SÍNTESIS DEL ESTUDIO DE LA FALLA.

6.4.1 Análisis Experimentales De Esfuerzos

Esfuerzo

La solución a los problemas de fallas resultantes de piezas sometidas a sobreesfuerzos depende de la determinación de dos factores:

Ciencia de los materiales II M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705 El esfuerzo sobre la pieza y la

resistencia requerida para soportar ese esfuerzo. Dependiendo el tipo de carga y la geometría de la pieza, puede haber esfuerzo simple axial o un sistema complejo de esfuerzos multiaxiales.

El esfuerzo total puede incluir esfuerzos internos residuales originados en la fabricación o tratamiento térmico, así como esfuerzos debidos a cargas externas. Los esfuerzos básicos en una pieza son los normales (aquellos que son perpendiculares al plano de la sección transversal) y los de corte ( aquellos que están en el plano de la sección transversal). Los primeros tienden a producir separación en tanto que los segundos tienden a producir flujo plástico. Se destaco que el máximo esfuerzo cortante se presenta en un ángulo de 45° respecto al esfuerzo tensil que lo inicia. Cuando una pieza esta sometida, se presentara la cedencia cuando el esfuerzo cortante sea mayor que la resistencia a la cedencia por corte; las fracturas dúctiles o de corte se presentaran cuando la resistencia de corte sea vencida por el esfuerzo cortante; y las fracturas frágiles se presentaran cuando la resistencia tensil (cohesiva) sea excedida por el esfuerzo tensil. Los esfuerzos significativos se deben considerar cuando se investiga el modo especifico de falla; por ejemplo, si la falla se debe a una fractura por fatiga en la raíz de un diente de un engrane, el esfuerzo significativo seria el esfuerzo repetido de flexión en ese lugar. El esfuerzo de contacto que actúa sobre la cara del engrane no seria significativo en este caso.

Para una falla por formación de agujeros en la superficie o de tipo desgaste del diente del engrane, lo contrario seria cierto.

Tipos de aplicación de cargas

En muchos casos, el tipo de carga es un factor que contribuye a la falla. Hay esencialmente 5 tipos de cargas: axial, deflexión, torsional, corte directo y contacto. En la aplicación de carga axial, la carga se aplica coincidente con la línea central de la pieza y el esfuerzo es uniforme a través de la sección transversal, como en las barras de ensayo tensiles y cables de soporte. La aplicación de las cargas por flexión se produce por partes de fuerzas coincidentes con la línea central. A través de la sección transversal, el esfuerzo varia desde un máximo en las fibras mas exteriores hasta cero en el eje neutral, como en vigas y la raíz de los dientes del engrane. La aplicación de carga torsional implica la aplicación de un par de fuerzas en un plano normal a la línea centra. El esfuerzo cortante varia desde un máximo a la superficie hasta cero en el eje neutral. Algunos ejemplos de piezas sometidas a cargas aplicadas de corte actual sobre planos paralelos estrechamente espaciados y tiende a mover parte del material respecto al resto, similar a una acción de corte, como en remaches y tornillos. La distribución de esfuerzo cortante es uniforme a través de la sección transversal. Las cargas aplicadas por contacto son comprensivas perpendiculares a dos superficies, combinadas con fuerzas de deslizamiento entre la superficies. La distribución de esfuerzos varía con la profundidad y dirección de la fuerza.

Ciencia de los materiales II M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705 Algunos ejemplo de aplicación de

cargas por contacto son los cojinetes de rodillos y los dientes de engrane. Todos estos tipos de carga inducen esfuerzos normales y de corte, los cuales deben ser balanceados por la resistencia cohesiva y de corte del material. Es posible que haya fracturas por sobre carga cuando la carga aplicada alcance valores excesivos.

Fracturas por fatiga.

Las fallas por fatiga son los tipos mas comunes de fractura de maquinas y probablemente constituye el 90% de toda las fracturas. Tales fracturas se desarrollan después de un gran número de aplicaciones de carga, generalmente a un nivel de esfuerzos inferior a la resistencia de cedencia del material.

Los esfuerzos por fatiga se desarrollan en tres formas principales:

El diagrama superior revela el patrón de esfuerzo bajo la aplicación de una carga invertida, típica de un eje que rota bajo la aplicación de una carga de combado, donde se alterna los esfuerzos de tensión, de compresión o cortante de la misma magnitud. El diagrama de en medio ejemplifica la variación de esfuerzos bajo la aplicación de una carga unidireccional, donde la carga varia desde cero hasta un máximo ya sea en tensión, comprensión o corte, típica de un punzón o los dientes de un engrane.

Las fracturas por fatiga se inician por los esfuerzos cortantes mediante un mecanismo que implica deslizamiento y endurecimiento por trabajo,

formando eventualmente discontinuidades microscópicas que

se desarrollan en fisuras. Una vez que se forma una fisura, su rapidez de crecimiento depende de la magnitud de esfuerzo del gradiente esfuerzo el límite de resistencia de materia, de la sensibilidad de muesca y de la presencia o ausencia e imperfecciones e inclusiones estructurales.

Efecto de las concentraciones localizadas de esfuerzos.

Empieza de maquinaria estructurales, los mayores esfuerzos se presentan mas a menudo en filetes, agujeros e irregulares geométricas similares que concentra e incrementa el esfuerzo superficial. Estos se llaman concentraciones localizadas de esfuerzos.

La mayoría de las concentraciones localizadas de esfuerzos quedan incluidas en uno de los siguientes grupos:

Aquellas producidas por cambios en la geometría de una pieza, como agujeros, cajas de cuña, roscas, escalones a cambio de diámetro en ejes y cabezas de tornillos, etc.

Discontinuidades de la superficie, como muescas, ralladuras, marcas de maquinado, formación de agujeros, corrosión, etc.

Defectos inherentes en el material, como inclusiones no metálicas fisuras pequeñisimas, huecos, etc.

Ciencia de los materiales II M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705 La concentraciones de esfuerzos

primarios son generalmente de grupo, aunque las del segundo y tercer grupo pueden desempeñar papeles relacionados secundarios.

Aun marcas ordinarias de herramienta actúan como muescas que tienen a concentrar esfuerzos, sobre todo la raíz de la muesca. Son especialmente dañinas cuando ocurre en una sección de discontinuidades, como filetes.

Bajo la aplicación de una carga estática, el metal sometido a un gran esfuerzo cede plásticamente en la raíz de una muesca o en la orilla de un agujero, pasando así los esfuerzos altos a otras secciones hasta que ocurre la fractura; sin embargo, bajo fatiga o cargas repetidas, en que el esfuerzo es inferior al limite elástico, la cedencia se localiza mejor y una fisura puede empezar antes de que el patrón de esfuerzo cambie para eliminar la concentración de esfuerzos.

En piezas giratorias de maquinas, el área final de ruptura no esta directamente opuesta al inicio de la fractura, si no que es ligeramente no paralela por el efecto de rotación.

Determinación Del Mecanismo De Fractura En Las Fallas De Materiales El análisis de la falla requiere de una combinación de conocimientos técnicos. Observación meticulosa, labor detectivesca y sentido común. El conocimiento del comportamiento pasado del componente que falla, incluyendo el esfuerzo aplicado, el medio ambiente, la temperatura, la

estructura y las propiedades y los cambios inesperados en cualquiera de estos factores, sirven para identificar en forma más fácil la causa de la falla. El conocimiento de los mecanismos de fractura puede también revelar la causa de la falla.

Fractura dúctil.

La fractura por ductilidad, o dúctil, ocurre normalmente en forma trasngranular (a través de los granos) en los materiales que tienen ductilidad y la tenacidad satisfactorias. A menudo se observa una buena cantidad de deformación, inclusive con estricción, en la componente que falla. La deformación ocurre antes de la fractura final. Las fracturas dúctiles se deben normalmente a sobre cargas simples se deben normalmente a sobrecargas simples o ala aplicación de esfuerzo excesivo en el material. la fractura dúctil en una prueba de tensión simple se inicia con la rucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos en el centro de la muestra. Los micro poros se forman cuando un esfuerzo alto provoca la separación del metal en los límites de grano o interfiere entre el metal y las inclusiones.

La deformación por deslizamiento contribuye también a la fractura dúctil de un metal. Se sabe que el deslizamiento ocurre cuando el esfuerzo cortante resultante alcanza el valor del esfuerzo cortante crítico y que los esfuerzos cortantes son mayores a un ángulo de 45° con él fuerzo de tensión aplicado (ley de Schmid).

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Fractura frágil.

La fractura por fragilidad, o frágil, ocurre en los metales de alta resistencia o en los de bajas ductilidad y tenacidad. Incluso, los metales fallan de modo frágil a bajas temperaturas, en secciones gruesas, con altas proporciones de deformación (como en un impacto). O cuando las rayaduras desempeñan un papel importante. Las fracturas frágiles se observan con frecuencia cuando la falla es causada por un impacto en lugar de una sobre carga. En la fractura frágil se presenta poca o ninguna deformación plástica el inicio de la grieta ocurre normalmente en pequeñas rayaduras que causan una concentración de esfuerzos. La fractura frágil puede identificarse observando las características de la superficie aplicando en una prueba de tracción. Si la falla ocurre por clivaje, cada grano fracturado es plano, orientado diferentemente, y proporciona una apariencia cristalina o de “azúcar cristalina” a la superficie de la fractura.

Otra característica común de la fractura es el patrón galoneado, producida por frentes de grieta separados que se propagan en diferentes niveles en el material.

Factura por fatiga.

Un metal falla por fatiga cuando se aplica un esfuerzo alternante mayor que el límite de resistencia a la fatiga. La fractura ocurre en un proceso de tres pasos que comprende (a) la nucleación de una grieta, (b) la lenta propagación cíclica de la grieta, y (c) la falla catastrófica del metal. Las

grietas nuclean en los sitios de esfuerzo más alto y de menor resistencia local. Normalmente los lugares de nucleación están sobre o cerca de la superficie, donde el esfuerzo es máximo, e incluyen defectos superficiales como rayaduras o picaduras, esquinas agudas debidas a un diseño deficiente o a una impropia fabricación, inclusiones, límites de grano o concentración de dislocaciones.

Las fallas por fatiga son a menudo fáciles de identificar. La superficie de la fractura, en particular cerca del origen, es normalmente tersa. La superficie se hace más áspera conforme crece la grieta y puede volverse finalmente fibrosa durante su fase final de propagación.

Los exámenes microscópicos y macroscópicos revelan una superficie de fractura que incluye un patrón de marcas de playa y estrías. Las marcas de playa se forman normalmente cuando cambia la carga durante el servicio o cuando la carga es intermitente, quizá permitiendo que haya tiempo para la oxidación dentro de la grieta. Las estrías, que ocurren en una escala mucho más fina, pueden mostrar la posición de la punta de la grieta después de cada ciclo. La observación de las marcas de playa sugiere siempre una falla por fatiga; desafortunadamente la ausencia de marcas de playa no descarta la falla por fatiga.

Ciencia de los materiales II M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

Termofluencia y ruptura por esfuerzo.

A temperaturas elevadas, un metal experimenta deformación plástica térmicamente inducida aun cuando el esfuerzo aplicado esté por debajo del punto de fluencia nominal. Las fallas por Termofluencia se define como la deformación o distorsión excesiva de las partes metálicas, incluso si no ha ocurrido la fractura. Las fallas por ruptura por esfuerzos son definidas como la fractura real de la parte metálica. Normalmente, las fracturas de ruptura por esfuerzo del tipo dúctil incluyen la estriación del metal durante la termofluencia y la presencia de muchas fisuras que no tuvieron la posibilidad de producir la fractura final. Incluso, los granos cercanos a la superficie de la fractura tienden a largarse. Las fallas de ruptura por esfuerzos dúctiles son generalmente trasngranulares y ocurren a velocidades de termofluencia altas, tiempos cortos de la ruptura y temperaturas relativamente bajas de exposición.

Las fallas de ruptura por esfuerzo del tipo frágil son normalmente intergranulares, muestran poca estricción y ocurren más frecuentemente a velocidades bajas de termofluencia y temperaturas altas. Se observan granos equiaxiales cerca de la superficie de fractura. La falla frágil ocurre normalmente por la formación de huecos en la intersección de tres limites de grano y la precipitación de huecos adicionales a lo largo de los límites de grano, a través de los procesos de difusión.

Fracturas por esfuerzo y corrosión.

Estas fracturas ocurren a esfuerzos muy por debajo del valor de fluencia del metal, debido al deterioro por un medio corrosivo. Las grietas por corrosión profundas y finas se producen aun cuando el metal como un todo muestre un deterioro poco uniforme. Los esfuerzos pueden ser aplicados externamente o ser esfuerzos residuales acumulados. Las fallas por esfuerzo y corrosión se identifican a través de un examen microscópico del metal contiguo. Por lo común se observa una amplia ramificación de las grietas a lo largo de los límites de grano. La ubicación en donde se iniciaron las grietas puede identificarse por la presencia de un producto de la corrosión.

ORIGEN Y PREVENCIÓN DE LAS