Libro Análisis y Prevención de Fallas en Ingeniería Mecánica

7/22/2019 Libro Anlisis y Prevencin de Fallas en Ingeniera Mecnica

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541421: ANALISIS DE FALLAS ENEQUIPOS INDUSTRIALES

GABRIEL BARRIENTOS RIOS

MARIO RAZETO MIGLIARO

DEPARTAMENTO INGENIERIA MECANICA

Marzo 2014


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Indice general

1. Introduccion 9

1.1. Ob jetivos 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 17

2.1. 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 27

3.1. Aspectos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.1. Mecanismos basicos de fractura . . . . . . . . . . . . . . . 273.1.2. Influencia del estado de tensiones en el tipo de fractura . 283.1.3. Fractura en barras cilndricas sometidas a traccion . . . . 30

3.2. Fractura de barras cilndricas sometidas a Torsion . . . . . . . . 303.3. Teoras de falla a la fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4. Teora del Esfuerzo de Corte Maximo . . . . . . . . . . . . . . . . 313.5. Teora de Energa de Distorsion Maxima . . . . . . . . . . . . . . 33

3.5.1. Teora del Esfuerzo Normal Maximo . . . . . . . . . . . . 333.6. Teoras 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 . . . . . . . 38

3.6.6. Resistencia a la fatiga y curva S-N . . . . . . . . . . . . . 413.6.7. Factor de superficieCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6.8. Factor de CargaCc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6.9. Factor de TamanoCt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.6.10. Efectos de la Concentracion de Esfuerzos en el Lmite de

FatigaKf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

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4 INDICE GENERAL

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

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

4. Metodologa del Analisis de Falla 55

4.1. 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 qumico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 73

5.1. Ensayos Destructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.1.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.1.2. Ensayos mecanicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.2. Ensayos no destructivos END . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.2.1. Inspeccion con lquidos penetrantes . . . . . . . . . . . . . 775.2.2. Inspeccion con partculas magneticas. . . . . . . . . . . . 795.2.3. Inspeccion por ultrasonido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.2.4. Ventajas del Ultrasonido Industrial . . . . . . . . . . . . . 825.2.5. Inspeccion por radiografas . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.2.6. Analisis de vibraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.2.7. Termografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.2.8. Inspeccion por Emision Acustica . . . . . . . . . . . . . . 855.2.9. Ferrografa directa (conteo de partculas) . . . . . . . . . 865.2.10. Espectrofotometra de absorcion atomica (deteccion de el-

ementos presentes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.11. Ferrografa analtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.2.12. Composicion de partculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6. Identificacion de Tipos de Fallas 91

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


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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 tubera . . . . . . . . . . . . . . . 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 ra p i d o . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 7

I Aplicaciones industriales 119

7. Uniones Apernadas 123

7.1. 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 137

8.1. Definiciones basicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1378.2. Vida util de un rodamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

8.3. Formula de vida nominal ajustada . . . . . . . . . . . . . . . . . 1398.4. Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1428.4.1. Causas mas comunes de falla . . . . . . . . . . . . . . . . 1428.4.2. Ejemplos graficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

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


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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 f allas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

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

9.8. Analisis de fallas existentes en engranajes . . . . . . . . . . . . . 1679.9. Clasificacion de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

9.10. Estadsticas 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1829.12.5. 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 transmisi on 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


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INDICE GENERAL 7

11.SOLDADURA 207

11.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

11.2. Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20711.3. Inclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21111.4. Discontinuidades geometricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21311.5. Radiografas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

12.Ejes 221

12.1. Ejemplos de fallas en ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221


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8 INDICE GENERAL


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Captulo 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 qumica

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 tubera producido por problemasde operacion.

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10 CAPITULO 1. INTRODUCCION

Figura 1.1: Incendio en horno de industria Petroqumica


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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 tubera 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 tubera, asociado a altos esfuerzos debido a desnivelde fondo marino.

Figura 1.2: Derrame de petroleo al mar


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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


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Falla en Reductor de Turbogenerador

En una de las lneas 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 energa

Lo anterior incluye tambien la compra de energa 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 un

avion 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.


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Figura 1.4: Reductor de industria celulosa


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Figura 1.5: Accidente aereo


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Figura 1.6: Viga principal de puente con grieta visible


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Captulo 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 act uan 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

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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= I

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

El concepto de potencia P esta dado por la relacion:

P=T

dondeTes el torque aplicado y 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.


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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 Fy para el alargamiento L medido con algun instrumentode precision como un micrometro. Esto permite determinar la deformacion :

=L L0

L0

y el esfuerzo ingenieril :

= FA

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


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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 caractersticas de una curva esfuerzo deformacion, b) For-ma en que se puede determinar el punto de fluencia cuando no se encuentraclaramente definido


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


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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


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


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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


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


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Figura 2.11: Deflexion y rigidez en vigas de seccion circular


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Captulo 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 operacioniii) 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 propagaci on 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 crtico de la fuerza cohesiva queal esfuerzo de corte crtico 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)

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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 orientaci ono 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).


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3.1. ASPECTOS GENERALES 29

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


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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 el

tipo 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 cilndricas 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 deformaci on impuesta.Las grietas se propagan a la superficie por los planos de corte m aximos queestan a 45o, configurandose una superficie conica caracterstica llamada copa de

fractura.

Estos procesos de fractura se muestran en la figura 3.3

3.2. Fractura de barras cilndricas 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 45 o

se producen esfuerzos normales de traccion y compresion maximos. Segun lascaractersticas 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


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3.3. TEORIAS DE FALLA A LA FLUENCIA 31

Figura 3.3: Fracturas de barras cilndricas sometidas a traccion

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

3.3. Teoras de falla a la fluencia

En numerosos casos de elementos de maquinas, estructuras, tuberas o es-tanques, el estado de esfuerzo y deformacion en puntos crticos puede ser muycomplejo. En estos casos se dispone de las formulas para determinar los esfuer-

zos principales en los diferentes puntos crticos, 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 especfico a resolver. Enmateriales ductiles se utilizan principalmente los criterios de esfuerzo de cortemaximo y de energa 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 d uctiles y fragiles respectivamente.Estos criterios consideran que un elemento falla cuando se alcanza la fluenciaen algun punto de una pieza.

3.4. Teora del Esfuerzo de Corte Maximo

Esta teora 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 teora dice que siempre que se alcance uncierto valor crtico 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


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Figura 3.4: Fracturas presentadas en torsion de barra cilndrica


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3.5. TEORIA DE ENERGIA DE DISTORSION MAXIMA 33

simple del material, por lo tanto se cumple :

max =| 12 |= 0

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 | 1 |= 0 y | 2 |= 0, ya que3 = 0 es el mayor o el menor de los esfuerzos principales.Para el segundo caso se debe cumplir | (1 2)/2 |= 0/2, ya que 3 = 0no 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. Teora de Energa de Distorsion Maxima

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

combinadas con la energa de distorsion elastica maxima en traccion simple seobtiene la ley basica para la fluencia de un material :

(1 2)2 + (2 3)

2 + (3 1)2 = 20

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 teora 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 energa de distorsion maxima.

3.5.1. Teora del Esfuerzo Normal Maximo

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


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Figura 3.5: (a)Criterio de falla basado en el esfuerzo de corte m aximo, (b) Cri-terio de von Mises, basado en la energa 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. Teoras 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 lmite 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


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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 n umerode 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 n umero de ciclos, normal-

mente presenta una forma caracterstica, con dos zonas claramente definidas:una zona lisa y brillante, con l neas 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 tpicos 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 fatigaEn 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.


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

Figura 3.8: Modelos de cargas variables


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La apariencia caracterstica de una superficie danada por fractura se puedevisualiza en la figura 3.9. Los puntos donde se inicia la fractura normalmente

estan 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:

Anomalas metalurgicas, inclusiones, quemaduras y otras.

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

Anomalas qumicas, corrosion, oxidacion y otros.

En ausencia de uno de estos focos, tal como sera el caso de superficies pulidasde metales ductiles, sin defectos metalurgicos superficiales, el inicio de la grieta

se explica como un dano permanente y acumulativo en la microestructura otopografa 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 lneas 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.


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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 lmite 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 cargascclicas 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


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

Figura 3.12: Esfuerzos en flexion


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Entallas y concentradores de esfuerzos: estas singularidades o discontinui-dades producen aumentos localizados de los esfuerzos, lo que es equivalente

a 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 cclicos 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 intrnseca 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 bilogartmico, 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 resistir

un numero infinito de ciclos si los esfuerzos estan bajo un cierto valor lmite.Para un esfuerzo completamente invertido, este valor lmite recibe el nombre delmite de resistencia a la fatiga (lmite de endurancia).

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

Sn = 0,5Sr

En el caso de metales como el aluminio y otras aleaciones no ferrosas, no existeun lmite 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)


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

Figura 3.14: Factor de terminacion superficial


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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 flexi onrotativa, todos los puntos de la superficie van tomando el m aximo valorde esfuerzo, mientras que en el caso de flexion invertida, solo los puntosde la superficie mas alejados de la lnea neutra toman el maximo valor deesfuerzo.

Para un material ideal perfectamente homogeneo, el lmite de fatiga enlos dos casos debera ser el mismo, sin embargo, para materiales realessometidos a carga de flexion invertida, se debera 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 maxCc = 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 teoras 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 lmite 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.


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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 equivalentede.

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

Las discontinuidades de una pieza, ya sean geometricas o de estructuradel material producen aumentos localizados de esfuerzos. La teora 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 mayora 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 tpico de factores de concentracion de esfuerzosteorico para un eje cilndrico con variacion de diametro y distintos diametros defondo.


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3.7. FACTOR DE CONCENTRACION DE ESFUERZOS DE FATIGA KF45

Figura 3.16: Grafico tpico 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, Kftambien tiende a ser igual aKt 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

Dondeqes 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.


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(b)

Figura 3.17: Teoras de falla por fatiga

3.8. Diferentes teoras de la resistencias la fatiga

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

La figura 3.19 muestra una superficie tpica 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 fotografa. La parte b) muestra las marcas de playa con muyalta ampliacion (x 1000), estras 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 lmites de gramo, luegoesta traspasa los lmites 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 una

magnitud de algunos milmetros, 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


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3.8. DIFERENTES TEORIAS DE LA RESISTENCIAS LA FATIGA 47

Figura 3.18: Formulas basicas usadas en teora de fatiga

Figura 3.19: Macrografa y micrografa de una falla por fatiga


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Figura 3.20: Formacion de una grieta


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Figura 3.21: Porcentaje de vida a la fatiga


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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:

max = Esfuerzo maximo

min = Esfuerzo mnimo

m = max+min

2 = Esfuerzo medio

a = maxmin

2 = Esfuerzo alterno


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


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Esfuerzo Fluctuante = m+ a

La figura 3.24 representa las definiciones dadas. Cuando se esta en presenciade diferentes tipos de esfuerzos fluctuantes diversas teoras permiten estudiar elproblema siendo en la actualidad una de las mas utilizadas la teora 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 diagramam vs a. La nube de puntos representa

resultados 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 lnea 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 mni-mamente la resistencia a la fatiga, mientras no se excedan los esfuerzos defluencia o de ruptura.


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Figura 3.25: Teoras de diseno usadas en fatiga


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Captulo 4

Metodologa 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: Sntomas que evidencian la presencia de fallas

Causa: Hecho efectivo que indujo a que la falla se produjeraMecanismo 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 en

el proceso, donde se considera:

1. Identificacion. Describe la situacion, define la deficiencia en terminos de lossntomas 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.

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56 CAPITULO 4. METODOLOGIA DEL ANALISIS DE FALLA

Figura 4.1: Resolucion de un problema de fallas

2. Determinacion de la causa Raz. Analisis del problema para identificar lacausa raz 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 de

las 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 perodos mas o menos definidos: Fallas iniciales (despues dela instalacion del equipo), fallas intrnsecas 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.


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4.3. ETAPAS DE UN ANALISIS DE FALLAS 57

Figura 4.2: Distribucion tpica 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 mnimas 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 caractersticas 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 situlo antes posible. De modo de no danarevidencias

4. Inspeccion Visual y seleccion de muestras representativas


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5. Mediciones e Inspecciones con metodos no destructivos a la parte fallada.Medicion de otros parametros f sicos y qumicos

6. Envo 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 alejadas

de esta

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

12. Microscopa 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 garantas, planos


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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,caractersticas 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 tpico 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. As la falla puede ser guia-da directa o indirectamente al no cumplimiento de algun procedimiento


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prescrito. La parcialidad en la informacion puede ser revelada por otrostestimonios o por datos de ensayos. Lo importante es que el investigador

debe 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


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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 caractersticas metalograficas del material, por consiguiente una evaluacionmetalografica permitira en muchos casos determinar la causa exacta de la falla.


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Figura 4.7: superficie de analisis sin ataque qumico

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


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4.4. EJEMPLO DE PAUTA DE INVESTIGACION 63

4.3.5. Analisis qumico

El analisis qumico es utilizado para determinar la composicion qumica delos materiales, permitiendo determinar si se ha producido algun cambio en lacomposicion qumica 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 varan 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 dano

en 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 m as diversos tipos y es presentadaen una seccion aparte.

4.3.8. Planteamiento de hipotesis

Finalmente una vez recopilada toda la informacion se debe generar una

hipotesis de falla, determinando la causa raz 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.


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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) Lquidos penetrantes

3) Ultrasonido

c) Medidas de dureza

1) Macroscopica

2) Microscopica.

d) Analisis qumico

1) Espectrografico.

2) Ensayos puntuales.

3. Ensayos destructivos.

a) Metalograficos.

1) Macroscopico

2) MicroscopicoEstructura

Tamano de grano

Microdureza

b) Ensayos mecanicos


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4.5. EJEMPLO DE CUESTIONARIO DE INVESTIGACION 65

Traccion

Impacto

Tenacidad a la fractura

Especiales.

c) Ensayos de corrosion.

d) Analisis qumicos 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 operaci on 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 avera10. Nombre del equipo o sistema averiado.11. Descripcion de las funciones que cumple en el proceso.12. En que parte del mismo ocurrio la avera.13. Relate como ocurrio la avera.14. Es la primera vez en la historia del equipo o sistema que falla as.15. Si hubo otras veces, indique cuantas.16. Aporte todos los datos de las averas anteriores (Estudios, ensayos, doc-

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

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

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

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


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23. Tipo y caractersticas 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 servicio

26. Tipo de servicio: continuo, intermitente.27. Clase de servicio: provision de vapor, refrigeracion, bombeo de acidos, al-

imentacion a caldera, lodos qumicos, 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 cclicos.33. Frecuencia de las mismas.34. Ciclos de calentamiento y enfriamiento por da (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, lquido contenido o transportado. Composicion qumi-

ca o pureza.44. Existen las fases lquidas 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).


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


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


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Figura 4.11: Distribucion tpica de fallas en el tiempo


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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


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


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


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Captulo 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 fsicos directos que alteran de forma

permanente las propiedades fsicas, qumicas, mecanicas o dimensionales de unmaterial, parte o componente sujeto a inspeccion.

Este tipo de pruebas siempre ha sido necesario para comprobar si las car-actersticas 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 seran destruidos y perderan 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. As 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.

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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 de

comportamiento 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 .

G= 2E

1

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 bien

verificar 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 7m/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


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5.1. ENSAYOS DESTRUCTIVOS 75

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

de 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 oJoule/cm2)

En cada uno de los ensayos se obtendra el valor de energa 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


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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 teora 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. As 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 fsicos indi-rectos, como es la transmision del sonido, la opacidad al paso de la radiaci on,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 fsicas 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 fsicas, qumicas, 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 (nombre

mas 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


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5.2. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS END 77

5.2.1. Inspeccion con lquidos penetrantes

La inspeccion por Lquidos 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 lquidos.En terminos generales, esta prueba consiste en aplicar un lquido 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 lquido 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 especfica.

Requisitos de la Inspeccion por Lquidos Penetrantes

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

1. Es muy importante definir las caractersticas 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 sera el caso de unaunion soldada o una pieza fundida, se debe emplear un penetrante lquidoremovible 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 nquel (monel),entonces los penetrantes deberan tener un control muy rgido de contam-inantes, como son los compuestos halogenados (derivados del fluor, cloro,bromo, iodo) o de azufre (sulfatos o sulfuros), ya que si quedan residuos

de 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 companas (Beli, Pran and Whitney o GE), los lquidos deben ser de


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los proveedores de las listas de proveedores aprobados o confiables publi-cados por ellos. En caso necesario, se solicitara al proveedor una lista de

que normas, codigos o especificaciones de companas 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 Lquidos Penetrantes son amplias y por su gran ver-satilidad se utilizan desde la inspeccion de piezas crticas, 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 electroqumicos, 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 Lquidos Penetrantes

La inspeccion por Lquidos 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.


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5.2. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS END 79

Limitaciones Generales de los Lquidos Penetrantes

Solo son aplicables a defectos superficiales y a materiales no porosos.Se requiere de una buena limpieza previa a la inspecci on.

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 difcil quitarlo de roscas, ranuras, huecos es

Libro Análisis y Prevención de Fallas en Ingeniería Mecánica

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