5.3.
Pieza C
La pieza C corresponde a una flecha o eje usado en la caja de direcci´on de tipo cremallera de alg´un veh´ıculo (Rack shaft steering gear) el cual se desconoce, dicha pieza no presenta signos de fractura o deformaci´on alguna por ende se puede decir que no fallo, pero presenta signos de inicio hacia una falla futura “La falla no siempre implica fractura o ruptura” [2]. Se describe el componente de izquierda a derecha tal como se observa en la figura 5-7. C1 es una secci´on de rosca con 9 hilos muy delgados cuyo di´ametro externo es de∅ 1.2 cm
±0,1 mm y una extensi´on de 1.8 cm ±0,1 mm, su color es un gris opaco sin ning´un tipo de da˜no superficial. C2 corresponde a la parte del eje sin presencia de da˜nos que ayuda a la comparaci´on con la falla, su di´ametro es de ∅ 2.0 cm ±0,1 mm y su coloraci´on original se extiende hasta 25.7 cm ±0,1 mm, no se observan ning´un tipo de desgaste o grieta alguna. C4 es otra secci´on roscada de 9 hilos de di´ametro externo∅ 1.2 cm±0,1 mm y 1.8 cm±0,1 mm de largo, donde no se detallan fallos.
Figura 5-7: Pieza C - Eje cremallera de la caja de direcci´on.
Por ultimo C3 a comparaci´on de C2 presenta una coloraci´on muy distinta, esta es m´as oscura y con rastros de un calentamiento excesivo aplicado a la flecha, su di´ametro es igual al de la secci´on C2, es decir no luce alg´un tipo de adelgazamiento, presenta una cremallera para engrane de 28 dientes con case helicoidal recubierto con una muy fina capa de grasa lubricante, su extensi´on es de 16.0 cm±0,1 mm , la coloraci´on se extiende 19.3 cm±0,1 mm desde su origen hasta el final, figura 5-8, dicha coloraci´on se esparce aproximadamente 3/4 de la circunferencia total del eje como se observa en la figura5-8creando la posibilidad que la falla se debido al sobrecalentamiento localizado en un per´ıodo de tiempo relativamente corto [35]. Se interpreta que esta falla se debe a un sobrecalentamiento, por ende no se define con exactitud que modo de falla podr´ıa haberse desencadenado durante un tiempo prolongado de uso en este eje, la detecci´on temprana de este fallo logro evitar otro tipo desastre para el sistema al cual perteneci´o este elemento, pero los factores de exposici´on afrontados por este componente afectaron su vida de operaci´on.
En la figura 5-9 se aprecia m´as de cerca c´omo se da el cambio de color en la superficie de fallo, presentando distintas tonalidades sobre el ´area del elemento.
38 5 Inspecci´on Visual
Figura 5-8: Secci´on C3 - Inicio y final de la falla.
6 Ensayos de dureza Rockwell
La ejecuci´on de los ensayos de dureza Rockwell en los componentes mec´anicos para el an´alisis de falla, tiene como fin determinar si los fallos han causado cambios en las durezas super- ficiales en distintas zonas internas y externas de cada elemento, as´ı interpreta la posible propagaci´on del fallo y como estos cambios han afectado la resistencia del material a los esfuerzos sometidos bajo operaci´on, por ende la provocaci´on del fallo total o parcial del ele- mento.
Los ensayos han sido realizados con el dur´ometro marca Brooks Inspection Equipment con una carga principal 150 kg, posee el n´umero de activo fijo 16500 (23580) del laboratorio de ensayo de materiales de la Fundaci´on Universitaria Los Libertadores figura 6-1(a). Dicho instrumento antes de ser usado en cada prueba, se ha verificado su calibraci´on usando el patr´on base de 61,8 HRC figura6-1(b) para ello se corrobora resultados al medir su respec- tiva dureza como se aprecia en la figura6-1(c), basado en ello, se concluye que los resultados obtenidos durante todo su uso son correctos y verificables en cualquier momento. La pr´acti- ca internacional recomendada para el procedimiento de las pruebas de dureza en la cual se apoyo este estudio fue ASTM E 18-15 - Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials [4].
(a) Dur´ometro Rock- well.
(b) Patr´on base de 61,8 HRC. (c) Lectura en el dur´ometro de 61,8 HRC en la dureza del patr´on.
40 6 Ensayos de dureza Rockwell
6.1.
Pieza A
Para realizar las pruebas de dureza, primero se ha realizado un corte transversal en el lugar de la falla (secci´on A5 - ver figura 5-1), con ayuda de una tronzadora como se observa en la figura 6-2 (a), con el fin de obtener la probeta figura 6-2 (b), en la cual se realizara las penetraciones y obtener mediciones de dureza.
(a) Corte de la probeta. (b) Probeta pieza A. (c) Indentaciones en distintos puntos de la probeta.
Figura 6-2: Obtenci´on y ensayo de dureza en probeta de la pieza A.
Realizado los ensayos de dureza en 7 puntos distintos de la probeta, como se observa en la figura 6-2(c), en la cual se indica tambi´en el orden de ejecuci´on de las penetraciones, se ha limado la punta de la probeta para no tener problemas en mediciones, los resultados obtenidos se registran en la tabla6-1.
Punto de penetraci´on 1 2 3 4 5 6 7 Dureza (HRC) ±1 Probeta pieza A 20 20 20 28 26 26 26
6.2 Pieza B 41
6.2.
Pieza B
Para realizar las pruebas de dureza, primero se ha realizado un corte transversal en el lugar de la falla con ayuda de una tronzadora como se observa en la figura 6-3 (a), con el fin de obtener la probeta figura 6-3 (b, c), en la cual se realizara las penetraciones y obtener mediciones de dureza para esta secci´on de la pieza B.
(a) Corte de la probeta. (b) Vista frontal del corte probe- ta A.
(c) Vista superior del corte.
Figura 6-3: Obtenci´on de la probeta para an´alisis de dureza en la pieza B.
Una vez realizado los ensayos de dureza en 10 puntos distintos de la probeta A, como se observa en la figura 6-4 (a), en la cual se indica tambi´en el orden de ejecuci´on de las penetraciones, los resultados obtenidos se registran en la tabla6-2. Adicional se realiza una fotograf´ıa a 10X de la primer medici´on para identificar como se debe observar una correcta indentaci´on del dur´ometro figura 6-4 (b).
(a) Indentaciones en distintos pun- tos de la probeta A.
(b) Huella de primer penetraci´on vista a 10X.
42 6 Ensayos de dureza Rockwell
El objetivo es comparar las durezas anteriormente encontradas contra las durezas cerca de la superficie del fallo, es decir muy cerca de la cresta del contacto hipoidal, para ello se realiza un corte longitudinal aproximadamente en la mitad de la probeta A figura6-5(a, b), con el fin de registrar lecturas correctas en el dur´ometro, se hace un limado superficial del contacto hipoidal y se toman datos de dureza en esta cara obteniendo la probeta B figura
6-5(c), las cifras encontradas se describen en la tabla 6-2. Comparando los resultados de las mediciones de dureza hechas en el primer corte, cambiaron respecto a las tomadas en el segundo, la primera superficie presenta durezas fluctuantes en valores de 19 a 25 HRC, mientras que las durezas cerca a la superficie de contacto de falla, revela durezas de 14 a 15 HRC. Posiblemente este cambio en las durezas se deba a la relaci´on entre el desgaste y el sobrecalentamiento.
Punto de penetraci´on 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Dureza (HRC)±1 Probeta A 19 19 19 25 22 22 20 20 21 28 Probeta B 14 15 15 14 14 14 - - - -
Tabla 6-2: Mediciones de dureza probetas pieza B.
(a) Vista frontal del segundo cor- te.
(b) Vista superior del segundo corte.
(c) A la izquierda probeta B y medi- ciones de dureza cerca a la cresta de los dientes.
6.3 Pieza C 43
6.3.
Pieza C
Para la pieza C se realizaron cortes con la tronzadora, obteniendo de la pieza original 2 probetas figura 6-6 (a). La probeta A es parte de la cremallera que se extrae de la secci´on C3 del eje (ver figura 5-7), donde se ve afectado en su totalidad por la falla, en una de las caras de esta probeta se hace mediciones de dureza en las zonas afectadas por la extra˜na coloraci´on, con el fin de definir si estas difieren o no a las que se puedan medir en la probeta B, perteneciente a la secci´on C1 no afectada (ver figura 5-7).
(a) Probetas pieza C. (b) Mediciones de dureza Probeta A zona afectada por la falla.
(c) Mediciones de dureza Probeta B zona no afectada por la falla.
Figura 6-6: Probetas pieza C.
En la cara m´as pr´oxima al inicio de la falla de la probeta A, se realizan 13 mediciones de dureza en el orden que se especifica en la figura 6-6 (b), de estos se obtienen los resultados presentados en la tabla6-3donde se aprecian durezas homog´eneas en los puntos de medici´on de 19 a 22 HRC. De la probeta B se realizan 9 mediciones en el orden que se aprecia en al figura 6-6 (c), cuyos datos se aprecian en la tabla 6-3 se analiza que las mediciones m´as externas (puntos 3, 5, 9) posee los datos con mayores durezas de all´ı decrecen estos resultados hacia al centro de la probeta.
Punto de penetraci´on 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Dureza (HRC)±1 Probeta A 15 19 22 19 19 22 21 21 17 20 21 18 18 Probeta B 22 19 27 20 28 20 22 22 26 - - - -
7 An´alisis Metalogr´afico
La elaboraci´on del an´alisis microsc´opico o metalogr´afico en los componentes mec´anicos para el an´alisis de falla, tiene como fin observar cambios de composici´on y microestructura en distintas zonas internas de cada elemento, con ello se interpreta los cambios y como estos han afectado la resistencia del material, por ende la provocaci´on del fallo total o parcial del elemento. La elaboraci´on de este an´alisis se apoyado en normatividad internacional ASTM E 3-01 Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens [3] y ASTM E 340-00 Standard Test Method for Macroetching Metals and Alloys [6].
Los ensayos han sido efectuados con ayuda de distintos instrumentos y materiales los cuales fueron usados y suministrados por el laboratorio de ensayo de materiales de la Fundaci´on Universitaria Los Libertadores. Los instrumentos y materiales usados fueron: Microscopio metalogr´afico invertido OLYMPUS GX 41 con n´umero de activo 16498-167-1 (a), m´aquina de pulido / lacado metalogr´afico con n´umero de activo 25143 7-1 (c), alumina u oxido de aluminio, lijas con tama˜no de grano 240, 280, 400, 600 y 1000, pa˜nos de pulido y ´acido n´ıtrico al 3 %. En el registro de los an´alisis en las piezas, se implementa unas marcas enumeradas sobre la superficie no pulida a espejo de las probetas, esto se realiza para tener una noci´on de los puntos estudiados, se hacen las marca en la zona no pulida ya que los lentes del microscopio se encuentran en la parte inferior de este figura 7-1 (b), por ello se pone la probeta de forma que la superficie pulida repose sobre la base el mismo.
(a) Microscopio OLYMPUS GX 41.
(b) Lente del microscopio, se˜nali- zaci´on del punto de observaci´on de las probetas.
(c) M´aquina de pulido.
7.1 Pieza A 45
7.1.
Pieza A
Metalograf´ıa pieza A
(a) Superficie pulida a es- pejo pieza A. (b) Puntos de observaci´on al reverso de la probeta. (c) 1. (d) 2. (e) 3. (f) 4. (g) 5.
46 7 An´alisis Metalogr´afico
7.2.
Pieza B
Fractograf´ıa de la superficie pieza B
Inspeccionando visualmente se indic´o que la falla en el componente B se debi´o al desgaste, por ello se decide observar la superficie afectada en una de las probetas cortadas (ver figura
6-5(a)), este an´alisis fractogr´afico evidencia fen´omenos de desprendimiento, pulido y varias irregularidades superficiales tipicas de este modo de fallo, tal como se observa en las figuras
7-3[15].
(a) Posici´on de probeta para visualiza- ci´on.
(b) Desprendimientos estructurales en- contrados.
(c) Pulido superficial. (d) Superficies irregulares provocan desenfoques ´opticos.
7.2 Pieza B 47
Metalograf´ıa pieza B
(a) Superficie pulida a es- pejo pieza B. (b) Puntos de observaci´on al reverso de la probeta. (c) 1. (d) 2. (e) 3. (f) 4. (g) 5.
48 7 An´alisis Metalogr´afico
7.3.
Pieza C
Metalograf´ıa probeta A - zona de fallo
(a) Superficie pulida a es- pejo probeta con falla pie- za C. (b) Puntos de observaci´on al reverso de la probeta. (c) 1. (d) 2. (e) 3. (f) 4. (g) 5.
7.3 Pieza C 49
Metalograf´ıa probeta B - zona sin falla
(a) Superficie pulida a es- pejo probeta sin falla pie- za C. (b) Puntos de observaci´on al reverso de la probeta. (c) 1. (d) 2. (e) 3. (f) 4. (g) 5.
8 An´alisis de falla - RCA
An´alisis de falla - RCA
Se presenta a continuaci´on todas las conclusiones del an´alisis de falla y RCA de los tres componentes mec´anicos estudiados, basado en lo encontrado durante la realizaci´on de la inspecci´on visual, an´alisis de dureza y an´alisis metalogr´afico, tambi´en se da un concepto t´ecnico de lo que puedo haber ocurrido durante el fallo emitiendo una probable causa ra´ız, as´ı como unas recomendaciones para evitar que un fallo similar se presente. Debido a que solo se conoce como tal las piezas y no se dispus´o del sistema total al cual pertenecieron, se emite un concepto basado en la evidencia tangible que se obtuvo de la pieza.
Pieza A
La microestructura observada en el centro de la probeta (figura 7-2 (c)), presenta una ordenaci´on m´as homog´enea, mientras los puntos exteriores denominados 2, 3, 4 y 5 figura 7- 2(d, e, f, g), presentan martensita revenida (estructura acicular) menos homog´enea. Esto es coherente con la observaci´on del cambio de coloraci´on en la periferia del eje figura5-2- A5.3, en la cual incluso se encuentra material de aporte, producto de la uni´on por soldadura al cual fue sometido. En general se observa que la zona afectada por el calor, se distribuy´o sobre la circunferencia del eje, mientras que el n´ucleo permaneci´o estable. Este calentamiento a corto plazo indujo a la migraci´on de carbono hacia las zonas perif´ericas, generando una estructura martensitica m´as dura pero m´as fr´agil, lo cual incit´o la falla superficial que concluy´o con la ruptura total del eje. En resumen es complejo determinar la falla primaria por la cual la persona encargada de reparar este elemento emple´o soldadura para solucionarlo, pero el calentamiento generado durante este proceso empeoro la situaci´on de la pieza e indujo a la falla total del eje.
Recomendaciones
Debido a que la causa ra´ız del fallo en este eje fue provocada por el sobrecalentamiento inducido por un proceso de soldadura aplicado sobre la pieza previo a otro fallo, se recomienda no utilizar este tipo de proceso de uni´on de piezas para este componente ya que los esfuerzos aplicados en la soldadura durante el funcionamiento de la pieza no pueden ser soportables por la uni´on, desencadenando un fallo m´as grave. Por ello se debe reemplazar el elemento y no reutilizarlo.
51
Pieza B
En el an´alisis de la microestructura de la pieza B, se observa una distribuci´on de grano fino en las fotograf´ıas concernientes a la periferia (puntos 4 y 5 ver figura 7-4 (f, g)), lo cual va acorde con las mayores mediciones de dureza encontradas en las zonas exteriores de la secci´on transversal. As´ı mismo, la presencia de grano fino indica el desarrollo de deformaci´on pl´astica en caliente en las localidades cercanas a la porci´on de dientes desgastados, lo cual es consecuente con el desgaste observado en dichas locaciones. La inspecci´on visual indica un desgaste de tipo adhesivo el cual se encuentra normalmente acompa˜nado de calentamiento y desvanecimiento del desgaste hacia las zonas longitudinales m´as externas de los dientes. En resumen esta pieza fue sometida a calentamiento lo cual genero el desgaste de tipo adhesivo en la zona B4.2 detallada en la figura 5-5. El motivo de este calentamiento probablemente es producto de falta de lubricaci´on y el contacto entre metales durante el funcionamiento de la pieza lo cual es evidente en el cambio de coloraci´on azul de la superficie del acero; esta coloraci´on tambi´en es encontrada durante el maquinado a velocidades altas de aceros hipo- eutectoides. El an´alisis de la causa ra´ız puede haber ocurrido por las razones argumentadas en el diagrama de los cinco porque? empleada en la figura 8-1.
Figura 8-1: An´alisis de causa ra´ız para la pieza B.
Recomendaciones
Debido a que la causa ra´ız del fallo en este eje fue provocada por la falta de lubricaci´on por falla del ret´en que controla el paso del lubricante, se recomienda prestar la debida atenci´on en los montajes de estas piezas, tambien la calidad del lubricante, recomendando el uso de lubricantes pon aditivos EP que reducen la posibilidad de desgaste adhesivo y una correcta aplicaci´on del mismo previo al ensamble [26, 34].
52 8 An´alisis de falla - RCA
Pieza C
En las mediciones de dureza para la pieza C, se encuentra que la probeta A, presenta ca- lentamiento superficial, lo que genero durezas homog´eneas que sugieren un calentamiento uniforme y prolongado de la pieza durante el servicio. Por su parte la probeta B presenta valores de dureza mayores en localidades cercanas a la periferia (puntos 3, 5, 9 ver figura
6-6(c)), lo que indica que el calentamiento alejado de la zona dentada fue sujeto a una menor raz´on de calentamiento. Adem´as el an´alisis metalogr´afico indica una distribuci´on homog´enea en la probeta A, de granos perliticos en una matriz ferritica (ver figura7-5(c, e, f)), conse- cuente con los valores de dureza. A su vez la probeta B sin falla presenta diferenciaci´on en la microestructura encontrada en la periferia respecto al n´ucleo del eje, esto es un indicio de que el n´ucleo de la pieza alejada del calentamiento permaneci´o en su estado original figura
7-6(c), es decir la pieza presenta un endurecimiento superficial con el fin de disminuir el desgaste durante el servicio. En resumen esta pieza fue sujeta a calentamiento a corto plazo en la zona dentada y una distribuci´on no homog´enea de la transferencia de calor a lo lar- go de la pieza lo cual motivo a un cambio en la microestructura en la zona afectada. Este calentamiento puede ser producto de la reducci´on o ausencia de una capa lubricante que produjo un mayor contacto entre metales durante el funcionamiento lo cual se evidencia con la coloraci´on. El an´alisis de la causa ra´ız puede haber ocurrido por las razones argumentadas en la espina de pescado empleada en la figura8-2.
53
Recomendaciones
Durante el montaje de esta pieza mec´anica se debe aplicar una correcta cantidad de grasa o aceite dependiendo a las recomendaciones del fabricante que evite el contacto metal a metal entre la cremallera (ver figura 5-7) y el pi˜n´on heliciodal en la v´alvula de la caja de direcci´on [21, 22, 38]. ASTM D4950 Classification and Specifications for Automotive Service Greases recomienda para componentes de chasis en autom´oviles de pasajeros, camiones y otros veh´ıculos de uso leve (clasificaci´on LA) y uso severo (clasificaci´on LB) usar grasas de clasificaci´on NLGI 2, por ende se sugiere usar grasas semi-s´olidas de base de litio muy acep- tables como producto multiusos para requisitos de automoci´on, cuyo r´egimen de lubricaci´on soporta altas temperaturas de trabajo as´ı como otros requerimientos, tambi´en recomienda intervalos de re lubricaci´on de 3200 km ya que en este periodo de tiempo la grasa puede perder sus propiedades y conllevar a su degradaci´on [5, 12, 24].
9 Conclusiones
El an´alisis de falla permite comprender las condiciones de trabajo a las cuales fueron sometidos componentes mec´anicos con fallas y como la composici´on, el procesamiento, la estructura y las propiedades definen el rendimiento de los materiales ocasionando que estos no cumplan los requerimientos previamente esperados. A su vez es una herra- mienta de an´alisis que busca mejoras en aspectos tales como selecci´on de materiales,