Análisis de Las Causas Que Producen Fallas

1. Análisis de las cusas que producen fallas en

las piezas metálicas

Análisis de las causas que producen fallas en las piezas

1.1 Introducción

1.2 Procedimiento del análisis de falla

1.3 Modos de fractura

1.4 Esfuerzo y resistencia

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

1.5.1 Ejemplos

1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia

1.6.1 Ejemplos

1.7 Mecanismos de desgaste

1.7.1 Ejemplos

ANÁLISIS DE FALLAS es un proceso crítico en la

determinación de las

causas raíz

de los problemas físicos. El proceso es complejo, se basa en

diferentes disciplinas y utiliza observación, inspección y las técnicas de

laboratorio.

Uno de los factores clave para el cumplimiento adecuado de un análisis

de fallas es mantener la mente abierta al

examinar y analizar las

pruebas

para fomentar una perspectiva objetiva clara de la falla.

Se requiere la colaboración con

expertos de otras disciplinas,

en

determinadas circunstancias para integrar el análisis de las pruebas

con una comprensión cuantitativa de la información de antecedentes

en el diseño, fabricación y vida útil del producto o sistema averiado.

Metalurgia mecánica:

• Mecánica del medio continuo.

• Mecanismos de deformación y

endurecimiento.

• Mecánica de la fractura.

1.1 Introducción

Fallas mecánicas

Material con propiedades

mecánicas deficientes

Se

rebasan

esfuerzos

permisibles

1.2 Procedimiento de

análisis de falla

1.2 Procedimiento del análisis de falla

Definir el problema

Proponer una hipótesis

Recopilar datos

Prueba de hipótesis

Elaborar conclusiones

Modelos para Resolver Problemas. Una amplia gama de métodos de

resolución de problemas y modelos están disponibles en la literatura. Todos estos métodos y modelos tienen sus raíces en el método científico, que se resumen como sigue:

El formato continuo, circular en el gráfico es significativo, lo que indica que el proceso se reinicia con la identificación de un nuevo

problema como resultado de la primera

actividad de resolución de problemas.

Nótese la similitud con el método científico clásico mostrado anteriormente.

Identificar Determinar la causa raíz Desarrollar acciones correctivas Validar y verificar las acciones correctivas Estandarizar

Un modelo de resolución de problemas adaptado por varios de los autores se muestra a continuación.

1.- ¿Cuánto tiempo estuvo la pieza en funcionamiento?

2.- ¿Cuál era la naturaleza de los esfuerzos aplicados a la pieza?

3.- ¿Existió alguna sobrecarga en la pieza?

4.- ¿Se instaló adecuadamente la pieza?

5.- ¿Tuvo la pieza un mantenimiento preventivo o correctivo adecuado?

Después se estudia la superficie de fractura y se deben contestar las siguientes

preguntas:

1.- ¿Qué tipo de fractura presentan?

2.- ¿Empezó la falla en la superficie de la pieza o debajo de ella?

3.- ¿Empezó la falla en un punto o se originó en diversos puntos?

4. ¿Empezó la fisura recientemente o había estado creciendo por un tiempo largo?

Identificar: Describir la

situación actual

. Definir la deficiencia en términos de los

síntomas (o

indicadores

). Determinar el impacto de la deficiencia en el

componente, producto, sistema y el cliente.

Establezca una meta

. Recopilar datos

para proporcionar una medida de la deficiencia.

Determinar la causa raíz: Analizar el problema para identificar la

causa(s)

.

Desarrollar acciones correctivas: lista de

posibles soluciones

para reducir y

prevenir la recurrencia del problema. Generar alternativas. Desarrollar un

plan de

implementación

.

1.2 Procedimiento del análisis de falla

Validar y verificar las acciones correctivas: Prueba de acciones correctivas en el

estudio piloto. Medir la efectividad del cambio.

Validar mejoras

. Verifique que el

problema se corrige y mejora la satisfacción del cliente.

Estandarizar: Incorporar las medidas correctivas en el sistema de documentación de

las normas de la empresa, organización o industria para prevenir la recurrencia de

los productos o sistemas similares. Monitorear los cambios para garantizar la

eficacia.

Posibles fuentes de fallas en los materiales metálicos

a) Deficiencias en la selección del metal o aleación

• Poco conocimiento de las condiciones del ambiente de trabajo.

• Aplicación errónea de los datos obtenidos en los ensayos mecánicos.

• Error al no contar con un prototipo para realizar ensayos de fatiga, corrosión bajo tensión, fragilización por hidrógeno, etc.

b) Deficiencias en el diseño

• Maquinado deficiente, por ejemplo biselados con ángulo incorrecto.

• Problemas en el diseño al no considerar los esfuerzos o la acumulación de sustancias corrosivas.

• Maquinado deficiente, es decir acabado superficial pobre, por ejemplo, superficies no pulidas, entallas de torneado, etc.

d) Errores en el ensamblaje o instalación

• Falta de experiencia de los trabajadores durante el proceso de ensamblaje.

• Instrucciones confusas sobre el procedimiento de ensamblaje, por ejemplo, los folletos están en otro idioma.

• Operaciones de soldadura erradas, por ejemplo, selección de electrodos, tratamiento térmico post soldadura inadecuado.

c) Uso de materiales con un control de calidad deficiente

• Material con exceso de porosidades.

• Segregación química, es decir, distribución no homogénea de elementos químicos respectivos.

• Tratamientos térmicos errados o mal empleados. Por ejemplo, enfriamientos violentos que pueden producir agrietamientos o microfisuras.

f) Tipo de Fallas

Resumiendo, en forma general las fallas se pueden clasificar en 4 grupos:

1) Fallas por desgaste: generalmente se presenta pérdida de material en la

superficie del elemento; puede ser abrasivo, adhesivo y/o corrosivo.

2) Fallas por fatiga superficial: debido a los esfuerzos presentes en la superficie y

en el interior del material.

3) Fallas por fractura: se puede presentar del tipo frágil o dúctil, la topografía de

la superficie generalmente indica las causas de la falla; en ese caso generalmente es causada por el fenómeno de la fatiga.

4) Fallas por flujo plástico: El material se deforma plásticamente y es causado por

la presencia de cargas que generan esfuerzos superiores al límite de fluencia del material.

1.3 Modos de fractura

La fractura es la separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta a

un esfuerzo estático constante o pausado durante un tiempo determinado a

temperaturas relativamente bajas con relación a temperaturas de fusión del

material.

Tipos de fractura De acuerdo a la velocidad de propagación de la grieta De acuerdo al tipo o forma de la falla Fractura súbita Fractura progresiva - Dúctil - Frágil-Dúctil - Frágil Sobrecarga mecánica - Fluencia lenta

- Dependiente del tiempo

- Dependiente de los ciclos de carga

Fatiga

- Mecánica - Térmica

- Por corrosión

Fragilización por hidrógeno

Fluencia y Termofluencia, Fricción

Fundición localizada, Desgaste, Cavitación Erosión – Abrasión, Impacto

1.3 Modos de fractura

La fractura dúctil se produce después de una apreciable deformación

plástica, con una elevada absorción de energía antes de la fractura. La

ductilidad puede ser medida en términos de elongación y reducción de área

porcentuales, y es función de la velocidad de carga, temperatura y estado de

tensiones.

Fractura dúctil copa/cono de una probeta de Duraluminio

La temperatura de ensayo afecta la presencia de las zonas y sus respectivos tamaños. En la temperatura criogénica, donde la superficie es casi totalmente radial. A medida que la temperatura aumenta, la zona radial se reduce mientras que las zonas fibrosas y de cizalla (shear lips) crecen para finalmente desaparecer a temperaturas elevadas.

La geometría de la probeta influye cuando se va de una probeta cilíndrica a una rectangular

Probetas planas

a) Una zona fibrosa con un aspecto elíptico alargado, el cual aumenta al incrementar la relación longitud / espesor de la probeta.

b) La zona radial frecuentemente presenta un aspecto con marcas de Chevron.

c) La zona de cizalla, puede ocupar todo el espesor de la probeta. La superficie de fractura forma en este caso, un ángulo aproximado de 45° con la dirección de tracción.

Las fracturas frágiles aparecen brillantes y cristalinas. Cada cristal tiende a fracturarse en un plano de clivaje único (el cual posee baja energía superficial), plano que varía sólo ligeramente de un cristal a otro; debido a esto una fractura frágil en una muestra policristalina generalmente brillará a la luz. La fragilidad es una característica de los materiales que poseen una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y de tipo hexagonal.

Diferentes aspectos de la superficie de fractura frágil en tres tornillos de acero inoxidable 304

En la fractura frágil las grietas pueden propagarse muy rápidamente con poca deformación plástica, una vez iniciada la grieta, continuará de manera espontánea sin aumento de la magnitud de fuerza aplicada.

1.3 Modos de fractura

La fotografía de una superficie de fractura por fragilidad que muestra crestas en forma de abanico radiales. La flecha indica el origen de la grieta.

Fotografía que muestra en forma de V

"chevron" marcas características de la fractura frágil.

1.4 Esfuerzo y resistencia

La resistencia de materiales es una disciplina de la ingeniería mecánica y

la ingeniería estructural que estudia los sólidos deformables.

La resistencia de materiales estudia las deformaciones que se producen en el

cuerpo sometido a cargas exteriores.

Tipos de esfuerzos

Las estructuras deben soportar diferentes tipos de fuerzas que actúan sobre

los elementos que la componen. Estas fuerzas tienen distintos orígenes:

Tipos de esfuerzos

Tipos de materiales

Los materiales se pueden clasificar como:

Dúctiles

Frágiles

Elasticidad y plasticidad

Ley de Hooke

Esta ley establece que si la tensión normal σ se mantiene por debajo de un cierto valor σ_p, llamado tensión de proporcionalidad, las deformaciones específicas y las tensiones son directamente proporcionales.

σ = E * ε

Diagrama esfuerzo-deformación (σ - ε)

a) Período elástico

b) Período elasto-plástico c) Período plástico (fluencia)

Endurecimiento por deformación

Es un fenómeno en el cual un material dúctil se vuelve mas duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. • El metal posee dislocaciones.

• Desplazamiento de dislocaciones.

• Las dislocaciones aumentan en número. • Se estorban entre sí haciendo más difícil

su movimiento.

• Se requiere de mayor fuerza para mover las dislocaciones.

Fenómeno de estricción

Una valoración cuantitativa del fenómeno de estricción está dada por

el “coeficiente de estricción lateral”, el cual se define según la

siguiente expresión:

Donde:

Ω

= área inicial

Ω

= área final

1.5 Descripción de fatiga y

falla por fatiga

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

Tipo de fracturas

Definición de fatiga

Sistema de falla en materiales generado por discontinuidades que tienen la función de concentradores de esfuerzos mismos que al someterse a esfuerzos cíclicos ya sea de tensión, torsión o compresión, propician la propagación y crecimiento de la discontinuidad pudiéndose producir así la falla súbita del material.

Tipificación de una falla por fatiga

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

Curva de Wöhler

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

Cálculo de vida

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

Cálculo de vida

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

Cálculo de vida

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

1.5 Descripción de

termofluencia y falla por

termofluencia

1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia

La deformación plástica que transcurre a través del tiempo a temperaturas elevadas, aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que su resistencia a la fluencia

La termofluencia es causada por procesos difusivos que son térmicamente activados.

«Termofluencia»

Alta

temperatura

Dinámico

1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia

Dependen de las propiedades mecánicas del material y

de su microestructura

Tiempo

Temperatura

Esfuerzo

Los principales efectos de la exposición de los metales a temperaturas elevadas son: • Disminución del esfuerzo de cedencia y resistencia a la tensión.

• Aumento de la movilidad de las dislocaciones. • Recuperación y recristalización.

• Disolución y precipitación de fases.

• Crecimiento de grano y formación de subgranos. • Fusión incipiente.

T

=

Temperatura de fusión

1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia

ASTM

E139

Prueba de

termofluencia

Prueba de

ruptura

Requerimientos

de equipo

Información de

los reportes

• Prueba de termofluencia: mide la capacidad de carga para una limitada deformación. • Prueba de ruptura: Provee una medida de la capacidad de carga de un material en

función del tiempo.

Datos del reporte: • Tipo de aleación.

• Tamaño del producto. • Tratamiento térmico. • Temperatura de prueba. • Esfuerzo, Ksi (MPa).

• Dimensiones del espécimen. • Duración de la prueba.

• Elongación o reducción de área (%). • Localización y descripción de la

fractura. Esquema de la prueba de termofluencia

El resultado es un registro llamado curva de termofluencia. Usualmente, la prueba se realiza a diferentes niveles de esfuerzos constantes, para un mismo material y se evalúa el tiempo de ruptura en cada caso.

Curva de un ensayo de termofluencia.

• Ocurre transformación de microestructura y reacomodo de dislocaciones y vacancias.

• Velocidad de fluencia decreciente.

• Se está endureciendo por deformación.

Termofluencia

transitoria

• Se genera un equilibrio entre los mecanismos de generación de dislocaciones y vacancias y los mecanismos de eliminación de las dislocaciones.

• Velocidad de deformación constante.

• El material se hace blando y retiene su capacidad para experimentar deformación.

Termofluencia

estacionaria

• Mayor deformación con un menor endurecimiento. • Provoca un encuellamiento en la probeta.

• Forma cavidades que provocan fractura intergranular.

Termofluencia

terciaria

Mecanismos de deformación por termofluencia

• La activación térmica ayuda a pasar los obstáculos, mediante un proceso de ascenso de dislocaciones.

• Este movimiento va cortando el cristal; produce deformación plástica.

• Ocurre por la difusión de vacancias. Termofluencia por

dislocaciones

• Involucra la deformación de los granos por el flujo difusivo de vacancias en el interior de los granos.

• Movimientos desde las zonas sujetas a compresión hacia las de tensión.

• Al mismo tiempo los átomos fluyen en dirección contraria. • La probeta se alarga.

Termofluencia por flujo difusivo

Fractura en termofluencia

Es del tipo intergranular y presenta un aspecto granuloso, donde las facetas de los granos están cubiertas de pequeños hoyuelos o cráteres que son cavidades separadas.

Deslizamiento de límite de grano Cavitación de límite de grano Formación de subgranos Flujo difusivo

Procesos involucrados en la falla por termofluencia:

Fractura en termofluencia

• Formación de cuello y relieve superficial.

• Macroscópicamente puede ser dúctil o frágil.

• Dúctil: Transgranular acompañado de elongación y cuello.

• Frágil: Intergranular y tiene muy poca elongación y cuello.

1. Una tubería de vapor de 30 pulgadas de diámetro, que operaba a 900 psi y 538 °C se rompió violentamente produciendo una rajadura longitudinal, indicada por la flecha roja en la figura 1.6.8, a lo largo del cordón de soldadura. El estudio realizado mostró que el cordón de soldadura tenía mejores propiedades mecánicas a temperatura ambiente que el acero de la tubería. Además se encontró que la velocidad de deformación causó la ruptura por esfuerzos debido a termofluencia después de 10 años de servicio.

Figura 1.6. 8. Fractura longitudinal causada por termofluencia en un tubo de alta presión en una planta termoeléctrica.

2. Aquí se presenta daño por sobrecalentamiento a largo plazo que generalmente produce una rotura con bordes de canto gruesos en la cumbre de la zona hinchada que se forma antes de producirse la rotura, figura 1.6.9. El tubo horizontal se rompió violentamente produciendo una rajadura longitudinal de paredes gruesas, ubicada inmediatamente aguas debajo de la soldadura. La rotura violenta dobló el tubo en 90° formando una “L”, ella terminó en dos grietas a ambos lados de la rotura. La superficie exterior del tubo estaba cubierta con magnetita (Fe3O4), excepto en las zonas cercanas a la rotura, donde el óxido fue arrancado. La falla se produjo por termofluencia a temperaturas prolongadas mayores a 1050 °C.

Figura 1.6. 9. Fractura longitudinal causada por termofluencia en un tubo de vapor de alta presión en una caldera.

3. En las siguientes imágenes se presenta un ejemplo de componentes que soportan cargas constantes durante lapsos prolongados, como es el caso de pernos de anclaje en elementos que soportan calor.

1.6.1 Ejemplos

Un

procedimiento

de

extrapolación

emplea el parámetro de Larson-Miller,

definido como:

Donde

C

es

una

constante

(generalmente del orden de 20), con T

en grados Kelvin y el tiempo a la

ruptura 𝑡

en horas.

1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia.

1.6.1 Ejemplos

1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia.

1.6.1 Ejemplos

Un componente fabricado con aleación

S-590 de base hierro debe tener una vida a

fluencia de por lo menos 100 días a

500°C. Determinar la tensión máxima

permitida. (Sol. 600 MPa).

1.7 Mecanismos de desgate

SISTEMA TRIBOLÓGICO

Es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación entre superficies sólidas en contacto

Vida útil Envejecimiento

Asentamiento Operación normal Desgaste severo

Operación suave

Horas (Miles)

Desg

as

INTRODUCCIÓN AL DESGASTE

Se producen debido a la sensibilidad de un material o sistema a los cambios en la superficie.

Consiste en el deterioro o desprendimiento de partículas que sufren las superficies en contacto a causa de la fricción a las que se encuentran sometidas o el medio ambiente.

Daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo a los que son sometidos.

TIPO DE MECANISMOS DE MECANISMO POR DESGASTE

Se clasifican dependiendo de diversos factores que intervienen en la pérdida del material

Coe fici en te de ad hes ión

Es el proceso por el cual se transfiere material de una a otra superficie durante su movimiento relativo como resultado de soldadura en frío.

La tendencia a formar regiones adheridas, depende de las propiedades físicas y químicas de los materiales.

Dureza Vickers

DESGASTE POR ADHERENCIA

1.7 Mecanismos de desgate

a) b)

DESGASTE POR ABRASIÓN

Pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella.

De acuerdo al mecanismo de abrasión puede clasificarse en dos tipos: abrasión a dos cuerpos, y abrasión a 3 cuerpos.

Propiedades abrasivas

 Tamaño de las partículas

 Forma de la partícula  Dureza  Límite elástico  Propiedades de fractura  Concentración Condiciones de contacto

 Fuerza / nivel de impacto

 Velocidad  Ángulo de impacto / choque  Deslizamiento / rodadura  Temperatura  Húmedo / seco Desgaste propiedades de los  Dureza  Límite elástico  Módulo de elasticidad  Ductilidad  Características de endurecimiento

MECANISMO DE FALLO DE DESGASTE POR ABRASIÓN

Desgaste en función al ángulo de impacto

Factores que intervienen en el desgate abrasivo

DESGASTE POR FATIGA

DEFINICIÓN MECANISMO DE FALLO

Pérdida de material por la repetición cíclica de esfuerzos a los que se somete un componente o estructura.

Surge por la concentración de esfuerzos Causando pérdida del material

Teniendo distorsiones en la estructura cristalina y granos.

DESGASTE POR CAVITACIÓN

Daño ocurrido en los materiales debido al crecimiento y colapso de pequeñas burbujas que surgen debido a la variación de presión durante el flujo de un fluido.

El fluido choca con la arista afilada haciendo variación en el fluido en la constante de Bernoulli.

Cavitación en hélice de un barco

1) Se forma una burbuja de cavilación.

2) El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película.

3) La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión.

4) Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular.

MECANISMO DE FALLO

Comportamiento del fenómeno de cavidad

DESGASTE POR CORROSIÓN

a) b)

Desgaste corrosivo a) Formación capa de óxido, b) desprendimiento del material.

Degradación del material por el fenómeno de oxidación, logrando la pérdida del material a causa de la combinación o por la exposición del material a un tipo o modo de desgaste.

Ángulos de desgaste erosivo, a) recto, b) inclinado.

Forma Tamaño Velocidad

Dureza de las partículas erosivas Dureza de la superficie

Ángulo de impacto

Mecanismo de fallo

a) b)

I. Erosión por suspensión II. La erosión por impacto

Eliminación del material provocado por incidencia de partículas sólidas.

DESGASTE POR EROSIÓN

Definición

Tipos

PREVENCIÓN DE DESGASTE EN GENERAL

 Formación de los tipos de fenómenos son independiente de cada uno.

 No existe modelo de solución

específica.

Parámetros o factores para la prevención

EQUIPO PARA MEDIR EL DESGASTE

a) Máquina de espiga

c) Disco para medir fricción

Máquina de espiga y disco

S=

Wi

X 100

Donde:

S= Peso del desgaste en %. Wi= Peso inicial.

Wf= Peso después de la prueba.

EJEMPLOS DE LOS TIPOS DESGASTE

Desgaste por adhesión en soportes.

Desgaste por adhesión Desgaste por abrasión

Desgaste abrasivo en maquinaria pesada.

Desgaste por erosión

EJEMPLOS DE LOS TIPOS DESGASTE

Desgaste por cavitación

Desgaste por cavitación en turbinas de barcos.

Desgaste por cavitación en turbinas de barcos.

Bibliografía

1. American Society of Metals (ASM). Handbook vol. 11. Failure Analysis and Prevention. 2. González, Jorge Luis. Metalurgia Mecánica. Limusa Noriega editores. 2003. México, DF. 3. Callister, William. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial

Reverté, S. A. 1995.

4. ASM Metals HandBook Volume 8 - Mechanical Testing and Evaluation. American Society of Metals. 2000.