capıtulo 5

Analisis, ensayos y estudiosa realizar

5.1. Ensayos Destructivos

5.1.1. Introduccion

El objetivo principal de los Ensayos destructivos es determinar cuantita-tivamente el valor de ciertas propiedades de los materiales, como resistenciamecanica, la tenacidad o la dureza. La ejecucion de las pruebas destructivas in-volucra el dano del material, la destruccion de la probeta o la pieza empleada enla determinacion correspondiente, por lo que podemos concluir que los ensayosdestructivos son la aplicacion de metodos fısicos directos que alteran de formapermanente las propiedades fısicas, quımicas, mecanicas o dimensionales de unmaterial, parte o componente sujeto a inspeccion.

Este tipo de pruebas siempre ha sido necesario para comprobar si las car-acterısticas de un material cumplen con lo especificado durante el diseno. Debeobservarse que estas pruebas no se pueden aplicar a todas las partes o compo-nentes, ya que serıan destruidos y perderıan su utilidad.

5.1.2. Ensayos mecanicos

Ensayo de traccion uniaxial

Se realiza construyendo una probeta estandarizada (dimensiones pre-estable-cidas) la cual se monta en una maquina de traccion denominada Maquina Uni-versal de ensayos. Ası es posible ir midiendo la carga y su correspondiente es-tiramiento, de manera de obtener el grafico esfuerzo-deformacion del materialde la probeta. La condicion de carga en este caso es de traccion pura, tal comose muestra en la figura 5.1. En ella se muestran las dos maquinas universalesde mayor capacidad con que cuenta el Laboratorio de Mecanica de Solidos dela Universidad de Concepcion. Tambien existen maquinas de menor capacidad.

73

74 CAPITULO 5. ANALISIS, ENSAYOS Y ESTUDIOS A REALIZAR

La maquina Instron que aparece en la figura permite realizar ensayos de fatiga(con carga dinamica).

Figura 5.1: a) Maquina Universal de ensayos durante un ensayo de traccionuniaxial, b) maquina Instron que permite realizar ensayos de fatiga

Ensayo de torsion

Este ensayo permite relacionar las deformaciones angulares con los esfuerzosde corte. El llevar a un grafico estos parametros permite determinar el coefi-ciente de corte del material ensayado. Es de limitada aplicacion en elementos decomportamiento elastico lineal ya que para este tipo de materiales existe unarelacion directa entre el modulo de elasticidad E, el modulo de corte G y elmodulo de Poisson ν.

G =2E

1− ν

Ensayo de impacto: Charpy

El objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una maquina o estruc-tura fallara por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muyespecialmente cuando las piezas experimentan concentracion de tensiones, porcambios bruscos de seccion, maquinados incorrectos, fileteados, etcetera, o bienverificar el correcto tratamiento termico del material ensayado.

Con la finalidad de que el material este actuando en las mas severas condi-ciones, el metodo Charpy utiliza probetas ensayadas (estado triaxial de ten-siones) y velocidades de deformacion de 4, 5 a 7 m/s.

Las probetas se colocan, como muestra la figura siguiente, simplemente apoy-adas sobre la mesa de maquina y en forma tal que la entalladura se encuentra

5.1. ENSAYOS DESTRUCTIVOS 75

del lado opuesto al que va a recibir el impacto. Se puede observar la correctaposicion del material como ası tambien la forma y dimensiones de los apoyos yde la pena del martillo pendular.

La resiliencia al choque resulta, segun este metodo, el trabajo gastado porunidad de seccion transversal para romper al material de un solo golpe:

Resistencia =K = Ao/S(Kgf/cm2 o Joule/cm2)

En cada uno de los ensayos se obtendra el valor de energıa directamente dela maquina en Kgm (A), Para el metodo Charpy calcularemos la resilencia (K)que es el trabajo por unidad de seccion transversal.

Figura 5.2: Imagenes asociadas al ensayo Charpy para medir resiliencia en unmaterial


Ensayo de fatiga

Los ensayos de fatiga clasicos a la flexion son realizados en maquinas rota-torias, donde se monta una probeta estandart girando y con carga constante.Lo anterior permite determinar la resistencia a la fatiga S

′

n para un materialdeterminado usado en la teorıa de fatiga aplicada a elementos de maquinas.La maquina mostrada en la figura 5.1.b, permite realizar ensayos de tracciondinamica (fatiga en traccion).

Ensayo de dureza

Existen diversos equipos para medir dureza en los materiales cuya principaldiferencia entre ellas es la punta que se incrusta en el material y la carga usadapara este efecto y que dan origen a las diversas escalas de medicion de durezausada en la literatura. Ası existen los durometros:

Rockwell (60, 100 y 150kgf)

Superficial (15, 30 y 45kgf)

Brinell (3 000kgf)

Vickers (micro y macro)

Knoop (micro y macro)

Universales (Brinell, Rockwell y Vickers)

5.2. Ensayos no destructivos END

Las pruebas no destructivas END son la aplicacion de metodos fısicos indi-rectos, como es la transmision del sonido, la opacidad al paso de la radiacion,etc., y que tienen la finalidad de verificar la sanidad de las piezas examinadas.No obstante, cuando se aplica este tipo de pruebas no se busca determinarlas propiedades fısicas inherentes de las piezas, sino principalmente verificar suhomogeneidad y continuidad. Por lo tanto, estas pruebas no sustituyen a losensayos destructivos, sino que mas bien los complementan.

Las pruebas no destructivas, como su nombre lo indica, no alteran de formapermanente las propiedades fısicas, quımicas, mecanicas o dimensionales de unmaterial. Por ello no inutilizan las piezas que son sometidas a los ensayos ytampoco afectan de forma permanente las propiedades de los materiales que lascomponen. De acuerdo con su aplicacion, los Ensayos no Destructivos (nombremas comunmente usado para las pruebas no destructivas) se dividen en:

1. Tecnicas de Inspeccion Superficial

2. Tecnicas de Inspeccion Volumetrica

3. Tecnicas de Inspeccion de la Integridad o hermeticidad

5.2. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS END 77

5.2.1. Inspeccion con lıquidos penetrantes

La inspeccion por Lıquidos Penetrantes es empleada para detectar e indicardiscontinuidades que afloran a la superficie de los materiales examinados. Estatecnica se utiliza en materiales metalicos magneticos y no magneticos, inclusoen materiales plasticos. Esta tecnica se basa en la accion capilar de los lıquidos.En terminos generales, esta prueba consiste en aplicar un lıquido coloreado ofluorescente a la superficie a examinar, el cual penetra en las discontinuidadesdel material debido al fenomeno de capilaridad. Despues de cierto tiempo, seremueve el exceso de penetrante y se aplica un revelador, el cual generalmente esun polvo blanco, que absorbe el lıquido que ha penetrado en la discontinuidadesy sobre la capa de revelador se delinea el contorno de esta. Actualmente existen18 posibles variantes de inspeccion empleando este metodo; cada una de ellasha sido desarrollada para una aplicacion y sensibilidad especıfica.

Requisitos de la Inspeccion por Lıquidos Penetrantes

Antes de iniciar las pruebas de Lıquidos Penetrantes, es conveniente teneren cuenta la siguiente informacion:

1. Es muy importante definir las caracterısticas de las discontinuidades y elnivel de sensibilidad con que se las quiere detectar, ya que si son rela-tivamente grandes o se quiere una sensibilidad entre baja y normal, serecomienda emplear penetrantes visibles; pero si la discontinuidad es muyfina y delgada o se requiere de una alta o muy alta sensibilidad, es preferi-ble emplear los penetrantes fluorescentes.

2. Otro factor de seleccion es la condicion de la superficie a inspeccionar;ya que si es una superficie rugosa o burda, como serıa el caso de unaunion soldada o una pieza fundida, se debe emplear un penetrante lıquidoremovible con agua. Pero si la superficie es tersa y pulida, es preferibleemplear un penetrante removible con solvente. Finalmente cuando se re-quiere una inspeccion de alta calidad o con problemas de sensibilidad, sepuede emplear un penetrante post-emulsificable.

3. Si el material a examinar es acero inoxidable, titanio o aluminio (paracomponentes aeronauticos, por ejemplo) o aleaciones de nıquel (monel),entonces los penetrantes deberan tener un control muy rıgido de contam-inantes, como son los compuestos halogenados (derivados del fluor, cloro,bromo, iodo) o de azufre (sulfatos o sulfuros), ya que si quedan residuosde ellos, pueden ocasionar fracturas o fragilidad del material. Todos losproveedores de productos de alta calidad proporcionan un certificado depureza de sus productos sin cargo adicional.

4. Si se trabaja bajo normas internacionales (Codigo ASME, API, AWS) ode companıas (Beli, Pran and Whitney o GE), los lıquidos deben ser de


los proveedores de las listas de proveedores aprobados o confiables publi-cados por ellos. En caso necesario, se solicitara al proveedor una lista deque normas, codigos o especificaciones de companıas cubren sus productos.

5. Una vez seleccionado uno o varios proveedores, nunca se deberan mezclarsus productos; como por ejemplo, emplear el revelador del proveedor Acon un penetrante del proveedor B o un penetrante de una sensibilidadcon un revelador de otra sensibilidad, aunque ambos sean fabricados porel mismo proveedor.

Aplicaciones

Las aplicaciones de los Lıquidos Penetrantes son amplias y por su gran ver-satilidad se utilizan desde la inspeccion de piezas crıticas, como son los com-ponentes aeronauticos, hasta los ceramicos como las vajillas de uso domestico.Muchas de las aplicaciones descritas son sobre metales, pero esto no es una lim-itante, ya que se pueden inspeccionar otros materiales, por ejemplo ceramicosvidriados, plasticos, porcelanas, recubrimientos electroquımicos, etc.

Algunos ejemplos:

Grietas debido a fatiga

Porosidad superficial

Grietas debido a tratamiento termico

Orificios de filtracion en estanques

Grietas debido a rectificado

Grietas por corro-fatiga

Poros y grietas de fabricacion

Fallas en proceso de soldaduras.

Ventajas Generales de los Lıquidos Penetrantes

La inspeccion por Lıquidos Penetrantes es extremadamente sensible a lasdiscontinuidades abiertas a la superficie.

La configuracion de las piezas a inspeccionar no representa un problemapara la inspeccion.

Son relativamente faciles de emplear.

Brindan muy buena sensibilidad.

Son economicos.

Son razonablemente rapidos en cuanto a la aplicacion, ademas de que elequipo puede ser portatil.

Se requiere de pocas horas de capacitacion de los Inspectores.


Limitaciones Generales de los Lıquidos Penetrantes

Solo son aplicables a defectos superficiales y a materiales no porosos.

Se requiere de una buena limpieza previa a la inspeccion.

No se proporciona un registro permanente de la prueba no destructiva.

Los Inspectores deben tener amplia experiencia en el trabajo.

Una seleccion incorrecta de la combinacion de revelador y penetrantepuede ocasionar falta de sensibilidad en el metodo.

Es difıcil quitarlo de roscas, ranuras, huecos escondidos y superficies asperas.

Figura 5.3: Aplicacion practica de la tecnica de lıquidos penetrantes

5.2.2. Inspeccion con partıculas magneticas.

La inspeccion por Partıculas Magneticas permite detectar discontinuidadessuperficiales y subsuperficiales en materiales ferromagneticos. Se selecciona usual-mente cuando se requiere una inspeccion mas rapida que con los lıquidos pen-etrantes. El principio del metodo es la formacion de distorsiones del campomagnetico o de polos cuando se genera o se induce un campo magnetico enun material ferromagnetico; es decir, cuando la pieza presenta una zona en la


que existen discontinuidades perpendiculares a las lıneas del campo magnetico,este se deforma o produce polos. Las distorsiones o polos atraen a las partıculasmagneticas, que fueron aplicadas en forma de polvo o suspension en la superfi-cie sujeta a inspeccion y que por acumulacion producen las indicaciones que seobservan visualmente de manera directa o bajo luz ultravioleta.

Actualmente existen 32 variantes del metodo, que al igual que los lıquidospenetrantes sirven para diferentes aplicaciones y niveles de sensibilidad. En estecaso, antes de seleccionar alguna de las variantes, es conveniente estudiar el tipode piezas a inspeccionar, su cantidad, forma y peso, a fin de que el equipo aemplear sea lo mas versatil posible; ya que con una sola maquina es posibleefectuar al menos 16 de las variantes conocidas.

Requisitos de la Inspeccion por Partıculas Magneticas

Antes de iniciar la inspeccion por Partıculas Magneticas, es convenientetomar en cuenta los siguientes datos:

1. La planificacion de este tipo de inspecciones se inicia al conocer cual esla condicion de la superficie del material y el tipo de discontinuidad a detec-tar. Ası mismo deben conocerse las caracterısticas metalurgicas y magneticasdel material a inspeccionar; ya que de esto dependera el tipo de corriente, laspartıculas a emplear y, en caso necesario, el medio de eliminar el magnetismoresidual que quede en la pieza.

2. Si se trabaja bajo normas internacionales (Codigo ASME, API, AWS) o decompanıas (Bell, Pratt and Whitney o GE), las partıculas a emplear deben serde los proveedores de las listas de proveedores aprobados o confiables publicadospor ellas. En caso necesario, se solicita al proveedor una lista de que normas,codigos o especificaciones de companıas satisfacen sus productos.

Al igual que en el caso de los lıquidos penetrantes, una vez seleccionado unoo varios proveedores, nunca se deben mezclar sus productos, como puede ser elcaso de emplear las partıculas del proveedor A con un agente humectante delproveedor B o las partıculas de diferentes colores o granulometrıas fabricadaspor el mismo proveedor.

Ventajas de las Partıculas Magneticas

Con respecto a la inspeccion por lıquidos penetrantes, este metodo tiene lassiguientes ventajas:

Requiere de un menor grado de limpieza.

Generalmente es un metodo mas rapido y economico.

Puede revelar discontinuidades que no afloran a la superficie.

Tiene una mayor cantidad de alternativas.


Limitaciones de las Partıculas Magneticas

Son aplicables solo en materiales ferromagneticos.

No tienen gran capacidad de penetracion.

El manejo del equipo en campo puede ser caro y lento.

Generalmente requieren del empleo de energıa electrica.

Solo detectan discontinuidades perpendiculares al campo.

Figura 5.4: Aplicacion practica de la tecnica de partıculas magneticas

5.2.3. Inspeccion por ultrasonido

La inspeccion por ultrasonido Industrial (UT) se define como un proced-imiento de inspeccion no destructiva de tipo mecanico, que se basa en la impedan-cia acustica, la que se manifiesta como el producto de la velocidad maxima depropagacion del sonido entre la densidad de un material.

Los equipos de ultrasonido que empleamos actualmente permiten detectardiscontinuidades superficiales, sub-superficiales e internas, dependiendo del tipode palpador utilizado y de las frecuencias que se seleccionen dentro de un ambitode 0,25 hasta 25MHz. Las ondas ultrasonicas son generadas por un cristal oun ceramico piezoelectrico dentro del palpador; este elemento, que llamaremostransductor, tiene la propiedad de transformar la energıa electrica en energıamecanica y viceversa.

Al ser excitado electricamente, y por el efecto piezoelectrico, el transductorvibra a altas frecuencias (lo que genera ultrasonido); estas vibraciones son trans-mitidas al material que se desea inspeccionar. Durante el trayecto en el material,la intensidad de la energıa sonica sufre una atenuacion, que es proporcional a ladistancia del recorrido. Cuando el haz sonico alcanza la frontera del material,dicho haz es reflejado. Los ecos o reflexiones del sonido son recibidos por otro(o por el mismo) elemento piezoelectrico y su senal es filtrada e incrementadapara ser enviada a un osciloscopio de rayos catodicos, en donde la trayectoria


del haz es indicada por las senales de la pantalla; tambien puede ser transmitidaa un sistema de graficado, donde se obtiene un perfil acustico de la pieza a unapantalla digital, donde se leera un valor o a una computadora, para el analisismatematico de la informacion lograda.

En muchos aspectos la onda de ultrasonido es similar a las ondas de luz;ambas son ondas y obedecen a una ecuacion general de onda. Metodo de pulsoy eco, o de reflexion, se genera un pulso ultrasonico que es transmitido a travesdel material. Cuando la onda elastica choca con una interfase, parte de la ondase refleja, regresando al transductor. En un osciloscopio es posible desplegartanto el pulso inicial como el reflejado.

Del despliegue, se mide el tiempo requerido para el viaje de ida y vuelta, conlo que se puede calcular la distancia a la que se encuentra la interfase. De noexistir fallas en el material, el haz se reflejara desde su lado opuesto y la distanciasera dos veces el espesor de la pared, mientras que moviendo el transductor sobrela superficie, podemos conocer, tambien la longitud de la discontinuidad.

Metodo de transmision de un pulso a traves del medio, en un transductorse genera un pulso ultrasonico y mediante un segundo transductor se detectaen la superficie opuesta. Los pulsos iniciales y los transmitidos se desplieganen el osciloscopio. La perdida de energıa entre el pulso inicial y el transmitidodepende de si existe o no discontinuidad dentro del material.

Metodo de resonancia se utiliza la naturaleza ondulatoria de la onda ul-trasonica. Se genera una serie de pulsos que viajan como onda elastica a travesdel material. Seleccionando una longitud de onda o frecuencia de manera queel espesor del material sea un multiplo entero de medias longitudes de onda, seproduce una onda elastica estacionaria, y se refuerza en el material. Una dis-continuidad dentro del material evita que la resonancia ocurra. Sin embargo;esta tecnica se utiliza con mayor frecuencia para la determinacion del espesordel material.

Figura 5.5: Medicion de espesores usando la tecnica del ultrasonido

5.2.4. Ventajas del Ultrasonido Industrial

Se detectan discontinuidades superficiales y sub-superficiales.


Puede delinearse claramente el tamano de la discontinuidad, su local-izacion y su orientacion.

Solo se requiere acceso por un lado del material a inspeccionar.

Tiene alta capacidad de penetracion y los resultados de prueba son cono-cidos inmediatamente.

Limitaciones del Ultrasonido Industrial

Esta limitado por la geometrıa, estructura interna, espesor y acabado su-perficial de los materiales sujetos a inspeccion.

Localiza mejor aquellas discontinuidades que son perpendiculares al hazde sonido.

Las partes pequenas o delgadas son difıciles de inspeccionar por este meto-do.

El equipo puede tener un costo elevado, que depende del nivel de sensibil-idad y de sofisticacion requerido.

El personal debe estar calificado y generalmente requiere de mucho mayorentrenamiento y experiencia para este metodo que para cualquier otro delos metodos de inspeccion.

La interpretacion de las indicaciones requiere de mucho entrenamiento yexperiencia de parte del operador.

Requiere de patrones de referencia y generalmente no proporciona un reg-istro permanente.

5.2.5. Inspeccion por radiografıas

El caso de la Radiografıa Industrial, como prueba no destructiva, es muyinteresante; pues permite asegurar la integridad y confiabilidad de un producto;ademas, proporciona informacion para el desarrollo de mejores tecnicas de pro-duccion y para el perfeccionamiento de un producto en particular. La inspeccionpor RI se define como un procedimiento de inspeccion no destructivo de tipofısico, disenado para detectar discontinuidades macroscopicas y variaciones enla estructura interna o configuracion fısica de un material.

Al aplicar RI, normalmente se obtiene una imagen de la estructura internade una pieza o componente, debido a que este metodo emplea radiacion de altaenergıa, que es capaz de penetrar materiales solidos, por lo que el propositoprincipal de este tipo de inspeccion es la obtencion de registros permanentespara el estudio y evaluacion de discontinuidades presentes en dicho material.Por lo anterior, esta prueba es utilizada para detectar discontinuidades internasen una amplia variedad de materiales.


Dentro de los END, la Radiografıa Industrial es uno de los metodos masantiguos y de mayor uso en la industria. Debido a esto, continuamente se realizannuevos desarrollos que modifican las tecnicas radiograficas aplicadas al estudiono solo de materiales, sino tambien de partes y componentes; todo con el finde hacer mas confiables los resultados durante la aplicacion de la tecnica. Elprincipio fısico en el que se basa esta tecnica es la interaccion entre la materia yla radiacion electromagnetica, siendo esta ultima de una longitud de onda muycorta y de alta energıa.

Durante la exposicion radiografica, la energıa de los rayos X o gamma es ab-sorbida o atenuada al atravesar un material. Esta atenuacion es proporcional a ladensidad, espesor y configuracion del material inspeccionado. En la actualidad,dentro del campo de la industria existen dos tecnicas comunmente empleadaspara la inspeccion radiografica:

1. Radiografıa con rayos X

2. Radiografıa con rayos gamma.

La principal diferencia entre estas dos tecnicas es el origen de la radiacionelectromagnetica; ya que, mientras los rayos X son generados por un alto poten-cial electrico, los rayos gamma se producen por desintegracion atomica espontaneade un radioisotopo.

Ventajas de la Radiografıa Industrial

Es un excelente medio de registro de inspeccion.

Su uso se extiende a diversos materiales.

Se obtiene una imagen visual del interior del material.

Se obtiene un registro permanente de la inspeccion.

Descubre los errores de fabricacion y ayuda a establecer las acciones cor-rectivas.

Limitaciones de la Radiografıa Industrial

No es recomendable utilizarla en piezas de geometrıa complicada.

No debe emplearse cuando la orientacion de la radiacion sobre el objetosea inoperante, ya que no es posible obtener una definicion correcta.

La pieza de inspeccion debe tener acceso al menos por dos lados.

Su empleo requiere el cumplimiento de estrictas medidas de seguridad.

Requiere personal altamente capacitado, calificado y con experiencia.

Requiere de instalaciones especiales como son: el area de exposicion, equipode seguridad y un cuarto oscuro para el proceso de revelado.


Las discontinuidades de tipo laminar no pueden ser detectadas por estemetodo.

5.2.6. Analisis de vibraciones

Es la principal tecnica de analisis predictivo. Se presenta un breve analisisen capıtulo aparte de vibraciones asociado a los problemas mas comunes de fallaen maquinas rotatorias

5.2.7. Termografıa

Generalmente las imperfecciones en un material alteran la velocidad de flujotermico a su alrededor, generando gradientes de alta temperatura, es decir pun-tos calientes. En la termografıa, a la superficie de un material se le aplica unrecubrimiento sensible a la temperatura, a continuacion el material es calentadouniformemente y luego enfriado. La temperatura es mas elevada cerca de unaimperfeccion que en otros sitios; por tanto, el color del recubrimiento en estepunto sera distinto y facilmente detectado.

Se puede utilizar una gran diversidad de recubrimientos. Comunmente seusan pinturas y papeles sensibles al calor; compuestos organicos o fosforos queproducen luz visible al ser excitados por radiaciones infrarrojas; y materialesorganicos cristalinos, conocidos como cristales lıquidos. Un uso importante dela termografıa es la deteccion de uniones pobres o delaminacion de monocapaso cintas individuales, que forman muchas estructuras de materiales compuestosreforzados con fibras, particularmente en la industria aerospacial.

5.2.8. Inspeccion por Emision Acustica

Asociada con muchos fenomenos microscopicos, como el crecimiento de unagrieta o transformaciones de fase, aparece una liberacion de energıa de esfuerzoen forma de ondas de esfuerzo elasticas de alta frecuencia, de manera muy similara las producidas durante un terremoto. En la prueba por emision acustica, seaplica un esfuerzo inferior al esfuerzo de cedencia nominal del material.

Debido a concentraciones de esfuerzo en el extremo de alguna grieta yaexistente, esta puede ampliarse, liberando la energıa de esfuerzo que rodea elextremo de la grieta. La onda de esfuerzo elastico asociado con el movimien-to de la grieta puede ser detectada por un sensor piezoelectrico, y posterior-mente amplificada y analizada. Mediante esta tecnica se pueden detectar gri-etas tan pequenas como de 10-6 pulgadas de largo. Utilizando varios sensoressimultaneos, es posible tambien determinar la ubicacion de la grieta.

Es posible utilizar la prueba de emision acustica para todos los materiales.Se utiliza para detectar microgrietas en componentes de aluminio de aeronaves,aun antes que estas sean lo suficientemente grandes para poner en peligro laseguridad de la aeronave. Se pueden detectar grietas en polımeros y ceramicos.La prueba detectara la ruptura de las fibras en materiales compuestos reforzadoscon fibras, ası como la falta de union entre fibras y matriz.


Figura 5.6: Imagen termografica de un reductor, donde se indican los puntosasociados a la temperatura captada

5.2.9. Ferrografıa directa (conteo de partıculas)

La ferrografıa directa consiste en una medicion cuantitativa de la concen-tracion de las partıculas ferrosas en una muestra de fluido a traves de la pre-cipitacion de esas partıculas en un tubo de vidrio sometido a un fuerte campomagnetico. Dos rayos de luz transportados por fibra optica impactan sobre eltubo en dos posiciones correspondientes a la localizacion en la cual las partıcu-las grandes y las pequenas seran depositadas por el campo magnetico. La luzes reducida en relacion a las partıculas depositadas en el tubo de vidrio y estareduccion es monitoreada y medida electronicamente. Dos conjuntos de lecturasson obtenidos de las grandes y pequenas partıculas (partıculas por encima de5 micras y partıculas por debajo de 5 micras). Por lo general mas de 20, 000partıculas mayores de 5 micras indican una alerta de seguimiento y mas de40, 000 son excesivas e indican problemas de desgaste en componentes ferrososde la maquina.


Figura 5.7: Informe de analisis usando tecnica de ferrografıa


Material Posible origenSilicio polvo, aditivos antiespumantesCalcio polvo, aditivos detergentesBario Magnesio: aditivos detergentesHierro engranajes y rodamientosCobre babbitt de cojinetes de friccion o

separadores de rodamientosCromo anillos y camisas de pistonAluminio pistonesEstano, Cobre, Plata cojinetesPlomo contaminacion con gasolinaVanadio, Sodio combustible quemado

5.2.10. Espectrofotometrıa de absorcion atomica (detec-cion de elementos presentes)

Este analisis, en conjunto con el conteo de partıculas, es el mas popular enla implementacion de programas de mantenimiento predictivo, debido a que enlos centros industriales, los proveedores de lubricante ofrecen el servicio comoun valor agregado a la venta. El principio basico consiste en someter la muestrade lubricante a una fuente alto voltaje (15kV ) en la cual se calienta y liberaenergıa. Fenomenos especiales de radiacion se generan, en los cuales se puedendiferenciar y asignar las radiaciones a diferentes frecuencias a elementos especıfi-cos constituyentes del lubricante. La intensidad de radiacion a una frecuenciaespecıfica es proporcional a la concentracion de su respectivo elemento.

Figura 5.8: Espectrometrıa

5.2.11. Ferrografıa analıtica

La ferrografıa analıtica se posiciona como una de las tecnicas mas impor-tantes para el analisis de aceite. Cuando es implementada correctamente proveegran informacion de causa raız. A pesar de sus capacidades es frecuentemente


excluida de los programas de analisis de aceites, debido a que comparativamente,es bastante costosa. Ademas, es una prueba que requiere tiempo, paciencia yalta habilidad (muy buen ojo) por parte del analista. Por lo tanto, este analisisrepresenta costos significativos que no se presentan en otros analisis de aceites.Por otra parte, los beneficios de la ferrografıa analıtica son muy representativosal lograr una clara identificacion de modos de falla que ningun otro analisisprovee.

Definicion

El principio de la ferrografıa analıtica consiste en separar sistematicamente elmaterial particulado suspendido en el lubricante, sobre una plaqueta de vidrio.La plaqueta es examinada bajo el microscopio para distinguir tamano, concen-tracion, composicion, morfologıa y condicion superficial de las partıculas ferrosasy no ferrosas que caracterizan el desgaste. El examen detallado descubre los mis-terios de las condiciones de desgaste anormal apuntandolo hacia el componentefuente, con un excelente acercamiento a la causa raız del problema.

5.2.12. Composicion de partıculas

Se identifican seis categorıas de partıculas:1. Partıculas blancas no ferrosas: frecuentemente son aluminio o cromo.

Aparecen blancas brillantes antes y despues del tratamiento termico. Estan de-positadas aleatoriamente en la plaqueta con grandes partıculas detenidas porlas cadenas de las partıculas ferrosas.

2. Partıculas de cobre: usualmente aparecen como amarillo brillante antesy despues del tratamiento termico, aunque puede cambiar a verde-gris. Estatambien estara depositada aleatoriamente en la plaqueta con partıculas grandesa la entrada y pequenas a la salida.

3. Partıculas del babbitt: consisten en partıculas delgadas de color gris (seven como trozos de lata). Despues del tratamiento siguen grises pero con pun-tos azules y rojos, y mas pequenas con apariencia motosa. Su distribucion esaleatoria.

4. Contaminantes: usualmente son residuos de polvo principalmente silicio.Aparecen como unos cristales que son facilmente identificados con la luz trans-mitida (verde). Su distribucion es aleatoria.

5. Fibras: causadas por desprendimientos de filtros y contaminacion externa.Son largas cadenas en variedad de colores y usualmente no cambian su apari-encia despues del tratamiento termico. Algunas veces esas partıculas actuancomo filtro colectando otras partıculas. Pueden aparecer en cualquier parte delferrograma, aunque tienden a estar en la salida.

6. Partıculas ferrosas: se identifican principalmente usando la luz roja (refle-jada) y la luz blanca del microscopia. La luz transmitida es totalmente bloqueadapor la partıcula. Se dividen en cinco diferentes categorıas:

a. Acero de alta aleacion: las partıculas son encontradas en cadenas de colorgris-blanco antes y despues del tratamiento. La forma de diferenciar entre los


aceros con alta aleacion y las partıculas blancas no ferrosas es la posicion enla plaqueta. Si aparece en cadena es un acero, de otro modo es considerado unblanco no ferroso. Su aparicion en ferrogramas es rara (es lo ultimo que se esperaque se desgaste).

b. Acero de baja aleacion: las partıculas se encuentran en cadenas grisblan-cas, pero despues de tratamiento termico aparecen azules, rosas o rojas.

c. Oxidos metalicos negros: depositados en cadenas de color gris oscuro onegros antes y despues del tratamiento termico. La cantidad de negro determinala severidad de oxidacion.

d. Fundicion de hierro: aparece gris antes del tratamiento y amarillo opacodespues.

e. Oxidos rojos (Herrumbre): la luz polarizada los identifica rapidamente.Pueden ser encontrados en cadenas con otras partıculas ferrosas o depositadasaleatoriamente en la plaqueta. Una gran cantidad de oxidos rojos de pequenotamano en la salida de la plaqueta son consideradas como un signo de desgastecorrosivo. Aparece como una playa de arena roja.

Despues de la clasificacion e identificacion de la composicion el analista pon-dera el tamano de las partıculas usando una escala micrometrica en el oculardel microscopio. Partıculas con un tamano mayor de 30 micras definen condi-ciones severas o anormales. Frecuentemente la forma de la partıcula es una claveimportante sobre el origen del desgaste.

¿La partıcula es laminar o rugosa? Las partıculas laminares indican aplas-tamiento en las areas de rodamientos por alta presion o contacto lateral.

¿La partıcula tiene una forma curva similar a una hoz? Esto caracterizadesgaste cortante producido por contaminantes abrasivos.

¿Tiene la partıcula estrıas en su superficie? Las estrıas son signos de des-gaste por arrastre sin lubricacion. Puede ser generado en un area donde ocurrenarranques de superficies metalicas.

¿La partıcula es esferica oscura con centro blanco? Las esferas son gener-adas en presencia de fatiga en los rodamientos. Un incremento en ellas indicaexfoliacion.

Capıtulo 6

Identificacion de Tipos deFallas

6.1. Definicion de modos de falla

Una de las tantas clasificaciones de modos de falla fue sugerida por el profesorW.L. Starkey basada en el procedimiento por el cual un mecanismo de fallapuede ser definido como cualquier cambio de tamano, forma o propiedad dela materia de una estructura, maquina o parte de una maquina que atentecontra una buena performance del equipo. Ası, un modo de falla se puede definircomo el proceso o procesos fısicos que se conjugan o combinan para producir lafalla. Cualquier clasificacion puede ser definida por alguna de las tres siguientescategorıas:

1. manifestacion de falla

2. agentes que inducen la falla

3. localizacion de la falla

Cada una de los modos de falla especıficos es identificado como una combi-nacion de una o mas manifestaciones de falla junto con uno o mas agentes queinducen la falla y una localizacion de falla. Cientos de combinaciones se puedendar en una falla cualquiera.Para sistematizar estos factores se puede plantear en base a la siguientes cuatromanifestaciones de falla segun:

1. deformacion elastica

2. deformacion plastica

3. ruptura / fractura

4. cambio en el material

91

92 CAPITULO 6. IDENTIFICACION DE TIPOS DE FALLAS

a) Metalurgico

b) Quımico

c) Nuclear

Los cuatro agentes inducivos de la falla pueden sub dividirse segun:

1. Fuerza

a) Estacionaria

b) Transiente

c) cıclica

d) Aleatoria

2. Tiempo

a) muy corto

b) corto

c) largo

3. Temperatura

a) baja

b) room

c) elevada

d) estacionaria

e) Transiente

f ) Cıclica

g) aleatoria

4. Condicion reactiva

a) Quımica

b) Nuclear

Las dos clasificaciones de localizacion de la falla se dividen en:

1. Cuerpo

2. Superficie

6.1. DEFINICION DE MODOS DE FALLA 93

6.1.1. Modos de falla presentados en la practica

El siguiente listado no presenta ningun orden especial pero incluye la mecanicade los modos de falla presentados en la industria en general.

1. Fuerza y/o temperatura induciendo deformaciones elasticas

2. Fluencia

3. Brillantez

4. Ruptura ductil

5. Fractura fragil

6. Fatiga

a) Fatiga de altos ciclos

b) Fatiga de bajos ciclos

c) Fatiga termica

d) Fatiga superficial

e) Fatiga por impacto

f ) Corro fatiga

g) Fretting fatiga

7. Corrosion

a) Ataque quımico directo

b) corrosion galvanica

c) corrosion crevice

d) corrosion por pitting

e) corrosion intergranular

f ) leaching selectivo

g) corrosion erosion

h) corrosion cavitacion

i) dano por hidrogeno

j ) corrosion biologica

k) corrosion por esfuerzos

8. Desgaste

a) desgaste adhesivo

b) desgaste abrasivo

c) desgaste corrosivo


d) desgaste por fatiga superficial

e) desgaste por deformacion

f ) desgaste por impacto

g) desgaste por fretting

9. Impacto

a) fractura por impacto

b) desformacion por impacto

c) desgaste por impacto

d) fretting por impacto

e) fatiga por impacto

10. Fretting

a) fretting por fatiga

b) fretting por desgaste

c) fretting por corrosion

11. Creep

12. Relajacion termica

13. Ruptura por esfuerzos

14. Shock termico

15. Galling y seizure

16. Spalling

17. Dano por radiacion

18. Buckling

19. Buckling por creep

20. Esfuerzos corrosion

21. Desgaste corrosion

22. Corro fatiga

23. Combinacion creep fatiga

6.2. FRACTURAS DUCTILES Y FRAGILES 95

Figura 6.1: Fracturas por carga axial

6.2. Fracturas ductiles y fragiles

La figura 6.1 muestra dos pernos que han sido traccionados, mostrando unoun comportamiento ductil y otro un comportamiento fragil. (durezas de 15 RCy 57 RC respectivamente).

Fracturas por Corte (ductil). Las fracturas por corte, debido a una carga sim-ple, son grises y fibrosas exhibiendo deformacion plastica. Los esfuerzos de corteproducen deslizamientos en ciertos planos preferenciales llegandose a producirsela separacion total de las partes.

Fracturas por Clivaje (fragil). Las fracturas aparecen brillantes y cristalinas,pudiendo presentar diferentes apariencias. Una apariencia caracterıstica es laque muestra la figura 6.2 (patron de Chevron), donde se observa un haz queconverge al origen de la fractura.

Figura 6.2: Fractura fragil. Influencia del estado de tensiones en el tipo de frac-tura


6.3. Fallas por fatiga

6.3.1. Caracterısticas de las fracturas por fatiga

Como se ha mencionado anteriormente, por lo general la grieta se inicia enuno o varios puntos de la superficie (se presentan algunos casos donde la grietase inicia en puntos interiores). A medida que la grieta avanza, dependiendo delas variaciones que se produzcan en los ciclos de carga, se forman pequenosrelieves (marcas de playa) que senalan la posicion del frente de la grieta en undeterminado instante. Figura 6.3. Cuando la fatiga se origina en varios puntos,como por ejemplo en un cambio de seccion de un eje sometido a flexion rotativa,la union de las distintas grietas produce marcas caracterısticas (ratchet marks)de facil identificacion.

Figura 6.3: Inicio de grietas en varios puntos ratchet marks

La figura 6.4 muestra esquemas de superficies tıpicas de fallas por fatigapara valores altos y bajos del esfuerzo en flexion rotativa. Para altos valores deesfuerzos, las fracturas se inician en varios puntos de la superficie, ubicandosela zona de fractura final en forma mas o menos centrada. Para valores modera-dos de esfuerzo, la seccion que corresponde a la fractura final tiene salida a lasuperficie o esta cercana a ella.

Cuando las fracturas comienzan en concentradores de esfuerzos longitudi-nales, como en el caso de chaveteros o ejes ranurados, se originan grietas comolas mostradas en la figura 6.7. (falla debido a carga torsional invertida)

Ocasionalmente, la fractura en la esquina de una ranura para chaveta, pro-gresa en forma paralela a la superficie, como lo muestra la figura 6.8.

En algunos casos, las fracturas se pueden originar en puntos interiores. Estosucede cuando los esfuerzos aplicados y los esfuerzos residuales presentes, exce-den la resistencia a la fatiga en estos puntos. En este caso la fractura presentauna apariencia tıpica de marcas circulares concentricas. Esto ocurre a menudoen ejes con tratamientos termicos superficiales.

La flexion es una de las causas mas comunes de falla en elementos estruc-turales o partes de maquinas. En muchos casos, la apariencia de la fractura

6.3. FALLAS POR FATIGA 97

Figura 6.4: Marcas caracterısticas en fallas por fatiga en flexion rotativa

Figura 6.5: a) Flexion fluctuante sin concentracion de esfuerzo, b) Flexion fluc-tuante con pequena concentracion de esfuerzos, c) Flexion fluctuante con granconcentracion de Esfuerzos


Figura 6.6: a)Flexion invertida sin concentracion de esfuerzo b) Flexion inver-tida con pequena concentracion de esfuerzos c) Flexion invertida con gran con-centracion de Esfuerzos. Marcas caracterısticas en fallas por fatiga en flexionalterna

Figura 6.7: Falla de eje ranurado por torsion invertida

6.3. FALLAS POR FATIGA 99

Figura 6.8: Falla paralela a la superficie iniciada en esquina de chavetero

Figura 6.9: Fallas por fatiga en flexion


puede revelar el tipo y magnitud de las cargas que causaron la falla por fatiga.Las fracturas causadas por fatiga son generalmente son faciles de analizar si setiene presente que:

La grieta es perpendicular al esfuerzo de traccion maximo en el lado cor-respondiente.

Los esfuerzos maximos estan en los puntos de la superficie.

Las figuras 6.10 a 6.13 muestran diferentes fallas por fatiga debidas a solicita-ciones flexionantes. Si la seccion resistente final es muy pequena, es muy probableque los esfuerzos se deban a desalineamientos y no a fuerzas externas aplicadas.

Figura 6.10: Fractura por flexion invertida por desalineamiento

6.4. Fallas en ejes sometidos a torsion

La solicitacion por torsion de cuerpos cilındricos, tiene las siguientes carac-terısticas:

Hay dos planos perpendiculares donde el esfuerzo de corte es maximo, unolongitudinal y otro trasversal

Hay dos direcciones donde actuan los esfuerzos normales maximos y estana 45o de los planos de corte maximo.

6.4. FALLAS EN EJES SOMETIDOS A TORSION 101

Figura 6.11: Fractura de eje en flexion rotativa

Figura 6.12: Falla por fatiga de eje solicitado en tres direcciones


Figura 6.13: Falla de un ciguenal debido a la flexion entre descansos. Las fallasdebido a torsion en los ciguenales no se producen en las almas sino que en laszonas cilındricas

Los esfuerzos maximos se producen en la superficie

La magnitud de los esfuerzos maximos de corte es igual a los esfuerzosmaximos de traccion y compresion.

Debido a estas caracterısticas, las grietas originadas por cargas torsionales seoriginan normalmente en puntos de la superficie y pueden estar orientados endirecciones longitudinales, transversales, en diagonal a 45o o en una combinacionde estas. En fatiga, estas se presentan en la direccion de los esfuerzos normalesmaximos. La generacion de las grietas dependera de cual es la resistencia quese alcanza primero. Las figuras 6.14 a 6.17 muestran distintos casos de falla porfatiga torsional.

6.5. Picado (Pitting) y descascarado (spalling)

Los danos superficiales denominados picado y descascarado, son atribuidos aesfuerzos cıclicos de contacto que se producen en pequenas zonas de superficiescurvas que trasmiten cargas, como sucede en los rodamientos, engranajes, levasy otros elementos mecanicos de contacto.

6.5.1. Picado Superficial

Este fenomeno es un resultado de una falla de fatiga por esfuerzos cıclicos.Esta comienza en la superficie o en puntos interiores cercanos a ella. Puedeser una accion combinada de rodadura y deslizamiento. La rodadura produceesfuerzos de corte maximos en puntos que estan ligeramente por debajo de la

6.5. PICADO (PITTING) Y DESCASCARADO (SPALLING) 103

Figura 6.14: Grietas por fatiga torsional

Figura 6.15: Falla en eje sometido a carga de torsion completamente invertida


Figura 6.16: Fallas por fatiga torsional iniciadas en orificios de eje ranurado

Figura 6.17: Falla longitudinal de eje ranurado con endurecimiento superficial

6.5. PICADO (PITTING) Y DESCASCARADO (SPALLING) 105

superficie de contacto, si ademas se producen fuerzas de friccion por desliza-miento, el esfuerzo de corte maximo se aproxima a puntos de la superficie decontacto disminuyendo la capacidad de carga a trasmitir. En este caso se ini-cian grietas en la superficie con un angulo de inclinacion las que cambian dedireccion y emergen produciendo el desprendimiento de pequenas porciones demetal. Estas dejan una cavidad o picadura.

6.5.2. Picado Sub-superficial

Se produce generalmente en aquellos casos en que predomina la accion derodadura, como es el caso de los rodamientos. Produciendose grietas debido alos esfuerzos de cıclicos. Estos grietas pueden ser intensificadas por efecto deinclusiones en aceros endurecidos o a zonas de transicion de dureza el piezas conendurecimiento superficial. La figura 6.18 muestra ambos tipos de grietas.

a

b c

Figura 6.18: Mecanismos de picado superficial y sub-superficial. a) Mecanis-mos de picado superficial y sub-superficial, b) picado sub-superficial, c) picadosuperficial

Un aumento de la resistencia al picado se puede obtener mejorando la cal-idad de las superficies en contacto, aumentando la dureza de estas o eliminarinclusiones en el material. La formacion y progreso de grietas a partir de pi-caduras, se debe al efecto de concentracion de esfuerzos que estas producen,sin embargo, hay una accion determinante del lubricante, ya que este al quedaratrapado en las cavidades es sometido a enormes presiones que generan esfuer-zos que propagan las grietas. El descascarado, se caracteriza por la formacion degrandes cavidades, producto del desprendimiento de metal debido a grietas par-alelas a la superficie, que generalmente se inician cerca de la interfase de piezascon tratamiento de carburacion o endurecimiento superficial. Este fenomeno se


produce cuando la resistencia al corte en la zona sub-superficial es baja conrespecto al esfuerzo de corte que es producido por la presion de contacto.

Figura 6.19: Falla por descascarado (spalling) de un diente de engranaje

6.6. Fallas por Desgaste

Se entiende por desgaste la remocion no deseada de material en superficiesque interactuan. En muchos casos, la vida util de un elemento queda determina-da por el grado de deterioro superficial que ellas han experimentado. En general,las perdidas de material por desgaste corresponden a un porcentaje pequeno delpeso total del equipo o maquina, motivo por el cual se puede expresar en formafigurada que la principal diferencia entre una maquina nueva y una usada resideen algunos gramos de peso. Experimentalmente se ha demostrado que todoslos tipos de dano superficial estan afectados de alguna forma por las siguientescondiciones:

Dureza del material

Carga aplicada

Temperatura de operacion

Velocidad de deslizamiento

Terminacion superficial

Lubricacion

6.6. FALLAS POR DESGASTE 107

6.6.1. Desgaste adhesivo

Los efectos de altas presiones y altas temperaturas locales producen microsoldaduras en las asperezas de las superficies de contacto, estas se cortan al pro-ducirse deslizamientos lo que redunda en un desgaste adhesivo de las superficies.Durante el proceso puede haber transferencia de partıculas de una superficie aotra, como desprendimiento de estas las que posteriormente produciran des-gaste por abrasion. (ver figura 6.20). Este tipo de desgaste se inicia en formamicroscopica, progresando macroscopicamente. Su ocurrencia se debe al con-tacto metal-metal entre superficies que deslizan y se previene con un adecuadolubricante entre los elementos. Las figuras 6.21 y 6.22 muestran los efectos deeste tipo de desgaste en una superficie de una leva y de un engranaje respecti-vamente.

Figura 6.20: Ilustracion del desgaste por abrasion

Figura 6.21: Desgaste adhesivo en una leva

6.6.2. Desgaste Abrasivo

Este tipo de desgaste se produce cuando hay remocion de material de una su-perficie por accion de partıculas de gran dureza, como es el caso de oxidos, arenasu otros. Para que se produzca abrasion, la dureza de las partıculas debe ser may-or que la dureza superficial del material. Casos de desgaste abrasivo se presentan


Figura 6.22: Desgaste adhesivo en un engranaje

en bombas, sopladores, ciclones, uniones lubricadas con lubricante contaminadocon partıculas duras, entre otros. La figura 6.23 muestra dos mecanismos dedesgaste abrasivo y las figura 6.24 muestra un caso de desgaste abrasivo.

Figura 6.23: Mecanismos de desgaste abrasivo

6.7. Fallas por erosion

6.7.1. Erosion / Erosion-Corrosion

La erosion es un mecanismo de remocion acelerada de material en la super-ficie de una pieza como resultado del movimiento relativo entre, o impacto desolidos, lıquidos, vapor o una combinacion de ellos. Erosion - Corrosion es eldano que ocurre cuando la erosion es acelerada por un proceso de corrosion.La que se puede producir en cualquier tipo de metales. La Erosion o Erosion -Corrosion se caracteriza por perdida localizada de espesores en forma de hoyos,surcos, lıneas, agujeros redondeados y valles, las que pueden en relativamentecorto tiempo.

6.7.2. Erosion de un codo de tuberıa

Erosion de un rotor de bomba de fundicion en agua frıa en cuatro anos deservicio.

6.7. FALLAS POR EROSION 109

Figura 6.24: Munon de ciguenal severamente danado con partıculas en el lubri-cante

Figura 6.25: Fallas por erosion. Codo de una tuberıa


6.7.3. Erosion por Cavitation

La cavitacion es fenomeno que se produce en los fluidos, que consiste en lapor la formacion y copalos instantaneo de innumerables burbujas de vapor. Lasque ejercen fuerzas de impacto localizados con resultado de perdida de metal,lo que produce una forma de erosion.Generalmente se presenta en cajas y rotores de bombas, en valvulas, tubos deintercambiadores de calor, venturis, sellos y descansos. Esta se presenta comopicaduras afiladas, pero tambien puede presentarse como escamas. Este dano seproduce solo en zonas de baja presion.

Figura 6.26: Fallas por erosion. Erosion de un rotor de una bomba

Figura 6.27: Superficie danada por cavitacion

6.8. FALLAS POR CORROSION 111

6.8. Fallas por corrosion

6.8.1. Corrosion Galvanica

Una forma de corrosion que ocurre en uniones de metales de diferente tipo,cuando la union se presenta en un ambiente electrolıtico, tal como ambienteshumedos u acuosos.El dano ocurre en uniones soladas o apernadas. El material mas activo puedesufrir perdidas generalizadas de espesor o puede tener una apariencia de grietaso picado por erosion. La corrosion del anodo puede ser significativamente may-or en la zona adyacente a la union con el catodo, dependiendo de la solucionconductiva.

Figura 6.28: Falla por corrosion galvanica

6.8.2. Corrosion atmosferica

Una forma de corrosion que ocurre de la humedad debido a condiciones at-mosfericas, ambientes marinos y los ambientes industriales contaminados hume-dos con los contaminantes aerotransportados. Los principales materiales afec-tados son: acero de carbono, los aceros poco aleados y aleaciones de cobre yaluminio.

Aspecto:

a) El ataque sera general o localizado, dependiendo de zona humeda.


b) Si no hay capa protectora la corrosion o la perdida en espesor puede sergeneralizada.

c) Las faltas de capas localizadas tienden a promover la corrosion.d) La perdida del metal puede no ser visualmente evidente, aunque una

escala distintiva del oxido del hierro (moho rojo) se forma normalmente.

6.8.3. Corrosion bajo aislamiento

Corrosion de tuberıas, de recipientes de presion y de componentes estruc-turales como resultando de agua atrapada debajo aislamiento. Los materialesprincipalmente afectados son Aceros al carbono, aceros poco aleados, SS serie300.

Aspecto o morfologıa del dano:a) Despues de que el aislamiento se quita en aceros al carbono o aceros poco

aleados, el danos de CUI aparece en forma de escamas que cubre el componentecorroıdo. El dano pueden ser altamente localizado.

b) En algunos casos localizados, la corrosion puede aparecer ser tipo pi-caduras(encontradas generalmente bajo la capa de pintura.

c) Las muestras indicadoras de dano aparecen frecuentemente en el ais-lamiento y la pintura, como lo muestra la figura 6.29.

Figura 6.29: Falla por corrosion bajo aislacion

6.8.4. Corrosion caustica

Corrosion localizada debido a la concentracion de sales causticas o alcalinasque ocurre generalmente en condiciones de alta temperatura. Sin embargo, la

6.9. FRAGILIDAD DE METALES SOLIDOS POR CONDICIONES AMBIENTALES113

corrosion general puede tambien ocurrir dependiendo de lo alcalino o causticode la solucion. Son afectados principalmente los acero al carbono, aceros pocoaleados y SS serie300.Los factores que contribuyen principalmente son la presencia de medios caustico(NaOH o KOH). Caracterizado tipicamente por la perdida localizada del metalque puede aparecer como surcos en un tubo de la caldera. Los depositos puedenllenar depresiones y el dano no ser aparente.

Figura 6.30: Dano por corrosion caustica

6.9. Fragilidad de metales solidos por condicionesambientales

Es la reduccion de la tenacidad debido a un cambio metalurgico que puedeocurrir en algunas bajas aleaciones de acero como resultado de exposicion porlargo tiempo a temperaturas entre 343o y 593oC. Este cambio causa un aumentode la temperatura de transicion. Aunque la perdida de dureza no es evidentetemperaturas de operacion, los equipos quedan propensos a sufrir este danodurantes las paradas y partidas. Este dano puede producir fracturas fragilescatastroficas en los equipos.Este dano solo es evidente a los ensayos de impacto.

6.10. Fallas por dano con hidrogeno

Fragilizacion por hidrogeno es una perdida en la ductilidad de los aceros dealta resistencia debido a la penetracion del hidrogeno activo, puede llegar a unagrietamiento de las piezas. La fragilidad de hidrogeno puede ocurrir durantela fabricacion, soldadura, o en servicio en contacto con hidrogeno en un medioacuoso, corrosivo, o un ambiente gaseoso.Tres condiciones deben presentar:

i) El hidrogeno debe estar presente en una concentracion crıtica dentro delacero o de la aleacion.

ii) El nivel de esfuerzos y la microestructura del acero o fundicion deben sersusceptibles a la fragilidad.


Figura 6.31: Desplazamiento de la temperatura de transicion debido a frag-ilizacion

iii) Un esfuerzo sobre el umbral para HE debe ser presente como esfuerzosresiduales y/o aplicados.

El agrietamiento debido a HL puede iniciarse en forma sub-superficial, peroen la mayorıa de los casos llega a la superficie. HL ocurre en zonas localizadasde altos esfuerzos. En aceros de alta resistencia las grietas son intergranulares.

6.11. Fallas por corro fatiga

Una forma de agrietamiento por fatiga debido al efecto combinado de cargascıclicas y corrosion. El agrietamiento se puede iniciar en los varias partes. Puedeafectar a cualquier tipo de metales y aleaciones.Al contrario a en la fatiga mecanica, bajo corrosion no existe un lımite de fatiga.Los sitios de la iniciacion de grietas incluyen concentradores de esfuerzos talescomo hoyos, muescas, defectos superficiales, cambios en la seccion, etc.La fractura es de tipo fragil y a menudo transgranulares, como en la corrosion ba-jo tension, pero no ramificadas. Se pueden observar en las grietas muy pequenadeformacion plastica.

6.12. FALLAS POR ALTAS TEMPERATURAS 115

Figura 6.32: Fotomicrografıa que muestra la morfologıa de la grieta, algo re-dondeada con multiples lobulos, y que puede ramificarse en forma de orejas deconejo

6.12. Fallas por altas temperaturas

6.12.1. Creep

A altas temperaturas, las piezas de metal pueden suave y continuamente de-formarse bajo la accion de cargas menores al esfuerzo de fluencia. Este fenomenorecibe el nombre de Creep. La velocidad de Creep depende del material, las tem-peraturas y los niveles de esfuerzos. La deformacion conduce al dano que puedeconducir eventual a una ruptura. El dano inicial puede ser identificado con unmicroscopio electronico, se forman cavidades triangulares en los lımites de gra-nos. Luego se producen deformaciones pequenas y/o grandes que pueden servisibles. Finalmente se pueden producir grietas debido al Creep, las que una veziniciadas pueden progresar rapidamente.

6.12.2. Fatiga termica

La fatiga termica es el resultado de esfuerzos cıclicos causados por variacionde temperatura. El dano produce grietas que pueden ocurrir con pequenas de-formaciones bajo carga termica cıclica. Son grietas que generalmente se inicianen la superficie de un componente. Se puede presentar oxidacion debido a laselevadas temperaturas. Puede ser una sola grieta o varias en la misma zona. Lasgrietas se propagan debido a los esfuerzos, estas son intergranulares. Puedenocurrir en sentido axial o circunferencial.


ab

Figura 6.33: Tıpicas fallas por creep a) Creep por sobrecalentamiento de untubo b) Ruptura por creep de un tubo de acero HK40

Figura 6.34: Grieta por fatiga termica en placa de acero al carbono

6.12. FALLAS POR ALTAS TEMPERATURAS 117

6.12.3. Sobrecalentamiento rapido

Deformacion permanente debido a relativamente bajos esfuerzos como re-sultado de un sobrecalentamiento repentino. Se presenta generalmente como unabollamiento y eventual ruptura debido a esfuerzos. Usualmente se presentanen una tuberıa con presion interna que es afectada por una llama localizada.El dano es tipicamente caracterizado por una deformacion localizada o abol-lamiento. Las rupturas se caracterizan por una abertura tipo boca de pescado(fishmouth) acompanado de un adelgazamiento drastico en la zona fracturada.

Figura 6.35: Falla por sobrecalentamiento localizado

Parte I

Aplicaciones industriales

119

121

La segunda parte del libro trata de los elementos y/o equipos que de unau otra forma han sido estudiado por los autores desde el punto de vista deldiseno, de la evaluacion de danos o de las acciones correctivas necesarias quedeben realizarse para que continuen en operacion.Esta etapa del libro trata de temas directamente realcionados con el diseno delementos de maquinas y equipos de producci´con en la industria principalmenteproductiva chilena. Destacan equipos de la minerıa, de las celulosas, forestales,metalmecanica, etc. Se comienza con una asociacion del diseno de elementosde maquinas asociadas a las principales tipos, formas y mecanismos de falla decada elemento. Pernos, rodamientos, engranajes, ejes, soldadura, cables, cadenasfiguran entre los principales elementos mecanicos que participan en la operacionde equipos y sistemas mecanicos presentes en nuestra industria. Sin tratarsede un libro de diseno de elementos de maquinas siempre la idea es asociarlos esfuerzos y mecanismos que aceleran la falla con las fallas reales ocurridasen la practica. Una segunda parte no menos importante muestra un amplioespectro de equipos de la industria con una brave descripcion del problemaque se estidio en cada caso. A quı figuran equipos tales como Convertidores,aglomeradores, descortezadores, estanques, hornos, prensas, tuberıas, harneros,etc.

Capıtulo 7

Uniones Apernadas

7.1. Calculo de uniones apernadas

7.1.1. Consideraciones

Figura 7.1: Esquema de esfuerzos presentes en un perno trabajando

La figura 7.1 muestra los esfuerzos tıpicos (y comunes) a los que quedasometido un pernos al ser cargado. Las multiples dificultades que se presentanen una union roscada se pueden resumir en la figura 7.2:

1. la carga no se distribuye sobre todos los hilos de la rosca,

123

124 CAPITULO 7. UNIONES APERNADAS

2. el eje de las roscas internas no es perpendicular a la cara de asiento de latuerca,

3. la superficie no es plana y perpendicular al eje del perno,

4. el agujero no es perpendicular a la superficie (y paralelo al eje),

5. agujeros mal alineados,

6. superficie de apoyo de la cabeza no es perpendicular al eje,

7. la forma de aplicar carga externa puede originar flexion al perno. Haytorsion por el apriete.

Teoricamente un perno de una maquina solo deberıa estar sometido a cargas detraccion. La figura 7.2 permite asegurar que la carga difıcilmente solo sera detraccion sobre el perno. La Figura 7.3 muestra una propaganda (Revista Ma-chine Design) de un perno donde se destacan algunas propiedades que comoveremos destacan las propiedades del perno respecto a su resistencia y compor-tamiento en la union.

Si una pieza como la mostrada en la figura ?? de la rosca (circular) fuesetraccionada se puede esperar que ella falle en funcion de su area de menorresistencia, es decir, falle en su diametro raız dr. Sin embargo, pruebas convarillas roscadas sometidas a tension muestran que su resistencia a la tension sedefine mejor en funcion del promedio de los diametros menor y de paso. El areade esfuerzo en tension At se define como:

At =π

4(dp + dr

2)2 (7.1)

Donde, para roscas ISO: dp = d− 0,649519p y dr = d− 1,226869p, con d =diametro exterior y p = paso en milımetros.

Valores de dp, dτ y At se pueden encontar en la literatura especializada dediseno de elementos de maquinas, como por ejemplo el Norton [2].

7.2. Pernos en traccion

La figura 7.4 muestra diversas estadısticamente las zonas en que un pernofalla por traccion.

El esfuerzo en una varilla roscada debido a carga axial F pura, esta dadopor:

σt =F

At< σadm (7.2)

donde σadm ≈ 0,6σo para carga estatica. σo es la resistencia a la fluencia delmaterial del perno.

7.3. COEFICIENTE DE DILATACION LINEAL 125

Figura 7.2: Causas comunes de falla en una union roscada

7.3. Coeficiente de dilatacion lineal

Si la condicion de trabajo impone aumentos significativos de la temperatura,el perno ademas de las cargas sufrira una dilatacion respecto a las planchas queune, aumentando aun mas su elongacion. Como el alargamiento por dilataciondepende linealmente de la longitud, solo es considerada la elongacion del pernoy no de las planchas. En ellas predomina la expansion longitudinal:

∆L = αLo∆T (7.3)

que representa la variacion de longitud para una barra de longitud inicial Lodebido a un cambio de temperatura ΛT . El coeficiente de dilatacion lineal α dealgunos materiales se entrega en la Tabla de la figura 7.5.

Los valores anteriores son validos en un rango que va desde 0 a 200oC.Aceros especiales presentan caracterısticas de dilatacion algo diferente, dondeel coeficiente puede llegar a 18,2x10−6 para el rango de calentamiento hasta600oC. A temperaturas mayores, los aceros sufren cambios importantes en suestructura.


Figura 7.3: Propaganda destacando propiedades mecanicas del perno

Figura 7.4: Cargas y porcentajes de la distribucion en los distintos hilos detrabajo en un perno sometido a traccion

Figura 7.5: Coeficiente de dilatacion lineal para diferentes materiales

7.4. JUNTA CON EMPAQUETADURA 127

7.4. Junta con empaquetadura

Consideremos un perno que une dos planchas elasticas unidas con una em-paquetadura. Este caso se presenta en estanques donde se debe mantener ciertahermeticidad. La figura 7.6 muestra un montaje de este tipo de uniones en loque podrıa ser un intercambiador de calor por ejemplo. El detalle de la unionlo podemos calcular de la siguiente forma:

La figura 7.6 muestra el montaje de la union con empaquetadura en una tapade intercambiador de calor. La figura ?? muestra como trabaja dicha union.Muestra primera la union descargada (sin apriete inicial sobre el perno o latuerca), posteriormente indica como se deforma la union cuando se ha aplicadouna carga de apriete inicial Fi sobre el perno y finalmente cuando se aplica unafuerza de trabajo Ft.

La relacion entre la fuerza aplicada y las deformaciones producidas se expre-san a traves de las constantes elasticas K del material del perno y empaquetadu-ra. Ası, asociando el subındice 1 al perno y el subındice 2 a la empaquetadurase puede expresar:

Figura 7.6: Detalle en tapa de intercambiador de calor

K1 = F1

λ1y K2 = F2

λ2, donde Fi representa la fuerza inicial de apriete ac-

tuando ya sea en el perno y en la empaquetadura, y K1 y K2 las constantes derigidez de resorte del perno y la empaquetadura respectivamente. Los λi y δison las deformaciones (alargamientos) sufridas por el perno y la empaquetadura(acortamientos) respectivamente.La fuerza inicial de apriete se recomienda para cada caso en particular y es enla etapa de diseno del equipo donde se selecciona este valor. En general la fuerzainicial de apriete esta relacionada con la carga de trabajo del perno, por lo que seestima un valor entre 1.5 a 2.0 veces la fuerza de trabajo. La figura 7.8 representael grafico compuesto de ambas deformaciones (perno y empaquetadura).


Figura 7.7: (a) union con empaquetadura y sin apriete. (b) union con cargainicial de apriete (c) mas carga de trabajo

Figura 7.8: Curva fuerza deformacion en perno con empaquetadura

7.5. PERNOS SOMETIDOS A CARGAS TRANSVERSALES 129

La figura 7.8.c representa la situacion de la union cuando actua ahora adi-cionalmente una fuerza de trabajo Ft. El perno se alarga un valor igual a λz yla empaquetadura se comprime un valor δz = λz. La fuerza total FT actuandosobre el perno sera: FT = F ∗

t + Ft = Fi + Fz.Si se aumenta la carga de trabajo Ft, la fuerza total actuando sobre el pernoaumenta, pero disminuye la fuerza de compresion Fi sobre la empaquetadura.Si esta ultima llega a ser cero, la junta pierde su propiedad de ser estanca, osea, la fuerza de trabajo Ft es igual a Fe. tal como se indica en la figura ??.

Usando los valores mostrados en los graficos se puede deducir la expresionpara la fuerza total sobre el perno:

FT = Fi +K1

K1 +K2Ft (7.4)

es decir, cuando un perno esta sometido a una tension inicial Fi, luego actua lafuerza de trabajo Ft, el no queda cargado con todo el valor de Ft, sino, con unafraccion de el tanto menor cuanto mas pequeno sea el valor de K1 con respectoa K2.

La Tabla 7.1 muestra algunos valores para el coeficiente K1/(K1 +K2) paradiferentes tipos de materiales.

Tipo de Junta K1

K1+K2

con empaquetadura blanda y elastica 0,9→ 1,0empaquetadura de asbesto recubierta con Cu 0.6empaquetadura corrugada de Cu blanda 0.4empaquetadura de plomo 0.1anillo de Cu delgado 0.01junta sin empauqetadura —-

Cuadro 7.1: Valores de la relacion K1

K1+K2

7.5. Pernos sometidos a cargas transversales

En este tipo de union, lo mas comun es que el perno ademas este expuesto aesfuerzos de flexion debido al poco ajuste con el agujero. Ello no es convenienteya que el perno fallarıa rapidamente. Una forma de evitar esto es proveer dis-positivos especiales que descarguen el perno de los esfuerzos flectores y de corte,asegurandose la inmovilidad relativa de los elementos a unir (ver figura 7.9).

La figura 7.10 muestra dos formas de diseno de pernos expuestos a cargatransversal y que, por problemas de diseno no puedan evitarse. El primero im-plica apretar el perno para que las superficies que unen generen una fuerza deroce lo suficientemente grande y eviten el corte (perno pasante libre). La otraforma es considerar un perno ajustado con tolerancias de manera que la fallapueda ocurrir por corte y/o aplastamiento en la cana (perno de ajuste).


Figura 7.9: (a) Zonas de un perno sometidas a esfuerzos de corte, (b) Alterna-tivas de montaje para evitar el corte

Figura 7.10: (a) Corte resistido por la friccion entre las superficies, (b) Pernocon ajuste

7.6. RESISTENCIA DE LOS PERNOS 131

Para el caso mostrado en la figura 7.10.a, la fuerza de apriete debe ser tal queproduzca una fuerza de roce entre las superficies de contacto que absorba lascargas transversales Fa < nµFi con µ el coeficiente de roce entre las superficies(se puede usar 0.2 para superficies secas) y n es el numero de superficies enconntacto, ası se disena como caso lımite segun la relacion (7.5):

Fi ≥Fanµ

(7.5)

Para el caso de un perno de ajuste, el agujero debe estar escariado. Es una unionrelativamente cara. El perno esta sometido a corte y a aplastamiento en la cana.La ecuacion de diseno en ambos casos sera:

τ =FaA≤ τadm ≈ 0,42σ0 (7.6)

σc =Fadl1≤ σadm ≈ 0,35σ0 (7.7)

7.6. Resistencia de los pernos

Los pernos para aplicaciones estructurales donde se requiera el calculo porresistencia, deberan seleccionarse de acuerdo a lo especificado por las NormasSAE, ASTM o ISO. Estas normas definen los grados o clases de pernos y especi-fican el material, el tratamiento termico y una resistencia mınima de prueba Sppara el perno. Este valor indica el esfuerzo para el cual en el perno se empiezaa generar una deformacion permanente y es cercana pero inferior al lımite defluencia elastico del material.

7.7. Fuentes de peligro

Algunas circunstancias que hacen peligrar las uniones apernadas son:

1. Inseguridad acerca de las fuerzas exteriores que efectivamente se presentan:reducir el esfuerzo admisible.

2. Apriete inadecuado de los pernos, especialmente los tornillos pequenosse deguellan con facilidad: considerar para ellos un material de alta re-sistencia o reducir el esfuerzo admisible. Los tornillos grandes recibencomunmente poca tension inicial: llave demasiado corta, especialmentesi existen varios tornillos el apriete desigual trae consigo una desigualdistribucion de la carga, y el alabeo de las piezas, por ejemplo en loscarteres de metal ligero de los motores. En tales casos lo mejor es apretarlos tornillos hasta el 60 % del lımite aparente de elasticidad con llave di-namometrica, o hasta un alargamiento del tornillo que se ha de prescribir(comprobacion con micrometro).

3. Apoyo unilateral y la consecuente tension adicional de flexion en el tornillo,


4. Perdida de la tension inicial debido a dilatacion termica o a deformacionplastica del tornillo, los apoyos o las capas intermedias (aun no existeninguna proteccion segura contra esto). Proposicion: arandelas de platocomo tuercas o arandelas, que al 60 % del lımite aparente de elasticidad delos tornillos queden justamente aplastadas por la compresion. Las arande-las ordinarias, las arandelas elasticas, etc., actuan solo desfavorablementeen este caso.

5. Trabajo de choque adicional, al alternar la direccion de la fuerza, porejemplo, a causa de holgura en el asiento de tornillos de biela: empleartornillos extensibles con tuerca de traccion.

6. Aflojamiento automatico en las sacudidas: prever seguros.

7. Ataque quımico a electrolıtico: para construcciones de metales ligeros, losmas ventajosos son los tornillos de laton y, despues, los tornillos de metalligero electro-oxidado, tornillos de acero fosfatado y tornillos de acero conarandelas de zinc. Para evitar el herrunbe o agarrotamiento por oxidacion:nitrurado de la tuerca o de la cana.

8. Desgaste de la rosca en tornillos de transmision de movimiento: prestaratencion a la eleccion del material, al engrase y a la presion superficial.

9. Puntos de rotura: Los tornillos sometidos a solicitacion dinamica se rompensegun lo mostrado en la figura 7.4(a), siempre por el primer hilo carga-do: procurar una mejor distribucion de esfuerzos, por ejemplo mediantetuerca de traccion. Los demas puntos de rotura 1 y 2 (figura 7.4a) en lastransiciones pueden evitarse con un mejor redondeo: 0,1d

7.8. Apriete de pernos

El procedimiento de apriete se puede efectuar mediante llaves de torquemanuales o neumaticas: las manuales tienen un dial que indica el torque aplicadoy las neumaticas (llave de impacto) tienen una valvula ajustable que detiene lallave cuando se alcanza el torque especificado. Este procedimiento exige que secumplan tres condiciones:

Calibrar la llave de torque periodicamente,

Usar golilla endurecida bajo la tuerca,

Aplicar un torque entre 5 % y 10 % mayor al indicado en tablas.

El calculo del torque requerido se obtiene a partir de la expresion:

T = KidFi (7.8)

Los coeficientes (teoricos) para Ki se muestran en la Tabla de la figura 7.11.Este coeficiente se deduce de la estatica a partir del analisis de fuerzas actuantes

7.9. SECUENCIA DE APRIETE 133

en un tornillo de potencia. En la Tabla 7.2 se indican los valores de tensionesmınimas y torques para los diferentes diametros de pernos ASTM A325, sinrecubrimiento. Los valores indicados en la Tabla deberan multiplicarse por elfactor 0,9 cuando el perno tiene algun tipo de recubrimiento y por 0,8 cuandoperno y tuerca han sido recubiertos.

Figura 7.11: Coeficiente Ki para calculo de torque aplicado usando coeficientede friccion 0,15

Diametro nominal Carga de prueba Torque Tin lb kg lb-pie kg-m1/2 12100 5470 100 145/8 19200 8710 200 283/4 28400 12900 355 497/8 39200 17800 525 7311 51500 23400 790 1101 1/8 56400 25600 1060 1461 1/4 71700 32500 1490 2071 3/8 85500 38800 1960 2711 1/2 104000 47200 2600 359

Cuadro 7.2: Valores de traccion y torque para pernos ASTM A325

7.9. Secuencia de apriete

Cada uno de los fabricantes de equipos que usen pernos en gran cantidad,deben entregar las secuencias de apriete necesaria para obtener la estanquei-dad del equipo. La figura 7.12 muestra algunos ejemplos de tapas de inter-


cambiadores con gran cantidad de pernos que deberan montarse y apretarseadecuadamente. La Tabla de la figura 7.13 entregan los valores dados por laempresa CHESTERTON para empaquetaduras, donde se indica la secuencia deapriete para diversas configuraciones de distribuciones de pernos alrededor deun cırculo.

Figura 7.12: Tapas de intercambiadores de calor donde debe aplicarse una cor-recta secuencia de apriete

7.9. SECUENCIA DE APRIETE 135

Figura 7.13: Secuencia de aprite para diversa cantidad de pernos


Figura 7.14: Algunos ejemplos de fallas en pernos

Capıtulo 8

Rodamientos

Figura 8.1: Partes de un rodamiento

La principal falla de un rodamiento se produce por fatiga superficial entrelas superficies en contacto. Este fenomeno de denomina en general pitting. Lateorıa de calculo para evitar la falla normal apunta a este efecto y el disenoy posterior seleccion estima la vida util del rodamiento para que no sufra estetipo de falla: fatiga superficial. En teorıa la vida util optima se obtiene cuandotodos los componentes de un descanso de rodadura: aro interior, aro exterior,elementos rodantes y jaula, logran la misma duracion.

8.1. Definiciones basicas

1. C0: Capacidad de carga estatica. Se define como la carga que produceuna deformacion permanente de aproximadamente 0.0001 del diametro

137

138 CAPITULO 8. RODAMIENTOS

del elemento rodante. Se asume como carga constante y sera radial pararodamientos radiales y axial para rodaminentos de empuje. C0 se debeusar en rodamientos cuando:

velocidad de giro muy baja: n < 10 rpm

cuando realizan movimientos oscilantes muy lentos

permanecen estacionarios bajo carga durante tiempos prolongados

Es necesario satisfacer el factor de seguridad estatico s0 definido como:

s0 =C0

P0(8.1)

donde P0 es la carga estatica equivalente definida mas adelante. Valoresrecomendados del coeficiente de seguridad estatico s0 entrega cada fabri-cante de rodamientos para cada tipo. Por ejemplo, la tabla mostrada enla figura 8.2 muestra los valores mınimos del coeficiente de seguridad pararodamientos SKF que requieren funcionamiento denominado suave.

Figura 8.2: Valor coeficiente estatico para rodamientos segun empresa SKF

2. C: Capacidad de carga dinamica. Expresa la carga que dara una vidanominal de 1,000,000 de revoluciones. Se asume como carga constante ysera radial para rodamientos radiales y axiales. Cada fabricante entrega unvalor numerico para cada uno de los rodamientos que produce (catalogo).

3. κ = ν/ν1: Relacion de viscosidad

4. ν: viscosidad real de funcionamiento del lubricante, mm2/s

5. ν1: viscosidad nominal en mm2/s dependiendo del diametro medio delrodamiento y de la velocidad

8.2. VIDA UTIL DE UN RODAMIENTO 139

8.2. Vida util de un rodamiento

La vida util de un rodamiento se puede obtener con el grado de exactitudsiempre y cuando se tenga en consideracion una serie de parametros de ope-racion. La formula basica para calcular la vida util de un rodamiento esta es-tandarizada por la ISO y expresada de la forma:

L10 = (C

P)k (8.2)

donde L10 es la vida nominal en millones de revoluciones. Esa vida nominal sedefine como el numero de revoluciones de un rodamiento antes de manifestarsıntomas de fatiga superficial (pitting). En general la informacion entregadapor los fabricantes se basa en la vida alcanzada por el 90 % de los rodamientosaparentemente identicos de un grupo suficientemente grande. En general la vidamedia de un rodamiento puede alcanzar hasta cinco veces la vida nominal. Si setrabaja a velocidad constante n : [rpm] la expresion (8.2) se tranaforma segun

L10h = (106

60n)L10; horas de servicio (8.3)

P es la carga dinamica equivalente y se define como una carga hipotetica con-stante de magnitud y direccion que si actuara radialmente sobre un rodamientoradial, o axialmente y centrada sobre un rodamiento axial, tendrıa el mismo efec-to en la duracion del rodamiento que las cargas reales a las cuales esta sometidodicho rodamiento. Se calcula de la ecuacion:

P = XFr + Y Fa (8.4)

con Fr la carga radial real en el correspondiente descanso, Fa la carga axial real,X factor de carga radial entregado por el fabricante e Y el factor de carga axial.k es el exponente que vale 3 para rodamientos de bolas y 10/3 para rodamientosde rodillos. Tambien se acostumbra a usar la vida en horas de funcionamiento,y se designa por L10h.En el caso de rodamientos de vehıculos de carretera se acostumbra a usar laformula:

L10s =πD

1000L10; millones de kilometros (8.5)

D es el diametro de la rueda en metros.Las tablas de las figuras 8.3-8.5 muestran valores tıpicos de vida nominal entre-gada por fabricantes y/o literatura especializada.

8.3. Formula de vida nominal ajustada

Representa la vida respecto la cula el ingeniero de una empresa puede influ-enciar. Usan una buena estrategia respecto al manejo, operacion y mantencionse puede aumentar la vida util de diseno. En este caso es conveniente considerar


Figura 8.3: Valores de vida recomendados

Figura 8.4: Factor de vida a3

8.3. FORMULA DE VIDA NOMINAL AJUSTADA 141

Figura 8.5: Valores de vida recomendados

con mas detalle la influencia de otros factores en la duracion del rodamiento.ISO introdujo en 1977 la formula de vida ajustada:

Lna = a1a2a3L10 (8.6)

donde Lna representa la vida nominal ajustada en millones de revoluciones.El subındice n representa la diferencia entre la fiabilidad requerida y el 100 %.Fiabilidad es la probabilidad del rodamiento para alcanzar o sobrepasar unaduracion determinada.

a1 es el factor de ajuste de la vida por fiabilidad,

a2 es el factor de ajuste de la vida por el material. El rango aproximadopara aceros de materiales especiales es entre 0.6 y 1.0.

a3 es el factor de ajuste de la vida por las condiciones de funcionamiento.Se usan los siguientes factores:

1,0 para espesor de pelıcula lubricante similar a la rugosidad superficial

< 1,0 para DN < 10,000 y para viscosidades bajas del lubricante

> 1 para condiciones de lubricacion favorables.

Cada fabricante en su respectivo catalogo entrega los valores correspondientesde estos parametros.


8.4. Fallas

8.4.1. Causas mas comunes de falla

Existen varios tipos de clasificaciones respecto a las fallas en roamientos.Una de ellas intenta estratificarlas en 10 tipos:

1. Sobrecalentamiento - Decoloracion de las pistas, los elementos rodantes ylas jaulas de dorado a azul/negro

2. Falso Brinelling - Marcas de desgaste elıpticas en las pistas alineadas ax-ialmente en la posicion de cada bola con una terminacion brillante y de-marcacion aguda. Indica vibracion externa excesiva y normalmente ocurrecuando el rodamiento es almacenado en las cercanıas de equipos vibrantestales como compresores alternativos o motores estacionarios

3. Brinelling verdadero - Ocurre cuando las cargas exceden el lımite elasticodel anillo. Las marcas se ven como indentaciones en las pistas que aumen-tan el ruido del rodamiento

4. Carga revertida - Los rodamientos de contacto angular estan disenadospara aceptar cargas axiales solamente en una direccion. Cuando se car-gan opuestamente, el area de contacto elıptico en el anillo exterior se vetruncada por el bajo bisel en ese lado

5. Desalineamiento - El trazo de desgaste de las bolas no es paralelo a losbordes de las pistas

6. Ajuste flojo - Deslizamiento del anillo exterior provocado por ajuste in-adecuado del alojamiento

7. Ajuste apretado - Interferencia excesiva puede sobrecargar los elementosrodantes y producir un trazo de desgaste en el fondo de la pista

8. Carga excesiva - Ajustes apretados, brinelling y pre-carga inadecuadapueden tambien provocar tempranas fallas superficiales por fatiga de tan-to los elementos rodantes como las pistas dando una apariencia de bachesa las superficies metalicas

9. Corrosion - Manchas rojas/marrones en los elementos rodantes, pistas,jaulas o bandas son sıntomas de corrosion

10. Contaminacion - Presenta indentado de las pistas y elementos rodantesque eventualmente provocan alta vibracion. Otro sıntoma es rayado pro-fundo de la pista donde grandes partıculas son aplastadas por los elementosrodantes

8.4. FALLAS 143

8.4.2. Ejemplos graficos

A continuacion se muestran algunas fallas tıpicas asociadas a estos 10 tiposde clasificacion usada.

Fatiga tipo pitting. La figura 8.6 muestra un caso de fatiga por picadurasuperficial.

Figura 8.6: Ejemplo de pitting

Flaking (escamado). Si el pitting se extiende rapidamente causando sobre-cargas locales, aparece el flaking. La discontinuidad superficial tiende aincrementar el ruido. Un ejemplo se muestra en la figura 8.7

Dano por corrosion. La figura 8.8 muestra un ejemplo de aro de rodamientoaxial altamente corroıdo Los hoyos creados por el herrumbre crean peaksde esfuerzos. Finalmente se forman escamas de material que se desprendede las superficies El herrumbre no solo se forma por la presencia de agua,acido, etc, sino tambien por lubricantes acidos. Otra causa de corrosion esla condensacion. Debe tenerse cuidado con el almacenamiento (humedad)de los rodamientos

Identaciones. La figura 8.9 muestra algunos casos de identaciones. (a)Identaciones por deformacion plastica causadas por la bola generalmentepor cargas excesivas, impactos o montaje imperfecto. Tambien originafatiga prematura (b)En rodamientos expuestos a cargas vibratorias y de


Figura 8.7: Flaking

Figura 8.8: Varios ejemplos de dano por corrosion en partes de un rodamiento

8.4. FALLAS 145

choque. La figura muestra un aro exterior y (c) un aro interior con identa-ciones

Figura 8.9: Identaciones

Scuffing (raspado). Ocurren con cargas y velocidades altas. Se puedenevitar con lubricacion adecuada o aditivos EP (extrema presion)

Marcas falsas. Se desarrollan en el aro interior. La figura 8.11 muestra laforma en que se presenta. Algunos investigadores dicen que son causadaspor fretting corrosion.

Corriente electrica. Identaciones regularmente distribuidas. Formacion dehuellas tipo flauta. Dependiendo de las condiciones de resistencia localaparecen crateres en la superficie. La lubricacion es afectada por chispasde origen electrico. Una causa comun es la deficiente conexion a tierradurante la soldadura en piezas cercanas al rodamiento. La figura 8.12muestra algunos casos tıpicos encontrados en la literatura especializada.

Sobrecargas. La figura 8.13 muestra un caso tıpico de huellas gruesas yprofundas (deep-groove) producida por sobrecargas radiales por montajeapretado.

Desalineamiento. Diferentes formas en que el eje puede quedar funcionandoen forma ineficiente y afectando el funcionamiento de los rodamientos. Los


Figura 8.10: Scuffing (raspado)

Figura 8.11: Marcas falsas

8.4. FALLAS 147

Figura 8.12: Paso de corriente electrica

Figura 8.13: Gruesas huellas regulares por sobrecarga de montaje


distintos tipos de deslineamiento producen diferentes tipos de huellas enlos caminos de rodadura.

Figura 8.14: Huellas no regulares producto de la rodadura desalineada de loselementos rodantes sobre las pistas

Fallas de montaje. La figura 8.15 muestra algunas formas en que el ejepuede quedar funcionando en forma ineficiente y afectando el funcionamien-to de los rodamientos.

Fallas de montaje. La figura 8.16 muestra dos casos tıpicos: (a) Excesivaprecarga axial. La huella o camino de rodadura tiende a desplazarse ha-cia la zona precargada (b)Desmontaje. Desmontaje inadecuado a causadoidentaciones en los aros en sus caminos de rodadura

Desalineamiento. La figura 8.17 muestra un descascaramiento localizadoproducido en un rodamiento conico debido a un desalineamiento.

Jaulas. La figura 8.18 muestra fallas tıpicas ocurridas en las jaulas sepa-radoras de los elementos rodantes

Scoring. La figura 8.19 muestra algunos ejemplos de scoring. (a) Marcas descoring en el camino de rodadura del anillo interior (b)Marcas de scoringcausadas por fatiga prematura en el anillo exterior

Otras fallas. La figura 8.20 muestra segun (a) una falla tıpica por contam-inacion en el lubricante. Muchas indentaciones causadas por partıculasexternas de mayor dureza y en (b) una falla por flaking localizado queprodujo una excesiva socavacion que permitio que la grieta atravesara elaro exterior.

Proceso de fatiga superficial. La figura 8.21 muestra una secuencia dedesarrollo en un proceso de fatiga para un aro interior en un rodamientode contacto angular. Los porcentajes son fracciones de L10 y representanintervalos de tiempo entre inspecciones comenzando con el inicio del dano

8.4. FALLAS 149

Figura 8.15: Problemas de montaje


(a) (b)

Figura 8.16: Precarga axial y desmontaje inadecuado

(a) (b)

Figura 8.17: Descascaramiento producido por desalineamiento

8.4. FALLAS 151

(a) (b)

Figura 8.18: Fallas en jaulas

(a) (b)

Figura 8.19: Scoring

(a) (b)

Figura 8.20: Marcas por contaminacion en el lubricante


(a)

Figura 8.21: Secuencia de desarrollo de pitting

8.5. GUIAS DE INVESTIGACION EN UNA FALLA DE UN RODAMIENTO153

8.5. Guıas de investigacion en una falla de unRodamiento

Sin importar la causa sospechada de falla del rodamiento, los siguientesconsejos le ayudaran en sus esfuerzos para dilucidar las causas raıces de la falla.

Informacion del descanso

A. ¿Cual fue el diseno original y por que se cambio?

B. ¿Cuando se instalo el rodamiento y quien lo hizo??

C. ¿Cuanto duro el rodamiento anterior y por que se reemplazo?

D. ¿Cual es la vida util del rodamiento en maquinas similares? ¿Cual esla vida util sugerida?

E. Antes de la falla, ¿hubo algunos cambios en vibracion, temperatura deoperacion, velocidad, carga, patron de mantenimiento y/o tipo de lubri-cante?

Datos del lubricante A. Analice una muestra del lubricante en la zona defalla.

B. ¿Esta decolorado u oxidado? ¿Hay trazas de lubricante quemado odepositos?

C. La provision de aceite al rodamiento ¿era adecuada y limpia?

Datos de apariencia del rodamiento

A. ¿La huella en la pistas de rodadura es consistente alrededor del ro-damiento y de ancho normal?

B. ¿Las pistas lucen brillantes, pulidas, con marcas de agua, decoloradaso desgastadas?

C. ¿Las pistas lucen grabadas, picadas, brinelleadas, dentadas, fisuradaso ranuradas?

D. ¿Hay evidencia de cargas de empuje en las pistas? ¿Estan significati-vamente descentradas, sugiriendo cargas de empuje fuertes?

E. ¿Existe algun astillado de las pistas, y si es ası, con que espaciado?

F. ¿Existen algunas depresiones en las pistas indicando dano en la insta-lacion?

G. ¿Hay algun signo de distorsion de la jaula?

H. ¿Hay alguna evidencia de desgaste o pulido de la jaula?

I. ¿Hay alguna senal de decoloracion de la jaula por sobrecalentamiento?

J. ¿Los costados de los rodillos muestran cargas del empuje excesivas?

K. ¿Hay alguna evidencia de desgaste o distorsion de los rodillos?

L. ¿Son los patrones de contacto identicos para todos los rodillos?


M. ¿Se notan los siguientes patrones de desgaste en los rodillos: brillante,pulido, marca de agua, decoloracion, grabado, picado, brinelleado, denta-do, figurado o ranurado?

Luego de investigar el problema, usted puede determinar la causa raız. Unavez que se documenta y corrige la causa raız, las fallas de rodamientos debencomenzar a declinar. Se recomienda establecer procedimientos de inspeccionrutinarios. Puede sentir que le falta tiempo o conocimiento, pero implementarun proceso de este tipo puede resultar en menores costos de mantenimiento,procesos de mantenimiento mas enfocados y mejores ganancias por reduccionde paradas no programadas.

8.6. RESUMEN FALLAS 155

8.6. Resumen fallas

Falla Identificacionfısica

causa de la falla Medidas preventi-vas y soluciones

fatiganormal

Descascaramientode las pistas

Fin de la vida util delrodamiento a la carga yvelocidad de operacion

Reemplazo del ro-damiento

Fatigapre-matura

Descascaramientode las pistas

-Sobrecarga axial o ra-dial.-Falta de juego interno.-Ajustes excesivos deejes y cajas con los arosde rodamiento.-Cara fuera de re-dondez.-Diferencia de temper-aturas entre eje y caja.-Desalineamiento.

-Rodamiento con may-or capacidad.-Disminuir la carga op-erativa.-Mayor juego interno.-Rectificar ejes y ca-jas verificando su re-dondez.-Refrigerar.-Alinear.-Mayor capacidad dedesalineacion del ro-damiento.

Fallasde-bido acontam-inantesen el lu-bricante

Descascaramiento,picaduras yrayas en las pis-tas y elementosrodantes de unrodamiento

- Ambiente sucio.- Desperdicios de mate-riales abrasivos.- Oxidacion.- Filtros de sistema delubricacion en mal es-tado.

- Buenos sellos.- Ambiente limpio.- Mantencion periodicade filtros.- Manipulacion efi-ciente de los rodamien-tos durante el montajey desmontaje

Indenta-ciones

- Indentacionesen los codos ocentros de laspistas.- Indentacionesen elementos ro-dantes

- Sobrecarga axial o ra-dial durante el monta-je.- Golpes al montar losrodamientos.- Carga de golpe op-erativa sobre un ejeestatico.

-Evitar ejercer fuerzasobre el anillo que no seha de montar.- La fuerza de monta-je debe ser lenta y uni-forme.- Desmontar los ro-damientos con extrac-tor.

Indenta-cionesdebidoa vibra-ciones

- Indentacionesde forma elipticaen los codos delas pistas.- Indentacionesen el centro delas pistas.- Presencia deoxido de hierroen el lubricante.

-Vibracion en ro-damiento estatico.

- Correccion de lafuente de vibracion.- Fijacion del ro-damiento con unacarga liviana.- Lubricacion periodicamientras la unidad noeste en servicio.- Utilizar un lubricantecon baja viscosidad.


Ensancha-mientodel ro-damien-to

- Ensancha-miento de unolos codos de lapista y fracturadel aro.- Huella contin-ua en todo elcontorno de lasbolas.

- Fuerza operativa deempuje excesiva.- Montaje de un ro-damiento de contactoangular en forma inver-tida.

- Disminuir la fuerza deempuje.- Montaje del ro-damiento en su posi-cion correcta.

Fallasde-bido aldesalin-eamien-to entreel eje yla caja

- Huella en aroestacionario vade un codo alotro en la pista.- Huella en aromovil es ancha.- Flexion dela jaula delrodamiento.

- Desalineamiento entrela caja y el eje.- Pandeo del eje.- Carga excesiva en elcentro del eje.- Desalineamiento en-tre las cajas de los ro-damientos de un eje.

- Eje concentrico y rec-to.- Disminuir cargas radi-ales o desplazarlas cer-ca de los rodamientos.- Alinear las cajas delos rodamientos entresı.

Fallasdebidoal pasode cor-rienteelectri-ca porlos ro-damien-tos.

- Picaduras enelementos ro-dantes y pistasde los aros.- Fusion del met-al en puntos decontacto.- Vibracion yruido.

- Corriente electricaproveniente de un arcode soldadura.- Cables en mal es-tado tocando la es-tructura metalica de lamaquina.- Corriente estaticaproveniente de proce-sos de manufactura(genero, caucho, tela,papel) o de correastransmisoras de poten-cia.

-Instalar un anillodeslizante para desviarla corriente alrededordel rodamiento.- Verificar, cables, ais-lacion y embobinado demotores.- Al soldar al arco,cuidar que la corrienteno pase a traves de losrodamientos.- Colocar mangos ocasquillos de materialaislante entre el eje (ocaja) y el rodamiento.- En procesos de manu-factura, cambiar mate-riales de rodillos menosgenerativos.

8.6. RESUMEN FALLAS 157

Falladel lu-bricante

-Cambio de col-or en el lubri-cante.- Olor a aceitede petroleo que-mando.- En grasas abase de litio elresiduo es unbarniz quebradi-zo brillante.- Aumento anor-mal de la tem-peratura.- Ruido tipo sil-bido.- Decoloraciontipo azuladoo cafe de losaros cuando latemperatura esexcesiva.- Falla de lajaula.

- Contaminantes en ellubricante.- Exceso de lubricante.- Falta de lubricante.- Tipo de lubricante in-adecuado.- Altas temperaturasprovenientes del proce-so de produccion.- Cargas operativas ex-cesivas.- Velocidades de op-eracion muy altas.

- Mantener los entornosdel rodamiento limpio.- Lubricantes en buenestado y libres de con-taminantes.- Mantener controladoel nivel de lubricante enlos rodamientos.- Se recomienda en al-gunos casos refrigerarlos rodamientos.- Tambien se recomien-da trabajar con car-gas y velocidades queno sobrepasen las maxi-mas especificadas porlos catalogos de ro-damientos.

Capıtulo 9

Engranajes

Los engranajes fallan por diversas razones, pero su mecanismo esta centradoen tres factores determinantes:

1. Fatiga por flexion, que siempre debe considerar la opcion de flexion (esta-tica) por sobrecarga. En el caso de fatiga se utiliza la teorıa de flexion deuna viga, ya que el diente se simula como una viga en voladizo, con lascorreccionones adecuadas a la teorıa de engranajes.

2. Fatiga por contacto (pitting) o picadura basada en la teorıa de contactode Hertz. Despues de un numero suficiente de ciclos de carga fragmentosde metal sobre la superficie se fatigaran y se desprenderan. Dificultadesen la lubricacion pueden contribuir a las fallas por picaduras.

3. Desgaste superficial abrasivo de difıcil cuantificacion debido a la falta devalores de esfuerzos admisibles reales asociado al mecanismo de desgastede los materiales. La mayorıa de los metalkes no presentan un claro lımitede fatiga por esfuerzos superficiales de contacto.

Generalmente los engranajes se calculan basados en los dos primeros formas defalla. Todo lo anterior se ve afectado por parametros que no estan bajo controldel disenador, por lo que cuando se trata de un analisi serio, debe aplicarse lanorma que en este caso se denomina NORMA AGMA (American Gear Manu-facturers Association). Un calculo basado en estas normas se estudia en detalleen el curso de Elementos de Maquinas de cuarto ano de la Carrera.

9.1. Fuerzas

9.1.1. Engranajes rectos

La figura 9.1 muestra las fuerzas de interaccion en los dientes de una trans-mision con engranajes rctos. Cada diente en contacto transmite un fuerza en ladireccion del angulo de presion φ que puede descomponerse en dos direcciones

159

160 CAPITULO 9. ENGRANAJES

convenientes: una componente radial Fr y una componente tangencial Ft. Si Fes la fuerza total transmitida, entonces se cumplen las relaciones:

Fr = FcosφFt = Fsenφ

T = Ft ·D0

2P = T · ω

(9.1)

donde P es la potencia a transmitir, T es el torque transmitido, ω la velocidadangular y D0 el diametro primitivo.

Figura 9.1: Fuerzas producidas en un diente recto

9.1.2. Engranajes helicoidales

La figura 9.2 muestra el detalle de la fuerza transmitida en engranajes heli-coidales. En este caso la fuerza transmitida F se descompone en las direccionesradial Fr, tangencial Ft y axial Fa, cuyas relaciones se expresan de la siguienteforma:

9.1. FUERZAS 161

Fr = FttanφFa = Fttanψ

Fb =Ftcosψ

F =Fb

cosφn=

Ftcosψcosφn

T = Ft ·D0

2P = T · ω

(9.2)

Figura 9.2: Fuerzas producidas en los dientes de un engranaje helicoidal


9.1.3. Engranajes conicos

La figura 9.3 muestra el detalle de la fuerza transmitida F en engranajesconicos. En este caso la fuerza transmitida se descompone en las direccionesradial Fr, tangencial Ft y axial Fa, cuyas relaciones se expresan de la siguienteforma:

F =Ftcosφ

Fn = Fsenφ = FttanφFa = Fnsenγ = FttanφsenγFr = Fncosγ = Fttanφcosγdav = d− bsenγvav = πdavN

Ft =P

vav

(9.3)

donde dav es el diametro medio mostrado en la figura. Para efectos de diseno sesupone que la fuerza actua en este diametro medio.

Figura 9.3: Fuerzas producidas en los dientes de un engranaje conico

9.2. ESFUERZOS 163

9.2. Esfuerzos

9.2.1. Flexion

La formula de diseno a la flexion de un diente de engranaje se encuentranormalizada en AGMA y se basa en las siguientes hipotesis:

1. Todos los dientes estan exentos de defectos

2. La razon de contacto transversal es entre 1 y 2.

3. No existe interferencia entre las puntas de los dientes y los filetes de laraız y no hay rebaje de los dientes sobre el inicio teorico del perfil activodel diente,

4. Los dientes no son puntiagudos,

5. El huelgo es nulo,

6. Los filetes de las raices son estandar, tersos y producidos por un procesode generacion

La formula fundamental de flexion se basa en suponer el diente como una vigaen voladizo, para lo cual existen formulas basicas (como la formula de Lewis)que permiten realizar un primer calculo de estimacion. Desde el punto de vistadel diseno, la norma exige usar la formula 9.4 de la AGMA:

WtKoKvKsPdF

KmKB

J≤ SatYNSFKTKR

(9.4)

Wt = Ft es la carga transversal transmitida,Ko es el factor de sobrecarga,Kv es el factor dinamico,Ks es el factor de tamano,Pd (para engranajes rectos = Pnd) es el paso diametral normal,F es el ancho de cara del diente de menor longitud,Km es el factor de distribucion de carga,KB es el factor de espesor de borde,J es el factor geometrico de la resistencia a la flexion,sates el esfuerzo permisible de flexion,YN es el factor de ciclo de esfuerzo para resistencia a la flexion,KT es el factor de temperatura,KR es el factor de confiabilidad.El correcto diseno de un engranaje debe satisfacer este criterio a la flexion.

Debe considerarse que en este calculo esta incluıdo los efectos de fatiga a laflexion, dado por los factores que considera la norma. Los distintos parametrso decalculo se encuentran en cualquier literatura relacionada a Diseno de elementosde Maquinas por ejemplo [2], [4], [5], entre otros.


9.2.2. Picadura

Como ya se menciono una de losprincipales problemas de falla ocurre porpicaduras y/o desgastes en los flancos de los dientes. Especıficamente el disenocontra la posibilidad de picaduras en el flanco se basa en la teorıa de contacto deHertz, que supone que los flancos de los dientes son dos superficies con curvaturadefinida que simulan dos cilindros en contacto. Los valores de los esfuerzos decontacto se basan en la teorıa de Hertz y se resumen en la ecuacion de la AGMAdada por:

Cp

√WtKoKv

Km

dF

CfI≤ SacSH

ZNKT

CHKR

(9.5)

Cp es el coeficiente elastico,Cf es el factor de condicion superficial,d es el diametro del cırculo primitivo operativo del pinon,I es el factor goemetrico para la resistencia a la picadura,ZN es el factor de ciclos de esfuerzos para la resistencia a la picadura,SH factor de seguridad a la picadura,Los factores Ki ya fueron definidos. Todos estos factores son facilmente

obtebnidos de la literatura de Elementos de Maquinas.

9.3. Tipos de fallas

Algunos libros entregan clasificaciones de las fallas en engranajes entre lascuales podemos destacar:

1. Clasificacion de acuerdo al modo se falla:

a) Desgaste

b) Deformaciones

c) Fatiga

d) Grietas

e) Fracturas

f ) Corrosion

g) Otras ( erosion, cavitacion, paso de corriente, etc.)

2. Clasificacion de acuerdo al proceso de falla o causa.

a) Falla debido a la manufactura

b) Errores de diseno

c) Falla de material

d) Errores de produccion

e) Errores de ensamble

9.4. CLASIFICACION SEGUN CAUSA - MECANISMO 165

f ) Falla debido a la operacion

g) Falla de lubricacion

h) Sobrecarga

i) Influencias externas

9.4. Clasificacion segun causa - mecanismo

1. Fractura de dientes (sobrecarga)

2. Fracturas ocultas

3. Fractura por fatiga

4. Dano en el flanco del diente

5. Desgaste:

Desgaste normal

Desgaste abrasivo

Desgaste debido a interferencia de fabricacion

6. Scratches (rasgunos)

7. Grooves (surcos, socavaciones)

8. Scoring (rayas)

9. Perdida de material

Pitting (picaduras)

Spalling (descascarillado)

Flaking (escamado, laminado)

10. Grietas

Grietas finas

Grietas gruesas

Material

11. Deformacion

Identacion

Rippling (ondulacion)

Flujo caliente

Flujo frıo

12. Corrosion:


Corrosion quımica

Corrosion por friccion

13. Otros danos

Cavitacion

Erosion

Scaling (escamas)

Annealing (recocido)

14. paso de corriente

9.5. Ejemplos de fallas

Fractura interna de tipo fragil motivada por sobrecargas severas. Fracturapor fatiga debido a cargas dinamicas. La fractura se propaga desde la grietahacia el interior

Desgaste normal causada por la friccion en el flanco del diente durante laoperacion. Engranaje helicoidal. Desgaste abrasivo debido a cuerpos solidos ex-tranos en el contacto tales como metales abrasivos en el lubricante.

Desgaste debido a interferencia en la operacion. Por falla en la geometrıade los dientes o distancia entre centros menor que la requerida Desgaste severo.Contaminantes solidos tales como polvo, material abrasivo,

Desgaste tipo ”Grooves”debido a altas cargas en el flanco del diente Desgastetipo ”scoring”debido a una combinacion entre carga especıfica alta y velocidadalta reforzado por inadecuado o insuficiente lubricacion

Engranaje helicoidal recto. ”Shelling”(descascarado): poros gruesos debidoa viscosidad del aceite demasiado baja o aditivos inadecuados en el lubricante.Engranaje recto. Pitting tipo ”shelling”. Fatiga de material debido a sobrecargas

Pitting tipo ”shelling”. Total destruccion del flanco. Por sobrecarga en elflanco. Shelling tipo spalling. Sobrecarga de la superficie del material durante elmaquineado. Grietas se forman bajo la superficie.

Shelling tipo ”flaking”. Se presenta como una fractura localizada por sobre-cargas debido a errores en la fabricacion. Grietas tipo ”grinding”. Grietas suavesgeneralizadas. Sobrecalentamiento en el flanco.

Grietas por endurecimiento incorrecto. Transformacion entre la zona super-ficial y el alma Deformaciones de tipo ripling por lubricacion inadecuada y altacarga especıfica y/o vibracion.

Deformaciones tipo cold flor”por altas cargas constantes asociada a inade-cuado endurecimiento superficial. Deformaciones tipo ”hot flor”.debido a severosobrecalentamiento por falta de lubricante

Corrosion quımica. Accion de substancias activamente quımicas sobre el flan-co, esto es .acidificacion”del lubricante. Corrosion por friccion por movimientobajo cargas vibratorias en presencia de oxigeno sin una pelıcula de lubricanteque separe las superficies.

9.6. METODOS DE PREVENCION DE FALLAS 167

Dano por cavitacion. Cargas vibratorias a alta velocidad acopladas con aguay gases en el lubricante. Dano por erosion. Altas presiones a altas velocidadesacopladas a cuerpos extranos en el lubricante.

Dano tipo ”scaling”. Oxidacion en el flanco del diente durante el tratamientotermico. Dano tipo .annealing”(recocido con decoloracion en los flancos) Sobre-calentamiento causado por severa friccion debido a sobrecarga, alta velocidad,pequeno juego en el flanco y lubricacion incorrecta.

Dano por paso de corriente. Potencial electrico entre los engranajes cau-sado por potencial en los ejes en maquinas electricas conducente a ”Spark-ing”(chispear). Defecto por alineamiento inadecuado. Conduce a sobrecargas ensectores del dentado.

Sobrecargas por exceso de presion en los flancos que produce desgaste ex-tremo Cargas de impacto. Debido a vibraciones e impacto en los dientes.

Deformacion por sobrecargas producida por largos periodos de funcionamien-to. Errores en la lubricacion. (lubricante incorrecto y/o contaminado)

Pitting por sobrecarga debido a fatiga de material Falla por apriete desme-dido, espesor inadecuado del aro o falla de material

9.6. Metodos de prevencion de fallas

La tabla 9.6 muestra un resumen de algunos fallas tıpicas y las formas quese proponen para evitarlas.

9.7. Materiales para engranajes

Los materiales para la fabricacion de engranajes se seleccionan de acuerdoal tipo de trabajo que realizaran. Las propiedades principales que se buscan enlos engranajes son:

1. Desgaste mınimo

2. Resistencia a la fatiga y cargas de choque

3. Faciles de mecanizar.

La tabla 9.7 muestra distintos tipos de materiales para engranajes, su especifi-cacion, propiedades y caracterısticas de su funcionamiento. Esta puede ayudar apriori a obtener el material con el cual fabricar el engranaje para las condicionesde trabajo al que estara sometido.

9.8. Analisis de fallas existentes en engranajes

Para analizar e interpretar faltas del engranaje, es provechoso considerar al-gunas de la terminologıa y de las practicas de uso general en la industria del


Tabla 9.6 Formas de prevenir fallas en engranajesDesgaste 1 Usar dentado con superficies suavesmoderado 2 Si es posible rodar una unidad nueva con ruedas dentadas

medianteoperacion en las primeras 10 horas con la mitad decarga3 Si es posible usar altas velocidades. Tener presente que lasruedas dentadas altamente cargadas y de baja velocidadestan lubricadas en forma lımite y estan especialmentepropensas al desgaste excesivo. Para estas condicionesespecificar ruedas dentadas nitruradas y un lubricante de lamayor viscosidad posible4 Para ruedas dentadas de muy bajas velocidades (< 0,05m/s)evitar el uso de lubricantes con aditivo azufre fosforo5 Usar una cantidad adecuada de lubricante fresco limpuioy seco de la mayor visscosidad posible

Pulido 1 Usar aditivos anti gripado quımicamente menos activos comoboratos2 remover abrasivos del lubricante usando filtracion finao cambios frecuentes del aceite

Desgaste 1 Remover la contaminacion interna de cajas nuevas de ruedasabrasivo dentadas drenando el lubricante y lavando antes del arranque

y nuevamente despues de las primeras 50 horas de operacion.Volver a llenar con el lubricante recomendado e instalr unnuevo filtro2 Minimizar las partıculas de desgaste generadas internamenteusando dentados endurecidos superficialmente, superficiessuaves y lubricantes de alta velocidad3 Minimizar el ingreso de contaminacion mediante elmantenimiento de los sellos o retenes y usando respiradorescon filtro localizados en areas limpias no presurizadas4 Minimizar la contaminacion que es agregada durante elmantenimiento usando procedimientos bien desarrollados5 Para sistemas de lubricacion por circulacion usar filtracionfina6 Para sistemas de lubricacion por bano cambiar el lubricantepor lo menos cada 2500 horas o cada 6 meses7 Monitorear el lubricante con analisi espectrografico yferrografico junto al analisis del numero de acidez,viscosidad el contenido de agua

9.8. ANALISIS DE FALLAS EXISTENTES EN ENGRANAJES 169

(continua)....Tabla 9.6. Formas de prevenir fallas en engranajesGripado- 1 Usar superficies de dientes suaves producidas por rectificadoengranadura o lapeado cuidadoso

2 Proteger los dientes durante el perıodo crıtico del rodajemediante recubrimiento con fosfato de hierro - manganesoplateado con cobre o plata. Hacer un rodaje de unidades nuevasoperando las primeras 10 horas a la mitad de la carga3 Usar lubricantes de alta viscosidad con aditivosanti-engranadura tales como azufre, fosforo o Borato4 Enfriar los dentados suministrando una adecuada cantidad delubricante fresco. Para sistemas de circulacion usar unintercambiador para enfriar el lubricante5 Optimizar la geometrıa del dentado usando dientes maspequenos con correccion de dentado y modificacion del perfil6 Usar dentados precisos con montaje de las ruedas rıgidos yuna buena alineacion de ejes7 Usar aceros nitrurados para una maxima resistencia algripado. No usar ruedas dentadas de acero inoxidable o aluminio

Picado 1. Reducir las tensiones de contacto por reduccion de cargas uoptimizacion de la geometrıa del engrane.2 Usar aceros limpios con tratamiento termico para alta dureza,preferentemente cementados.3 Usar superficies suaves producidas principalmente porcementado o lapeado cuidadoso.4 Usar una adecuada cantidad de lubricante fresco, limpio yseco de una adecuada viscosidad

Micropicado 1 Usar superficies de dentado producidas por rectificado olapeado cuidadoso2 Usar una cantidad adecuada de lubricante fresco,limpio y secode la mayor viscosidad permitida3 Usar altas velocidades dentro de lo permisible.4 Usar aceros cementados con contenido adecuado de carbono enlas capas superficiales


Tabla 9.7 Propiedades de diferentes materiales para engranajes

tipo Especifica-ciones

Propiedades Caracterısticas

plasticos Nylonpolycetal

Baja friccion Baja consistencia a altas

temperaturas. Pueden traba-

jar conlubricacion mınima

Bronce BS 265 faciles demecanizar

Baja resistencia al desgaste.

Se utilizan solamente para

trabajo liviano

Bronce fos-foroso

BS 1400PB-2C

Baja friccion Se utilizan en tornillos sin-fin corona

Cast Iron BS 821 Baja friccion,bajo costo

Baja resistencia a las cargas

de choque

Acero alcarbon

BS 970EN 8, EN 9

Bajo costo, al-ta resistencia aldesgaste

Se utiliza ampliamente en

reductores pequenos y en

la fabricacion de engranajes

grandes

Acerosaleados(Ni-Cr-Mo)

BS 970EN 25, EN26

Buena durabili-dad

Se utilizan para pinones tem-

plados y endurecidos

Acerosaleados(Cr-Mo)

BS 970EN 19, EN29

Buena durabili-dad

Poseen buena resistencia al

desgaste, pero tienen tenden-

cia al Scuffing

9.9. CLASIFICACION DE FALLAS 171

engranaje. La figura 2 muestra algunos de los terminos comunes usados para de-scribir perfiles del diente del engranaje. Actualmente los engranajes tienen gra-dos de calidad establecidos por la AGMA, la calidad basica es de AGMA 4 o 5otros mas exigentes pueden requerir AGMA12 o 13, mientras que las transmi-siones de avion pueden requerir AGMA14 o la exactitud 15. Esto puede causarproblemas si en una tentativa se hace reemplazo de engranaje sin conocimientode su nivel de calidad, ya que esto puede tener efectos desastrosos en la vidadel engranaje. La diferencia entre el desgaste y la falla o fractura puede sersimplemente una cuestion de tiempo. Si un engranaje falla en 25 anos, hizo sutrabajo. Si falla en 25 minutos o 25 horas, pudo haber un serio problema.

9.9. Clasificacion de fallas

Las fallas de los dientes de los engranajes evidencian distintas formas de falla,las cuales tienen distintos tipos de clasificacion segun la norma o referencia conque se trabaje. La tabla 9.9 a la tabla 9.9 muestran la clasificacion utilizada enDIN 3979, ISO 10825 y la clasificacion utilizada en ANSI/AGMA 1010−E95,respectivamente.

9.10. Estadısticas de fallas

Las estadısticas de falla de engranajes, basada en el muestreo adecuado, sonde bastante ayuda en el analisis de fallas, por que ellos proporcionan una vistageneral de los tipos de causas de fallas en engranajes y la frecuencia con queellas ocurren.Un fabricante de engranajes de acero ha preparado una estadıstica de fallasen engranajes, basada en 931 fallas que ocurrieron en un periodo de 35 anos.Todas las fallas son clasificadas segun tipo y causa; los resultados obtenidos sonmostrados en la figura 9.4.

9.10.1. Tipos de fallas

Como se muestra en la figura 9.4, la fractura cuenta con un gran porcentajede falla (61.2 %), seguido por fatiga superficial (20.3 %), desgaste (13.2 %), yflujo plastico (5.3 %). La mayorıa de las fallas por fractura incluye el diente;Fractura del diente debido a fatiga (32.8 %) es mas comun que la fractura deldiente debido a sobrecarga (19.5 %).Como se muestra en la figura 9.4, la mayorıa de las fallas tienen relacion con elservicio (74.7 %). Las dos principales causas de fallas son sobrecarga continua(25.0 %) e inapropiado montaje (21.2 %). El tratamiento termico defectuoso erala siguiente causa mas comun de falla (16.2 %), seguido de errores de diseno(6.9 %), defectos de fabricacion (1.4 %) y materiales defectuosos (0.8 %).


Tabla 9.9. Clasificacion de fallas segun DIN 3979Dano en el flanco del dienteFalla por desgaste Desgaste normal

Desgaste abrasivoDesgaste por interferencia de contactoRayadurasSurcosEscoring

Dano por fatiga PicadoDescamado

Deformacion HuellasOndeadoMartillado/laminadoFlujo Caliente

Fisuras De TempleDe MaterialDe RectificadoDe Fatiga

Dano por Corrosion Corrosion QuimicaCorrosion AbrasivaPelado

Temperaturas Altas Erosion, CavitacionPaso Corriente

Fractura del dienteFractura RepentinaFractura por Fatiga

9.10. ESTADISTICAS DE FALLAS 173

Tabla 9.9. Clasificacion de fallas segun ISO 10825Anomalıas sobre la Desgaste de Desgate Normalsuperficie de los flancos deslizamiento a) Desgaste Moderado

b) PulidoDesgaste AbrasivoDesgaste ExcesivoRayaduras, estrıas(Scoring)AranadoDesgaste por interferencia

Corrosion Corrosion QuımicaCorrosion de ContactoPelado

SobrecalentamientoErosion Cavitacion, erosion

Por fluido bajo presionPicaduras porchisporroteo

Engranadura, GripadoDeformacionesPermanentes Huellas, Impresiones

Deformacion plastica Por laminadoPor Martillado

OndeadoSurcadoRebabas

Fatiga de Contactoo Superficial Picado Nacientes

EvolutivasMicro picado

Picaduras en escamasDescamadoDislocacion de lacapa tratada

Fisuras Fisuras de TempleFisuras de RectificadoFisuras de Fatiga

Rotura de dientes Rotura por sobrecarga Rotura FragilRotura DuctilRotura Semifragil

Cizallamiento del DienteRotura despues dedeformacion plasticaRotura por Fatiga Fatiga a la Flexion

Rotura del extremodel Diente


Tabla 9.9. Clasificacion de fallas segun ANSI/AGMA 1010 E95Clasificacion Modo General Modo especifico No Preferido

o gradoDesgaste Adhesion Suave Desgaste en encendido

ModeradoSevero Escoriado

RayadurasAbrasion Suave

moderadasevera

PulidoCorrosionCorrosion de ContactoPeladoCavitacionErosionDescarga ElectricaOndeado

Engranadura Engranadura Suave EscoriadoGripado moderada

severa Engranadura frıa

Engranadura caliente

SoldaduraDeformacion Deformacion HuellasPlastica Plastica Martillado

Flujo frıo Deformacion permanente

Flujo Caliente sobrecalentamientoLaminadoDiente Martillo

Ondeado escamadoSurcadoRebabas

Fatiga por Contacto Picado NacienteEvolutivo DestructivoEscamas En la cabezaDescamado

MicropicadoFatiga de Subcapa Dislocacion de

la capa tratadaFisuras Fisuras de Fisuras de temple

endurecimiento

Fisuras de rectificado

Fisuras de Fatiga Ruptura internaFractura Fractura Fragil Fractura Rapida

Fractura Ductil

Fractura combinada Semifragil

Cizallamiento del diente

Fractura despues de

la deformacion plastica

Fatiga de Flexion Fatiga de bajo ciclo

Fatiga de alto ciclo

9.11. CLASIFICACION DE FALLAS EN ENGRANAJES 175

Figura 9.4: Estadıstica en fallas en engranajes [10]

9.11. Clasificacion de fallas en engranajes

9.11.1. Procedimiento del analisis de falla

Objetivos

En orden de mantener operacion interrumpida e inesperados costos debidosa fechas prematuras de los componentes de las maquinas al mınimo, se puedendefinir los siguientes objetivos:

Anulacion basica del dano:

Medidas de diseno

Mantencion preventiva

Prevenir la repeticion del dano:

Analisis de fallas. Las medidas necesarias se pueden definir como sigue:Medidas de diseno: Disenar con la lubricacion y manutencion en mente, tomandoen cuenta los requerimientos de la tribologıa.

Mantencion Preventiva:Chequeo y monitoreo para detectar potenciales puntos de fallas, removiendo lascausas de los mecanismos de fallas, sin falta de reemplazar las piezas.

Analisis de fallaEstablecer un modo de falla, reconstruir el proceso de la falla, averiguar la causade la falla.


9.11.2. Procedimiento

El procedimiento para investigar una falla contiene las siguientes tres etapas:

1. Identificacion del modo de falla

2. Reconstruccion del modo de falla

3. Identificacion de las causas de fallas.

Se debe tener en mente que varios grupos de causas pueden ser responsablespara cada modo de falla, y que varias causa individuales pueden ser responsablede cada grupo de causas. La figura 9.5 permite ejemplificar esta aseveracion:

Figura 9.5: Relacion entre modo, causa y razon de una falla

9.11.3. Relacion entre la causa de la falla y el modo defalla

Los tipos mas importantes de fallas en engranajes y sus causas son resumidosen la tabla mostrada en la figura 9.6. Esta figura nos entrega los modos de fallasy sus posibles causas, ya que como se dijo antes un modo de falla puede tenervarias causas posibles, por lo cual es ahı la importancia del analisis de falla parapoder dar con la causa raız.

Cuando los engranajes han sido manufacturados sin defectos, se debe hacerun montaje correcto para asegurar un buen modelo de contacto, lo que es unpre-requisito para una operacion a largo plazo sin falla. La figura 9.7 muestraposibles modelos de contactos defectuosos, los cuales se pueden deber a lascausas dadas en la figura 9.8. La figura 9.9 nos da un resumen de los tiposde danos mas comunes en engranajes. Se ve como la mayorıa de estos danosterminan causando fracturas por fatiga.


Figura 9.6: Fallas en engranes y sus causas


Figura 9.7: Tıpico modelo de contacto defectuoso

Figura 9.8: Causas en los modelos de defectos de contacto


Figura 9.9: Resumen de tipos de danos ocurridos en engranajes


9.12. Factores que influyen en las fallas en losengranajes

9.12.1. Lubricacion

Existen muchas formas en donde el lubricante puede ejercer una influenciasobre el acontecimiento o la prevencion de dano en engranajes y transmisiones,que pueden ser clasificadas en los grupos siguientes en una manera simplificada.

Lubricante erroneo

. Un incorrecto lubricante puede causar dano en el flanco del diente, tal comodesgaste, escoriado y pitting.

Tipo de lubricacion erronea

. El resultado de una lubricacion erronea puede causar danos en el flanco delengranaje.

Exceso de lubricacion

. El exceso de lubricante puede causar sobrecalentamiento.

Lubricante insuficiente

. Es mas danino que el exceso de lubricante. Este puede causar dano en elflanco del diente al igual que deformacion por sobrecalentamiento.

Mal metodo de aplicacion del lubricante

. Este grupo incluye fallas causada por un incorrecto diseno del sistemainterno de lubricacion.

Contaminacion en el lubricante

. Contaminantes en el lubricante pueden causar corrosion en los dientes delengranaje y dependiendo del tipo de contaminante puede causar otras fallas.La tabla 9.12.1 muestra los metodos de lubricacion segun la velocidad lineal enel cırculo primitivo de los engranajes.Metodo de lubricacion de acuerdo con la velocidad lineal en el cırculo primitivode los engranajes.

9.12.2. Velocidad

Un engrane entre dientes necesariamente produce durante el contacto zonasde deslizamiento relativo. Solo en el punto correspondiente a la interseccion en-tre los diametros primitivos se produce rodadura pura entre ambos flencos. Las

9.12. FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS FALLAS EN LOS ENGRANAJES181

Tabla 9.12.1. Formas de lubricacionVelocidadlineal

Metodo de lubricacion

cm/min pulg/min< 91,500 < 36,000 Salpique> 91,500 > 36,000 Salpique ( con canales o conductos para

llevar el aceite hasta los rodamientos)< 152,500 < 60,000> 152,500 > 60,000 Circulacion Bajo presion propia,

gravedad, o sistema centralizado.< 213,500 < 84,000> 213,500 > 84,000 Salpique y circulacion

tensiones especificas van variando durante el contacto. La razon de velocidad dedeslizamiento y la velocidad de rotacion es importante seleccionar el lubricante.La figura 9.10 muestra la diferente razon de velocidad de rotacion para engrana-jes y engranajes cruzados. Se puede ver que con engranajes rotatorios (curva b)hay solo una componente velocidad de deslizamiento en la direccion vertical. Enel punto de rotacion este es igual a cero y se incrementa en direccion de la basey de la punta.En el caso de engranajes rotatorios cruzados (curva a), por otro lado, existeuna componente de la velocidad de deslizamiento en la direccion del flanco, en-tonces existe deslizamiento en el punto de rotacion. Por esta razon, la relacionentre la velocidad de deslizamiento y de rotacion es relativamente larga en elcaso de engranajes sin-fin y engranajes hipoides. La direccion de la velocidadde deslizamiento no es constante, pero cambia en la direccion vertical del flancodel diente.

Figura 9.10: Velocidades relativas en flanco del diente


9.12.3. Tensiones en el flanco

La figura 9.11a entrega una representacion esquematica de las cargas en elflanco de dos engranajes en contacto causada por tensiones y deslizamiento.Estas cargas se aplican en la region del punto de contacto, que comienza aplas-tarse elasticamente bajo la influencia de fuerzas que son transmitidas. La presionen la superficie es mayor en el centro del area aplanada (figura 9.11b). Debajo deeste punto, a una distancia de de 0.78a (a=mitad del ancho del area aplanada),es donde la mayor tension de corte ocurre, formando un angulo de 45o con lasuperficie.Durante el proceso de rodamiento, esta se incrementa desde cero a 0,3po (po=maxima presion superficial) y luego vuelve a caer a cero, esto es una tensionpulsante.

9.12.4. Temperatura

Todos los factores de velocidad y carga influyen en la temperatura del flancodel diente. Lechner ha mostrado que la supuesta temperatura continua en elflanco del diente del engranaje es la responsable del scuffing en los flancos deldiente. La Tabla 9.12.4 muestra estas temperaturas caracterısticas del engrana-je, mientras que la figura 9.12 y 9.13 muestra algunas temperaturas medidascon termocuplas montadas en los flancos.

Tabla 9.12.4. Valores caracterısticos de temperaturas en el flanco del dienteTemperatura Ambiente Temperatura normal Temperatura maxima

oC de operacion oC de operacion oC10 29 4815 34 5320 39 5825 44 6330 49 6835 54 7340 59 7845 64 83

Nota: Hasta lo posible, no se deben sobrepasar las temperaturas normalesde operacion.

9.12.5. Juego normal entre dientes o backlash

Un juego insuficiente entre dientes puede causar que un diente engrane conotro en forma incorrecta, dificultando la formacion de la pelıcula lubricante.Este problema se manifiesta por la aparicion de rayaduras o escoriado en ambassuperficies o por una escoriacion critica en la raız de los dientes. Cuando setrata de engranajes que van a funcionar a altas temperaturas se debe tener en

9.12. FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS FALLAS EN LOS ENGRANAJES183

Figura 9.11: Perfil de fuerzas producidas durante el deslizamiento en el contactoentre flancos del diente


Figura 9.12: Perfil de temperaturas a lo largo del flanco

Figura 9.13: Temperaturas medidas en la seccion transversal del di-ente(isotermas)

9.13. EJEMPLOS DE FALLAS 185

cuenta el coeficiente de dilatacion termica de los materiales de los engranajes,por que la tolerancia puede disminuir hasta valores verdaderamente crıticos,cuando aumenta la temperatura. Una vez montado los engranajes es necesariocomprobar el juego o backlash por medio de galgas. El juego necesario entredientes se especifica en la tabla 9.12.5 en funcion del diametro de paso y ladistancia entre centros. Observacion

Tabla ??. Backlash recomendadospulg. 1-2 2-3 3-4 4-8 8-12 12-20

Hasta 6 min/max ,010/,016 ,008/,014 ,008/,014 ,006/,0126-10 ,014/,022 ,012/,018 ,010/,016 ,010/,016 ,008/,01410-15 ,016/,024 ,014/,022 ,012/,018 ,012/,01815-20 ,020/,030 ,018/,028 ,016/,024 ,014/,022 ,012/,02020-25 ,022/,032 ,020/,030 ,018/,026 ,016/,024 ,014/,02225-30 ,024/,034 ,022/,032 ,020/,030 ,018/,028 ,016/,02630-35 ,026/,036 ,024/,034 ,022/,032 ,020/,03035-40 ,026/,036 ,026/,036 ,024/,034 ,022/,032

1. Estos valores permiten un incrementos de temperatura hasta 50oF

2. Estos valores son validos hasta velocidades de 25.000 fpm

Figura 9.14: Metodos de lubricacion en funcion de la velocidad

9.13. Ejemplos de fallas


Figura 9.15: Diversos tipos de fallas en engranajes

9.13. EJEMPLOS DE FALLAS 187

Capıtulo 10

Cables de acero

10.1. Introduccion

Para poder determinar el tipo y mecanismo de falla se debe analizar cadacaso teniendo en cuenta que cada modo de falla deja una pista caracterıstica;no obstante, es comun en fases de dano avanzadas que se den combinaciones dedos o mas mecanismos, lo cual dificulta su identificacion.

Los cables son elementos cuya funcion basica consiste en transmitir potenciamecanica lineal, sirviendo de multiplicadores de fuerza cuando se utilizan com-binandolos convenientemente con poleas en m´aquinas de elevacion y transporte.

Los sistemas hidraulicos (cilindros) realizan funciones similares a los cables;sin embargo, estos ultimos se prefieren cuando las distancias de desplazamientode las cargas son muy altas, haciendo impracticable el uso de sistemas hidrauli-cos o neumaticos.

Los cables consisten de un entramado de alambres individuales que formantorones, los cuales a su vez se entrelazan para dar el cuerpo total del cable,(Figura 10.1). La cantidad y diametro de alambres y torones dependen de lamagnitud de la carga a izar y del diametro de las poleas alrededor de las cualesse deben enrollar. Los alambres individuales se fabrican usualmente por trefi-lacion, dejando microestructuras con los granos alargados en el sentido de ladeformacion; tambien es usual recubrir los alambres con otros metales que lesde por ejemplo, resistencia a la corrosion o mayor conductividad electrica (Figu-ra 2).

Los alambres de los cables de transmision mecanica estan fabricados nor-malmente de aceros al carbono cuando es requerida alta resistencia mecanica,a los cuales se les agrega un recubrimiento de aluminio cuando ademas debantener resistencia a la corrosion. En algunas aplicaciones de baja carga se puedenutilizar aceros inoxidables austenıticos. Los alambres de los cables de trans-mision de potencia electrica pueden ser de aluminio o cobre puro, combinados

189

190 CAPITULO 10. CABLES DE ACERO

Figura 10.1: Configuracion de un cable de acero de potencia

con alambres de acero recubiertos con aluminio o cobre, donde se busca que es-tos dos ultimos metales se dediquen a conducir corriente, mientras que el aceroes el responsable de soportar las cargas mecanicas (peso propio o la accion delviento). Los cables son elementos que merecen un cuidado especial debido arazones como las siguientes:

a) su operacion (paso por poleas) es normalmente a flexion cıclica (por lotanto estan sometidos a fatiga),

b) operan normalmente a la intemperie (expuestos a la corrosion y el des-gaste), y

c) el paso por las poleas genera pequenos movimientos entre los alambres(lo que implica que se pueden desgastar por friccion interna haciendo necesariasu lubricacion), ademas las poleas acentuan la fatiga y el desgaste exterior delcable.

No obstante lo anterior, los cables en nuestro medio no son correctamenteoperados y mantenidos, notandose abusos comunes tales como:

10.1. INTRODUCCION 191

Figura 10.2: (a) Granos alargados debidoa al proceso de fabricacion: Trefilacionde un alambre que forma un cable (ampliacion 100x) b) recubrimientode alu-minio puro en alambre de acero al carbono (200x)

a) una inspeccion descuidada o inexistente que pasa por alto signos claros defatiga como un numero excesivo de alambres rotos (los catalogos normalmentepiden contar el numero de hilos rotos que se encuentren en inspecciones ruti-narias, para definir si el cable se debe reemplazar o puede seguir operando), b)operacion descuidada que permite desgaste abrasivo, adhesivo o corrosion, y c)lubricacion inapropiada o inexistente que aumentan el desgaste y la fatiga delos alambres del cable.

La falla por fatiga o por desgaste de los cables de transmision de potenciamecanica es inevitable. Sin embargo, con una correcta operacion y mantenimien-to de los equipos se puede posponer al maximo la ocurrencia de cualquiera deestos dos modos de falla.

Ademas de las tensiones de flexion introducidas por la operacion sobre poleasacanaladas, el cable produce sobre la polea acanalada una presion (radial). Estapresion fija tensiones para arriba que esquilan en los alambres, tuerce la es-tructura de la cuerda, y afecta el ındice del desgaste de los surcos de la poleaacanalada. Por lo tanto, la magnitud de la preson y la resistencia de desgaste delmaterial de la polea acanalada debe ser considerado al seleccionar la fabricacionmas adecuada del cable. La presion radial, en libras por pulgada cuadrada dearea proyectada de la cuerda, puede ser determinada usando:

p =2T

Dd(10.1)

donde p es la presion radial (en libras por pulgada cuadrada), T es la tensionen el cable (en libras), D es el diametro de la pisada de la polea acanalada (enpulgadas), y d es diametro del cable (en pulgadas).

Las altas tensiones de flexion indican generalmente la necesidad de cablesflexibles. Sin embargo, al resultar los diametros de los alambres del cable rela-


Figura 10.3: Recomendaciones para el numero maximo de alambres cortadosque indican si un alambre debe o no ser cambiado

tivamente bajo, tiene menor capacidad de soportar mayores presiones que loscables mas grandes pero menos flexibles. Ambos factores deben ser consideradosal seleccionar el tipo mas conveniente de cable. Ademas, la presion de cuerdacontra la polea acanalada tiende a aplanarlo. Este tipo de distorsion del cablepuede ser controlado en gran parte por contornos apropiado entre la polea y sussurcos. El contacto de la cuerda con la polea acanalada da lugar a desgaste enel cable y el surco de la polea acanalada.

10.2. Clasificacion de los modos de falla en ca-bles de transmision de potencia

10.2.1. Formas de fractura de un cable

A este tipo de falla corresponden todos aquellos casos en los cuales se haperdido la continuidad mecanica del cable, es decir, se ha producido la fracturade todos los alambres en alguna zona de el (Figura 10.4). La fractura del cablese puede dar de manera subita o por fatiga, mecanismos que se describen acontinuacion.

10.2. CLASIFICACION DE LOS MODOS DE FALLA EN CABLES DE TRANSMISION DE POTENCIA193

Figura 10.4: (a) Modo de falla de un cable asociado al Tipo de falla, (b) tretipos de fractura diferentes en cables de acero

Fractura subita

Se dice que el cable ha fallado por fractura subita cuando todos sus alambreshan colapsado mediante este mecanismo, lo cual se da al sobrepasarse en serviciosu ultima resistencia, es decir, que se ha sobrecargado. Todos los alambres antela carga se fracturan con la formacion de una zona de estriccion cuya magnituddepende de la ductilidad del material de los alambres, obteniendose ası unafractura de tipo copa-cono o con desgarre a 45o aproximadamente, (ver figuras10.5, 10.6).

Fractura por fatiga

Los alambres se fracturan progresivamente en la medida en que se cargay descarga el cable durante su vida util, progresando esta situacion hasta quelos alambres remanentes fallan de manera subita. Sin embargo, se considera


Figura 10.5: (a) alambre con deformacion plastica mostrando fractura tipo copa-cono (7x), (b) fractura con formacion de cuello a 45o aproximadamente (7x),(c) ampliacion del caso a: caso copa-cono (33x)

Figura 10.6: (a) ampliacion de la deformacion de los granos en una fractura tipocopa.cono (100x), (b) ampliacion de fractura a 45o mostrando la deformacionde los granos

que en su conjunto el cable falla por fatiga. Los alambres fatigados se rompensin estricion, o sea, sin deformacion plastica a gran escala, pudiendo darse lafractura perpendicular al eje del alambre o formando 45◦ con este (Figura 6). Enlas Figuras 7 y 8 se pueden apreciar los detalles de las superficies de fractura porfatiga de los alambres, las cuales son predominantemente planas y en algunoscasos muestran las estrias de fatiga. La fatiga es inherente a la naturaleza deoperacion de los cables, ya que los procesos de carga y descarga son cıclicos y elenrollado y desenrollado del cable sobre poleas o tambores induce una flexioncıclica, lo cual llevara a la fractura progresiva de los alambres.

10.2.2. Desgaste del cable

Los cables en movimiento son susceptibles de desgastarse como consecuenciade su paso por los tambores o poleas, pero ademas pueden experimentar rocescon otros elementos o abrasion con partıculas, desencadenandose una perdidaprogresiva del material de los alambres. Esta perdida de material disminuyela resistencia a la traccion del cable y su resistencia a la fatiga, limitando sucapacidad de carga. El desgaste se puede dar por dos mecanismos basicos:

A) adhesivo y


Figura 10.7: (a) alambres de un cable rotos por fatiga, (b) fractura fragil con suarea perpendicular a su eje (7x), (c)almabre con fractura sin deformacion a 45o

respecto a su eje axial (7x)

Figura 10.8: (a) fractura por fatiga plana perpendicular a eje axial (7x), (b)ampliacion de la superficie de fractura por fatiga (40x), (c)granos no muestrandeformacion plastica en falla por fatiga perpendicular a su eje axial (100x)

B) abrasivo.

Desgaste adhesivo

Este se origina durante el movimiento propio de su operacion. El cable rozacon otros cuerpos metalicos, por ejemplo, en gruas de helicopteros puede rozarcon el fuselaje o los patines del mismo, o deslizarse sobre poleas mal lubricadas,lo cual lleva a que los alambres que entran en contacto con el cuerpo exteriorpierdan material superficialmente, obteniendose la disminucion de la resistenciaa la traccion y a la fatiga (Figura 9).

El desgaste adhesivo tambien se puede presentar de manera interna en uncable, es decir, por desgaste entre los alambres, lo cual sucede cuando la lubri-cacion del mismo no es apropiada o es inexistente. Son crıticas las aplicacionesde cables que deben pasar por poleas, ya que la flexion del cable sobre esteelemento lleva a que los alambres deslicen entre sı.


Figura 10.9: (a) fractura por fatiga a 45o respecto a eje axial (40x), (b) am-pliacion de la superficie (40x), (c)detalle de (b) a 2000x

Figura 10.10: (a) superficie de un alambre desgastada por roce (15x),(b)fragmentos de duraluminio entre losalambres de una cable de una grua dehelicoptero, el cual rozo con el fuselaje

Desgaste abrasivo

En ambientes de trabajo con altos niveles de polvo, la industria de la con-struccion o en la minerıa, las partıculas abrasivas como la arena (sılice), puedenpenetrar entre los alambres y generar desgaste abrasivo entre ellos, especial-mente cuando el cable entre en contacto con una polea, por lo que es deseablemantener la superficie de estos elementos libres de partıculas (Figura 10). Eldesgaste abrasivo, al igual que el adhesivo, se traduce en una disminucion de laresistencia a traccion del cable y en una disminucion de vida a la fatiga.

10.2.3. Corrosion

La corrosion, al igual que el desgaste, lleva a la perdida de material superficialde los alambres del cable, disminuyendo su resistencia a traccion y a fatiga.


Figura 10.11: Cable con partıculas de arena entre sus torones

Se presenta cuando por accion quımica directa o por vıa electroquımica, ionesmetalicos de la superficie de los alambres se desprenden para formar con otroselementos del medio un compuesto quımico producto de la corrosion. Cada metales susceptible de corroerse ante una sustancia quımica especıfica pero ante otrano; por ejemplo, lo que corroe al acero inoxidable puede no corroer al aluminioo el cobre bajo determinadas condiciones de presion, temperatura y potencialelectrico, por lo que se deben considerar estos factores para escoger el materialapropiado en la aplicacion dada de un cable. La corrosion en los cables puedeser:

a) generalizada o

b) por picadura.

Corrosion generalizada

En este caso la corrosion ataca de manera relativamente homogenea la super-ficie de los alambres en areas grandes sin concentrarse en una region en especial,lo cual en el tiempo va disminuyendo el diametro de los alambres, con el agra-vante de que los productos de la corrosion generados (oxidos, sulfuros, cloruros,etc.) son sustancias en general mas duras que el material de los alambres, lo quedesencadena ademas la contribucion del desgaste abrasivo (Figura 10.12).

Corrosion por picadura

En este caso la corrosion ataca de manera selectiva la superficie, acen-tuandose en zonas anodicas, y en otras zonas llamadas catodicas es menos severa,llevando a que en los puntos mas atacados se generen peligrosas cavidades quedisminuyen de una manera muy severa la resistencia a la traccion y a la fatigade un cable. Un determinado metal es susceptible de corroerse por picadura anteun medio especıfico y ante otro no: el aluminio ante agua pura se pasiva, es ınox-idable”, pero en agua salada o ambiente salino (corrosion atmosferica cerca de


Figura 10.12: (a) corrosion en cable de acero al carbono bajo tierra, (b) corrosiongeneralizada bajo encauchateado en cable electrico de aluminio (c) corrosion porpicadura bajo encauchetado en cable electrico aereo de Aluminio

las costas) puede corroerse por picadura. Las picaduras tambien pueden acen-tuarse en ambientes tipo rendija, es decir, zonas de traslapes de laminas, debajodel encauchetado de un cable, etc., ya que en estas zonas se pueden generargradientes de concentracion de especies quımicas que promuevan la corrosionlocalizada (Figuras 11b y 11c).

10.2.4. Descarga electrica

Este modo de falla se presenta en cables de conduccion electrica, aunquetambien sucede en cables de transmision de potencia mecanica cuando operancon maquinas electricas (motores o generadores) que presentan problemas en elaislamiento de los bobinados. La descarga electrica genera temperaturas muyelevadas en los materiales de los cables en las zonas donde se generan los arcos.Por ejemplo, entre superficies de grieta, haciendo que se fundan o evaporen pro-gresivamente, desembocando finalmente en la fractura del cable cuando este seaincapaz de seguir soportando la carga. Generalmente las superficies de fracturaquedan total o parcialmente fundidas y en zonas aledanas se deposita parte delmetal evaporado, especialmente si el cable esta encauchetado. En los cables demedia y alta tension electrica el problema es muy frecuente y ocurre cuando porun problema de corrosion o de fatiga en los alambres (ante el medio ambienteagresivo o cargas cıclicas como el viento) se generan picaduras o fracturas dealambres, lo cual lleva a que se creen pequenos arcos entre las partes separadas,retroalimentandose ası el proceso de corrosion- fatiga- descarga electrica, hastaque el cable finalmente se fractura (Figura 12).

10.2.5. Deformacion

Cuando sobre los cables se aplican cargas para las cuales no estan disenados,tales como de aplastamiento, momentos torsores o flectores excesivos, se generansobre los alambres deformaciones permanentes que lo inutilizan, ya que en estaszonas deformadas disminuye su resistencia a traccion y su resistencia a fatiga.


Figura 10.13: superficie de fractura por descarga electrica en cables de conduc-cion de media tension, cuyos arcos se iniciaron en grietas de fatiga inducidaspor el viento y desembocaron en picaduras por corrosion

Las dos formas basicas de deformacion que se pueden dar sobre un cable son la(a) indentacion y (b) el doblado.

Figura 10.14: superficie de fractura por descarga electrica en cables de conduc-cion de media tension, cuyos arcos se iniciaron en grietas de fatiga inducidaspor el viento y desembocaron en picaduras por corrosion

10.2.6. Indentacion

En este caso un objeto presiona severamente el cable, donde dicho objetopuede ser incluso el mismo, como cuando el cable enrolla sobre un tambor. Elobjeto tambien puede ser un cuerpo extrano sobre una polea, la cabeza de untornillo en la zona de apoyo de un cable sobre una superficie, etc. La presionobliga a que los alambres se indenten o entallen dejando zonas de deformacion


plastica superficial, a partir de las cuales puede crecer una grieta de fatiga(Figura 13).

Figura 10.15: (a) toron del cable identado con otros cuando se le realizo unensayo de traccion hasta la ruptura, (b) Cable identado con otra seccion de simismo generando ade´as doblado (c) identacion con zonas visibles deformadas

10.2.7. Doblado

Durante el almacenamiento, la operacion o el mantenimiento de un cablese pueden generar doblados del mismo, cuando el enrollado de un cable sobresu tambor se haga de una manera desordenada, o cuando el cable se salgade su polea o sea presionado por otro elemento, etc. Estos doblados danan sugeometrıa generando momentos flectores que, aunados con el dano propio dela deformacion, disminuyen la resistencia a la traccion y a la fatiga del mismo(Figura 14).

Figura 10.16: Cables doblados por mal montaje y/o manipulacion

10.3. CAUSAS COMUNES DE LOS MODOS DE FALLA 201

10.3. Causas comunes de los modos de falla

Debido a que cada modo de falla deja una pista caracterıstica, como se vioen la seccion anterior, al estudiar los cables fallados se encontraran pruebasque pueden llevar finalmente a un concepto sobre los orıgenes del problema, conargumentos que expliquen la o las posibles causas. Entre las causas mas comunespor las cuales fallan los cables de transmision de potencia mecanica se tienen:

”Deficiencia o ausencia de lubricacion en el cable lo que acelera el desgasteinterno entre alambres.

.Ausencia de una rutina de inspeccion que detecte a tiempo alambres rotospor fatiga y evalue sobre si el numero de hilos rotos es aceptable o no.

.Almacenamiento u operacion inadecuada que genere desgaste, corrosi´on odeformacion de los alambres del cable.

”Problemas en aislamientos de los bobinados de maquinas electricas que setraduzcan en la aparicion de diferencias de potencial electrico del cable con otroselementos y por lo tanto se desencadene la descarga electrica.

”Los problemas provenientes del proceso de fabricacion de los cables puedenser basicamente:

(a) un proceso de trefilado de alambres muy severo que genere zonas deintensa deformacion plastica con baja resistencia a la fatiga,

(b) problemas en el trensado de alambres y de los torones que dejen unapriete excesivo o insuficiente; en cualquier caso, disminuye la capacidad decarga estatica y ocasiona la fatiga del cable, y

(c) decarburacion superficial en alambres de acero al carbono, con lo cual setiene una baja resistencia a fatiga.

En la Tabla siguiente se resumen los principales factores que contribuyen a laaparicion de los diferentes modos de falla en cables de transmision de potenciamecanica.

10.4. EJEMPLOS GRAFICOS


Figura 10.17: Modos de falla en cables de transmision de potencia mecanica

Figura 10.18: (a) Extremo de una cuerda de alambre de acero que fallo entraccion debido a sobrecarga. Los extremos de los alambres indican fracturaductil; no se encontro ningunas areas gastadas o desgastadas en la rotura, (b)cable de 13 milımetros (1/2”diametro) cuerda de alambre no rotado de aceromejorada alma de 7 y diam 18 fallo en fatiga por flexion. El cable trabajabasobre una polea acanalada demasiado pequena respecto del cable

10.4. EJEMPLOS GRAFICOS 203

Figura 10.19: (a) Cable de acero con alta corrosion y alambres individuales rotosresultando de servicio subacuatico intermitente, (b) Cable de acero usado enuna limpieza-lınea grua, que fallo por fatiga por vibracion causada por carga dechoque. (a) Seccion del cable adyacente a fractura. Aproximadamente 1 1/2(b)Seccion longitudinal de un alambre del cable que muestra que las grietas defatiga se originan desde ambos lados

Figura 10.20: Seccion transversal con 2,6mm(0,102− in) de diametro. La capasuperficial (tapa) es martensita sin templar; uno mismo-se templa la zona ady-acente de la oscuro-aguafuerte martensita. La matriz fue compuesta de perlitadeformada


Figura 10.21: Cable fabricado del mejor acero de un arado con una base de lafibra, debido a la cual fallo por alta abrasion y machacamiento bajo cargamentonormal. (a) Demostracion machacada de la cuerda desgastada alambres y des-gaste de la corona 1,8× (b) especimen al agua fuerte que demuestra la capa delmartensite (tapa) uniforme, microestructura pesadamente dibujada

10.4. EJEMPLOS GRAFICOS 205

Figura 10.22: Fractura por fatiga de un cable de elevador de 19x8. Los esfuerzoseran cıclicos torsionales y axiales. (a) Forma conica en el extremo del cable,y extremo del cable quebrado.(b) alambre como recibido de 1.2 milımetro dediametro. (c) El mismo alambre despues de limpiar con solucion acuosa al 10 %HCl. A indica una mella en el lado del alambre; B, un area brillante, lisa quecontiene huellas de fatiga. (d) Seccion longitudinal del alambre de 0.6 milımetrode diametro. (e) seccion longitudinal alambre con 1.6- milımetro-diametro quedemuestra el funcionamiento frıo en A, superficie tipo plana de la fractura en B,y grietas longitudinales. (f) Extremo fracturado (izquierdo) y vista longitudinal(derecha) de alambre de 1 mm de diametro.

Capıtulo 11

SOLDADURA

11.1. Introduccion

Las soldaduras son procesos que permiten la union, recuperacion o reparacionde partes o piezas. Para desarrollar un adecuado analisis de falla se debe acep-tar que la soldadura en si es una discontinuidad en la que podemos distinguirbasicamente tres zonas: el metal base, la zona afectada termicamente y la zonafundida; cada una de ellas con propiedades mecanicas distintas.Algunas definiciones:Discontinuidad: es una interrupcion de la estructura tıpica de la union soldada,como la falta de homogeneidad en las caracterısticas mecanicas, metalurgicasy/o fısicas,Defecto: es una discontinuidad o discontinuidades que por su naturaleza o efec-to combinado, no logra los criterios mınimos de aceptacion requeridos por lasnormas o codigos yFalla: es cuando la pieza se separa bajo tension en dos o mas partes.Indicacion: evidencia de una discontinuidad, que se relaciona con alguna propiedaddel material mediante la aplicacion de un END.Interpretacion de la indicacion: consiste en hallar la correlacion entre la indi-cacion observada con la naturaleza, morfologıa, situacion, orientacion, posiciony tamano de la discontinuidad.Evaluacion de la indicacion: consiste en hallar la correlacion entre la discon-tinuidad detectada con su efecto posterior en las propiedades requeridas de launion, luego de que la indicacion ha sido interpretada. De la evaluacion surgira sila indicacion es irrelevante o es un defecto. Con esta evaluacion se decide, si launion soldada debe ser rechazada, reparada o aceptada para su uso.

11.2. Fallas

Las fallas en soldadura se pueden dividir en dos clases:

207

208 CAPITULO 11. SOLDADURA

1. Aquellas rechazadas despues de la inspeccion y ensayos mecanicos

2. Aquellas que fallan en servicio que pueden alcanzar la fractura, desgaste,corrosion o deformacion (distorsion)

Las causas para rechazar una soldadura durante una inspeccion son los rasgosvisibles superficiales o indicaciones internas usando metodos no destructivos.Rasgos superficiales que causan rechazo incluyen:

Excesivo desajuste en la union

Excesiva convexidad en el talon de la soldadura o talon reforzado

Excesiva concavidad en el talon, poco llenado y tamano menor al corre-spondiente

Socavacion fuerte asolapado en el pie de la soldadura

Grietas (calor o frıo) longitudinales y transversales, crateres en la base dela soldadura

Porosidad

Poco arco

Salpicaduras

Material removido en el cordon

Rasgos sub-superficiales que causan rechazo incluyen:

Grietas bajo la superficie

Porosidad

Inclusiones -escorias, oxidos o metal tungsteno

Fusion incompleta

Penetracion inadecuada

Grietas de solidificacion, grietas de licuacion

Fallas relacionadas con dureza, ductibilidad o requerimientos de dureza tam-bien pueden ser motivo de rechazo. Fallas en servicio dependen de factores deoperacion, que incluyen:

Falla por sobrecarga en material fragil

Falla por sobrecarga en material ductil

Colapso plastico

11.2. FALLAS 209

Pandeo

Fatiga

Corro-fatiga

Corrosion

Grietas por esfuerzos con corrosion

Grietas por endurecimiento inducido por hidrogeno.

Razones por las cuales una soldadura puede fallar en servicio incluyen:

Falta de conocimiento respecto a ciclos y cargas de servicio

Falta de conocimiento del medio ambiente en que opera

Especificaciones inadecuadas de los parametros de diseno

Uso de un inadecuado metodo de diseno sin considerar los modos de falla

Uso de materiales incorrectos en el diseno

Seleccion inapropiada de materiales y procedimientos de soldadura

Poca inspeccion durante la fabricacion

Uso del equipo mas alla de las especificaciones de diseno

Figura 11.1: Fractura fragil en la soldadura del casco de un barco

La mano de obra y seleccion inadecuada de los procedimientos de soldaduray la composicion del material de relleno han ocasionado un sin numero de fallas.Otras razones de falla en soldaduras son:


Figura 11.2: Posicion relativa de algunas fallas caracterısticas de un cordon desoldadura

Figura 11.3: Identificacion de grietas segun el metal base. 1 grieta en el metalsoldado, 2 grieta transversal en el metal soldado, 3 grieta transversal en zonaZAT, 4 grieta longitudinal en metal base, 5 grieta en el talon del metal base, 6grieta bajo la soldadura en metal base 7. grieta en la lınea de fusion, 8. grietaen la raiz del metal soldado, 9. grieta de la soldadura desde la lınea de fusion.

11.3. INCLUSIONES 211

Inapropiado diseno de la union

Tamano inadecuado de la soldadura

Calor de entrada inadecuado

Seguimiento inapropiado

Composicion inapropiada del material base

Composicion incorrecta del material de relleno

Fragilizacion durante la soldadura

Tasa de enfriamiento inapropiado en metal de soldadura y/o zona termi-camente afectada (ZAT)

Altos esfuerzos residuales

Condiciones medio ambientales no consideradas en el diseno de la sol-dadura. Ello comprende sobrecargas accidentales, cargas mayores a lasconsideradas, fatiga, temperaturas anormales, atmosfera marina u otrascorrosivas.

Figura 11.4: Optimizacion de una union soldada para evitar concentradores deesfuerzos

11.3. Inclusiones

Inclusiones no metalicas formadas como resultado de reacciones entre ele-mentos metalicos de aleacion y elementos no metalicos atrapados en el interioro por escoria no metalica atrapada mecanicamente o por partıculas refractarias.Inclusiones extranas pueden ser:

Oxidos

Sulfatos

Nıtruros


Figura 11.5: (a) escoria como inclusion (b) Grietas que comienzan en concen-tradores de esfuerzos

Figura 11.6: Porosidad en el corazon de un acero laminado

11.4. DISCONTINUIDADES GEOMETRICAS 213

Carburos

Otros componentes

Fases multiples

11.4. Discontinuidades geometricas

Estan asociadas con las imperfecciones de forma o contorno de la soldadurainaceptable. Algunas imperfecciones geometricas son (ver figura 11.7):

Solapamiento (overlap)

Socavaciones (undercut)

Depresiones (underfill)

Figura 11.7: Imperfecciones geometricas de un cordon de soldadura

Para minimizar las socavaciones:

Disminuir la corriente, la velocidad de desplazamiento del electrodo y eldiametro del electrodo, lo cual controla el tamano de la soldadura

Cambie el angulo del electrodo tal que el arco permita que la soldadurallegue a las esquinas

Evitar el vaiven en el desplazamiento

Mantenga constante la velocidad de desplazamiento

Factores que influyen en la fusion incompleta (IF o LOF) o falta de fusion yPenetracion incompleta (IP o LOP). Inadecuada penetracion en las juntas yfusion incompleta en un arco de soldadura, generalmente es el resultado de:

Inapropiado surco en el rebaje de la junta que no permite que el calorllegue como debe ser y el angulo del electrodo con el metal base se veafectado

Tecnica de soldadura pobre, tal como manipulacion inadecuada del elec-trodo, angulo de electrodo inapropiado corriente deficiente


Figura 11.8: Ejemplos de penetracion incompleta y fusion incompleta

c

Figura 11.9: (a-b)Dos tipos de contornos irregulares, (c) fractura por fatigaoriginada por socavaciones

11.5. RADIOGRAFIAS 215

Pobre preparacion de la superficie del metal base

Tecnica de soldadura incorrecta o huelgo en la raiz inadecuado pueden serocasionados por factores tales como:

Bajo amperaje

Pequeno diametro del electrodo

Alta velocidad del electrodo

Angulo del electrodo incorrecto

Limpieza de la junta inadecuada donde las superficies hay superficies con-taminantes tales como: oxidos, aceite, polvo

Posicion de trabajo inadecuada

Desalineamiento en ambos lados de la soldadura

Inductancia excesiva

11.5. Radiografıas

La inspeccion de soldaduras con radiografıas es un tipo de ensayo no de-structivo (END) que proporciona informacion sobre la calidad de la soldaduray los defectos que presenta. Es una tecnica esencial para certificar la validez delas soldaduras. Interesa:

Conocer el fundamento por el cual las radiografıas aportan informacionsobre el estado de una soldadura

Distinguir los distintos defectos detectables mediante radiografıas de sol-daduras, aprendiendo a identificarlos en las mismas

Tener los criterios fundamentales para valorar la calidad de la soldaduraa partir de la radiografıa y calificarla.

Los rayos X son radiaciones electromagneticas que se propagan a la velocidad dela luz (300,000km/s), aunque tienen menor longitud de onda, mayor energıa ymas penetracion. Estos rayos no sufren desviacion alguna por efecto de camposmagneticos o electricos y se propagan en lınea recta, excitan la fosforescencia eimpresionan placas fotograficas.

La principal caracterıstica de los rayos X es que atraviesan los cuerpos opacossin reflejarse ni refractarse, siendo absorbidos en mayor o menor grado segun elespesor, la densidad del material y la longitud de onda de la radiacion. Alcanzanası a impresionar una pelıcula o placa fotografica, situada en el lado opuesto del


Figura 11.10: Reparacion con soldadura en un eje

material.

Los defectos de los materiales como grietas, bolsas, inclusiones, etc. de distin-tas densidades, absorben las radiaciones en distinta proporcion que el materialbase, de forma que estas diferencias generan detalles de contraste claro-oscuroen la placa fotografica colocada detras de la pieza. Esto es lo que permite iden-tificar defectos en la inspeccion de una soldadura por radiografıa.

Para facilitar la labor se usan colecciones de radiografıas patron, en las cualeslos defectos estan claramente identificados para unas condiciones dadas de tipode material y tipo de soldadura.

A continuacion se muestra una serie de radiografıas patron con los diferentesdefectos detectables.


Figura 11.11: Defectos detectados con la tecnica de radiografıa

Capıtulo 12

Ejes

12.1. Ejemplos de fallas en ejes

Figura 12.1: Diagramas de cuerpo libre mostrando la orientacion de los esfuerzosnormales y esfuerzos de corte

221

222 CAPITULO 12. EJES

Figura 12.2: Rotor de acero 4340 que fallo por fatiga torsional

Figura 12.3: Rotor de acero 4340 que fallo por fatiga torsional

12.1. EJEMPLOS DE FALLAS EN EJES 223

Figura 12.4: Acero de herramientas A6 de eje sometido a flexion fallado porfatiga


Figura 12.5: Superficies de fractura en ejes. (a) y (b) falla por fatiga y (c) y (d)falla por corte torsional

Figura 12.6: Bomba de combustible que fallo por vibracion y abrasion

12.1. EJEMPLOS DE FALLAS EN EJES 225

Figura 12.7: Eje de acero de un compresor fracturado con origen en base delchavetero


Figura 12.8: Eje (acero 4140) de una maquina textil fracturado por fatiga

Figura 12.9: Fracturas generadas por soldadura

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Análisis y Prevención de Fallas en Equipos Industriales

Engineering

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