Metodología de análisis de falla asistida por modelaje computacional en sistemas de transmisión de potencia

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(1)PROYECTO DE TESIS PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO M ECÁNICO. M ETODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE FALLA ASISTIDA POR MODELAJE COM PUTACIONAL EN SISTEMAS DE TRANSM ISIÓN DE POTENCIA. Autor: DAVID ALEJANDRO OSUNA CONTRERAS. Asesor: WILSON HORMAZA, Dr. Ing.. Co-asesor: ALEJANDRO MARAÑON, Ph. D.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAM ENTO DE INGENIERÍA M ECÁNICA BOGOTÁ, D.C. 2007.

(2) IM -2006-II-30. TABLA DE CONTENIDO TABLA D E CONTENIDO ..................................................................................................2 INDICE DE FIGURAS ..........................................................................................................4 INDICE DE TABLAS............................................................................................................6 AGRADECIM IENTOS..........................................................................................................7 OBJETIVOS...........................................................................................................................8 OBJETIVO GENERAL......................................................................................................8 OBJETIVOS ESPECIFICOS .............................................................................................8 INTRODUCCION..................................................................................................................9 1. TEORIA DE FALLA .......................................................................................................10 1.1 ¿QUE ES UNA GRIETA?..........................................................................................10 1.2 EL ORIGEN DE LAS GRIETAS...............................................................................11 1.2.1 Nucleación de grietas por deformación ...............................................................11 1.3 FRACTURA FRAGIL................................................................................................14 1.3.1 Características de la fractura frágil ......................................................................15 1.3.1 Aspectos microestructurales de la fractura frágil ................................................16 1.4 M ECANISMOS M ICROSCÓPICOS DE PROPAGACIÓN DE GRIETA...............19 1.4.1 Propagación de grieta por clivaje o cuasi-clivaje ................................................19 1.4.2 Propagación de grietas por coalescencia de microcavidades ..............................20 1.4.3 Propagación de grieta intergranular.....................................................................21 1.4.4 Propagación de grieta por corrosión bajo esfuerzo..............................................22 1.4.5 Propagación de grieta inducida por la presencia de hidrógeno ...........................23 1.5 MODOS DE FRACTURA Y FRACTOGRAFÍA......................................................23 1.5.1 Superficies de fractura producidas por mecanismo de clivaje.............................24 1.5.2 Superficies de fractura producidas por coalescencia de microcavidades ............24 1.5.3 Superficies de fractura producidas por separación intergranular ........................25 1.5.4 Superficies de fractura producidas mediante el mecanismo de fatiga .................25 1.5.5 Superficie de fractura producida por Creep.........................................................26 1.5.6 Superficie de fractura producida por agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo26 1.5.7 Superficie de fractura producida por agrietamiento inducido por hidrogeno......26 2. ANALISIS DE FALLA ....................................................................................................27 2.1 RECOPILACIÓN DE ANTECEDENTES DE FALLA ............................................27 2.1.1 Obtención de geometría del cigüeñal ..................................................................27 2.1.2 Determinación del peso de cigüeñal ....................................................................28 2.1.3 Inspección visual .................................................................................................28 2.1.4 Especificaciones de operación .............................................................................30 2.1.5 Proceso de fabricación .........................................................................................30 2.2 CARACTERIZACIÓN DEL M ATERIAL................................................................30 2.2.1 Realización de análisis químico del material.......................................................31 2.2.2 M etalografía.........................................................................................................31 2.2.3 Ensayos mecánicos ..............................................................................................33 2.3 HIPÓTESIS FORM ULADAS....................................................................................35 2.3.1 Falla por propagación de grieta mediante fatiga..................................................35 2.3.2 Falla por sobrecarga.............................................................................................35. 2.

(3) IM -2006-II-30 2.3.3 Falla por concentración de esfuerzos debido a cambios considerables en el área de sección......................................................................................................................35 2.3.4 Falla por picado ...................................................................................................35 2.4 REALIZACION DE PRUEBAS................................................................................35 2.4.1 Exámenes no destructivos....................................................................................35 2.4.2 Exámenes macroscópicos ....................................................................................36 2.4.3 Exámenes microscópicos .....................................................................................39 2.5 SIM ULACIÓN DE CONDICIONES DE CARGA Y ESFUERZOS POR ELEM ENTOS FINITOS..................................................................................................40 ® 2.5.1 Generación de la geometría del cigüeñal en Solid Edge . ..................................40 2.5.2 Aplicación de las cargas de servicio a la geometría generada haciendo uso de ® Ansys ..........................................................................................................................40 2.6 ANÁLISIS CONCLUYENTE....................................................................................43 2.6.1 Concepto de falla .................................................................................................43 2.6.2 Conclusiones ........................................................................................................44 2.6.3 Sugerencias ..........................................................................................................44 BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................45. 3.

(4) IM -2006-II-30 INDICE D E FIGURAS Figura 1. Forma convencional de ilustrar una grieta, vista seccional en forma de elipse (reimpreso de HULL, DEREK)....................................................................................10 Figura 2. Representación esquemática de la forma de la punta de grieta basada en la influencia de fuerzas externas e interatómicas (reimpreso de HULL, DEREK)..........10 Figura 3. Nucleación de grietas por deformación mediante incompatibilidad elástica (reimpreso de HULL, DEREK)....................................................................................11 Figura 4. Nucleación de grietas por deformación mediante deformación plástica de sólidos cristalinos (reimpreso de HULL, DEREK) ..................................................................12 Figura 5. Nucleación de grietas por deformación mediante coalescencia de cavidades plásticas (reimpreso de HULL, DEREK).....................................................................12 Figura 6. Nucleación de grietas por deformación mediante deslizamiento entre bordes de grano (reimpreso de HULL, DEREK)..........................................................................13 Figura 7. Nucleación de grietas por deformación mediante esfuerzos alternantes (reimpreso de HULL, DEREK) ......................................................................................................13 Figura 8. Patrón de una fractura frágil en una lámina de acero dúctil. Se identifican las marcas Chevron que apuntan hacia el origen de la fractura (reimpreso de WULPI, DONALD J.).................................................................................................................15 Figura 9. Esquema de la fractura de un eje endurecido en la superficie donde se evidencian las marcas Chevron apuntando hacia el origen de la fractura (reimpreso de WULPI, DONALD J.).................................................................................................................16 Figura 10. Origen (señalado con la flecha) de una fractura frágil a carga simple que inició en un pequeño defecto de soldadura. Las marcas radiales emanan del origen en un patrón con forma de abanico (reimpreso de WULPI, DONALD J.)............................16 Figura 11. M odelo de fractura por clivaje en donde se muestra la dirección de fractura, los planos de clivaje y los bordes de grano (reimpreso de WULPI, DONALD J.)............16 Figura 12. Fractura por clivaje en un acero endurecido. Se identifican las marcas de “rio” en la dirección de la flecha. Los bordes de grano fueron cruzados sin aparente efecto. 2000X. (reimpreso de WULPI, DONALD J.)..............................................................17 Figura 13. Fractura intergranular en un acero endurecido. La fractura toma lugar entre los granos. Se revelan las formas de parte de los granos individuales. 2000X. (reimpreso de WULPI, DONALD J.).............................................................................................17 Figura 14. Vista detallada de la superficie de fractura producida por la coalescencia de microcavidades que resulta en una estructura tipo hoyuelo. (reimpreso de TAWANCY, HANI M .)...............................................................................................20 Figura 15. Vista generalizada de la superficie de fractura producida por la coalescencia de microcavidades. (reimpreso de TAWANCY, HANI M .).............................................21 Figura 16. Superficie de fractura intergranular donde los granos se separaron sin coalescencia de microcavidades. (reimpreso de TAWANCY, HANI M .)...................21 Figura 17. Superficie de fractura donde se presenta propagación de grieta intergranular mediante mecanismo dúctil. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.)..........................22 Figura 18. Ilustración esquemática de las estriaciones producidas debido a agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo. (reimpreso de TAWANCY, HANI M .)..........................22 Figura 19. Superficie de fractura producida por corrosión bajo esfuerzo en acero con marcas de playa. (reimpreso de TAWANCY, HANI M .)............................................23. 4.

(5) IM -2006-II-30 Figura 20. Superficie de fractura producida por mecanismo de clivaje mostrando patrones de rio. (reimpreso de TAWANCY, HANI M .).............................................................24 Figura 21. Superficie de fractura producida por coalescencia de microcavidades. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.)..........................................................................................25 Figura 22. Vista general del cigüeñal fracturado indicando la zona de falla para las secciones A y B ............................................................................................................27 Figura 23. Aproximación geométrica del boceto obtenido a mano de una de las bancadas del cigüeñal. ..................................................................................................................28 Figura 24. Deformación sobre la bancada ............................................................................28 Figura 25. Deformación adyacente a la superficie de fractura .............................................29 Figura 26. M arcas de rectificado posteriores al proceso de fabricación sobre la unión entre muñón y bancada ..........................................................................................................29 Figura 27. Evidencias de fatiga sobre la superficie de uno de los muñones del cigüeñal. ...29 Figura 28. M icroestrctura de hierro dúctil. 100X. (reimpreso de AM ERICAN SOCIETY FOR M ETALS.) ...........................................................................................................32 Figura 29. M icroestructura obtenida en los exámenes metalográficos, sección transversal. 100X. Nital 3%.............................................................................................................32 Figura 30. M icroestructura obtenida en los exámenes metalográficos, sección longitudinal. 100X. Nital 3%.............................................................................................................32 Figura 31. M icroestructura obtenida en los exámenes metalográficos, sección transversal. 500X. Nital 3%.............................................................................................................33 Figura 32. M icroestructura obtenida en los exámenes metalográficos, sección longitudinal. 500 X. Nital 3%............................................................................................................33 Figura 33. Visualización de grieta cercana a la zona de falla de la sección A .....................36 Figura 34. Detalle de grieta sobre el filo entre muñón y la bancada de fractura ..................36 Figura 35. Vista general del sitio de nucleación y dirección de propagación de grieta sobre la superficie de fractura de la sección B .......................................................................37 Figura 36. Detalle del sitio de nucleación de grieta sobre la superficie de fractura de la sección B.......................................................................................................................37 Figura 37. Detalle del sitio de nucleación de grieta sobre la superficie de fractura de la sección B.......................................................................................................................38 Figura 38. Detalle de la propagación de la grieta desde el sitio de nucleación hasta el extremo izquierdo de la superficie de fractura perteneciente a la sección B ................38 Figura 39. Visualización microscópica de la superficie de fractura....................................39 Figura 40. Visualización microscópica de la superficie de fractura.....................................39 ® Figura 41. Vista trimétrica de la geometría generada en Solid Edge .................................40 ® Figura 42. Vista lateral de la geometría generada en Solid Edge .......................................40 Figura 43. Diagrama de fases de manivela correspondiente a un motor V-8 de cuatro tiempos..........................................................................................................................41 Figura 44. Detalle de las condiciones y lugares de aplicación de carga y empotramiento en la simulación realizada .................................................................................................42 Figura 45. Curva de refinamiento por tamaño de elemento. ................................................42 Figura 46. Panorama general de los esfuerzos de Von-M ises obtenidos en la simulación ..43. 5.

(6) IM -2006-II-30 INDICE D E TABLAS Tabla 1. Resultados del análisis realizado por composición química porcentual en peso. ..31 Tabla 2. Composiciones de fundiciones de hierro seleccionadas. (reimpreso de AM ERICAN SOCIETY FOR M ETALS.)...................................................................31 Tabla 3. Propiedades mecánicas y aplicaciones típicas para hierros dúctiles estándar. (reimpreso de AM ERICAN SOCIETY FOR M ETALS.)............................................34 Tabla 4. Resultados de la toma de perfiles de microdurezas sobre diferentes secciones de la pieza..............................................................................................................................34 Tabla 5. Posición de los pistones respecto al ángulo de manivela. ......................................41. 6.

(7) IM -2006-II-30. AGRAD ECIMIENTOS. M is mas sinceros agradecimientos a los profesores Wilson Hormaza y Alejandro M arañon, sin cuya orientación y motivación este presente trabajo de grado no hubiera sido posible. A mis padres, soporte esencial a lo largo de mi existencia. A Carolina Florez, cuyo constante apoyo y comprensión fue de inmensa importancia a lo largo de la realización de este trabajo de grado. A Fabián Presiga y Jimmy Niño por su enorme colaboración en la realización de las pruebas en las instalaciones del CIPEM .. 7.

(8) IM -2006-II-30 OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL Estructurar una metodología de análisis de falla aplicada a determinar la causa más probable de falla de un cigüeñal, complementándola mediante herramientas de modelaje computacional de elementos finitos.. OBJETIVOS ESPECIFICOS • Caracterizar el material de fabricación del cigüeñal. • Realizar ensayos no destructivos, exámenes macroscópicos y microscópicos para determinar los mecanismos de falla del cigüeñal. • Clasificar el tipo de fractura según condiciones de carga, apariencia macroscópica y microscópica. • Relacionar la geometría del cigüeñal y las condiciones de cargas y esfuerzos a las que se encuentra sometido en servicio con las posibles causas y lugares de falla.. 8.

(9) IM -2006-II-30 INTRODUCCION Un análisis de falla es una investigación llevada a cabo para determinar la causa de falla de cierto producto o equivalentemente determinar el error en el proceso continúo de diseño ingenieril-manufactura-funcionamiento con el fin de prevenir su recurrencia en el futuro. Los resultados de las investigaciones de análisis de falla pueden ser de enorme utilidad para los diseñadores de los mismos productos o productos similares. El conocimiento de incidentes anteriores de falla y sus causas ayudan al diseñador en el desarrollo de un producto con una mejor confiabilidad y durabilidad. Dados los aspectos legales de las fallas, los resultados de las investigaciones de análisis de falla pueden ser utilizados como base para un litigio o demandas de aseguradoras. Los fabricantes también pueden utilizar los resultados de las investigaciones de análisis de falla con propósitos de mercadeo para promocionar un nuevo producto con mejores capacidades de desempeño. Además, al identificar las deficiencias de ciertos materiales estructurales a través de investigaciones de análisis de falla, es posible desarrollar nuevos materiales o mejorar las propiedades de los actualmente existentes. Generalmente, el procedimiento exacto para el análisis de falla depende del caso particular. Sin embargo, cualquier investigación de análisis de falla exitosa y completa debe proveer respuesta a las siguientes preguntas: 1. ¿Cual es el modo de fractura? 2. ¿Cuál es la causa más probable de fractura? 3. ¿Cómo puede ser prevenida la falla en el futuro? Para poder proveer respuestas claras y puntuales a las preguntas anteriormente mencionadas, cualquier investigación de análisis de falla debe abordar tres aspectos principales: condiciones de servicio, manufactura y diseño. M ediante un proceso de eliminación, es posible encontrar la causa más probable de falla y posteriormente encontrar el “eslabón” más débil en el proceso de diseño ingenieril-manufactura-funcionamiento. Subsecuentemente, se hace posible determinar medios posibles por los cuales futuras fallas pueden ser prevenidas.. 9.

(10) IM -2006-II-30 1. TEORIA D E FALLA. 1.1 ¿QUE ES UNA GRIETA? Una superficie de fractura se produce por el crecimiento o propagación de una grieta. La interpretación de la topografía de la superficie de fractura requiere un entendimiento de cómo se propagó la grieta. Debido a la topografía de la superficie de fractura se hace necesario considerar el crecimiento de la grieta en tres dimensiones. Afortunadamente, muchos aspectos de las propiedades de las grietas pueden ser determinados tomando las grietas como superficies planares. Partiendo de un sólido rígido elástico, se suponen los enlaces interatómicos a través de la superficie como inactivos al momento de aplicar pequeñas cargas a las superficies externas del sólido. Dichas cargas causan deformaciones elásticas en el cuerpo. Al existir una componente de la fuerza normal a la superficie, el sólido se separa a lo largo de la superficie formando dos superficies nuevas. La apertura de las caras de la grieta depende de de las propiedades elásticas del sólido y de las cargas aplicadas externamente. Para determinar la forma de la punta de grieta en dimensiones atómicas dentro de un sólido elástico, es necesario tomar en cuenta las cargas aplicadas externamente y las fuerzas interatómicas locales entre las dos caras de la grieta.. Figura 1. Forma convencional de ilustrar una grieta, vista seccional en forma de elipse (reimpreso de HULL, DEREK). Figura 2. Representación esquemática de la forma de la punta de grieta basada en la influencia de fuerzas externas e interatómicas (reimpreso de HULL, DEREK). Al inicio de la propagación, en un sólido elástico, los enlaces atómicos en el material próximo a la punta de grieta pueden ser considerados como que están siendo estirados hasta el límite. Una separación adicional de las caras de la grieta resulta en el rompimiento de los enlaces y la propagación de la grieta. En la mayoría de los sólidos, las altas concentraciones de esfuerzos en la punta de grieta resultan en procesos irreversibles, por deformación plástica y viscoelástica, que causa una apertura adicional de la grieta haciendo que la grieta no se cierre por completo cuando la fuerza deje de ser aplicada. Adicionalmente, sobre la altamente activa y recién formada superficie ocurren reacciones químicas que evitan que los enlaces se reestablezcan. La topografía irregular de la mayoría de las superficies de fractura resulta del crecimiento de grieta, la cual, en su punta, puede consistir de una multiplicidad de grietas más pequeñas.. 10.

(11) IM -2006-II-30 Finalmente, retomando la definición de grieta, una grieta es la fractura parcial de un sólido. Si la grieta se propaga por completo a través del sólido, esta separa al sólido en dos partes, cada una de ellas con una superficie de fractura. La base del análisis de superficies de fractura es que los patrones sobre dichas superficies contienen información sobre la forma en la que la grieta se propagó. La apariencia de la superficie de fractura depende del recorrido de la fractura, el cual depende fuertemente del micro-mecanismo de deformación que precede a la fractura y este, a su vez, depende de la microestructura del material. Los mecanismos de nucleación de grietas son particularmente sensibles a la microestructura. 1.2 EL ORIGEN DE LAS GRIETAS La fractografía se usa para determinar el punto en el cual se núcleo una grieta y por ende se obtienen ciertas nociones de la razón de falla. M uchos de los detalles son específicos de cada material y dependen en gran forma de los factores microestructurales. Una fractura es la respuesta de un sólido a un esfuerzo (o deformación) aplicado externamente o generado internamente por cambios diferenciales dentro del sólido causados por gradientes de temperatura, encogimientos, difusión o cambios químicos. El proceso de fractura implica la nucleación y la propagación de una grieta. Comúnmente, las grietas grandes resultan de la coalescencia de una multitud de grietas pequeñas. Algunas grietas se forman durante una secuencia de cargas y eventualmente conducen a una fractura completa. Otras se forman antes de la aplicación de las cargas externas, por lo que se les define como grietas ’preexistentes’. 1.2.1 Nucleación de grietas por deformación 1.2.1.1 Grietas nucleadas debido a incompatibilidad elástica En sólidos que consisten de agregados de fases o granos muy duros y rígidos, particularmente cerámicos, rocas y concreto, las grietas nuclear en las interfaces entre granos, y al interior también, como resultado de los esfuerzos producidos por la incompatibilidad elástica de los granos adyacentes. Los granos pueden diferir en la orientación cristalográfica o en la composición química y encontrarse separados por una interfase bien definida. Debido a la diferencia en composición y orientación, el modulo elástico de los granos es diferente. Esto significa que los esfuerzos aplicados externamente o generados internamente producen diferentes deformaciones elásticas en los dos granos, lo cual puede conducir a altos esfuerzos locales que se alivian con la formación de una grieta.. Figura 3. Nucleación de grietas por deformación mediante incompatibilidad elástica (reimpreso de HULL, DEREK). 11.

(12) IM -2006-II-30 1.2.1.2 Grietas nucleadas por deformación plástica de sólidos cristalinos A bajas temperaturas, los materiales cristalinos, tales como metales y cerámicos, se deforman por cortante. A un nivel microestructural esto ocurre dentro de cada cristal o grano por el deslizamiento de dislocaciones individuales o el movimiento coordinado de arreglos de dislocaciones parciales (deformaciones entrelazadas). La cortante puede estar localizada en bandas angostas. Cuando una banda cortante encuentra una barrera microestructural, tal como un borde de grano o una partícula de la segunda fase presente, se generan esfuerzos bastante altos en la punta de la banda. Esto resulta en la nucleación de una grieta.. Figura 4. Nucleación de grietas por deformación mediante deformación plástica de sólidos cristalinos (reimpreso de HULL, DEREK). La estructura cristalina del material determina y la dirección de los esfuerzos aplicados determina la pendiente y la dirección de la cortante. El plano en el cual la grieta se nuclea es también influenciado por la estructura cristalina y la resistencia de la interfase en la ‘barrera’. La concentración de altos esfuerzos puede ser aliviada por una deformación plástica generalizada en vez de la nucleación de una grieta. El que se forme o no una grieta depende de un gran número de variables, incluyendo la cantidad de cortante, la resistencia de la barrera, la cinética de la deformación y las propiedades geométricas de los sistemas de deslizamiento activos. Algunos materiales son intrínsecamente frágiles y forman grietas debido a su incapacidad de aliviar altas concentraciones de esfuerzos mediante deformaciones plásticas. 1.2.1.3 Grietas nucleadas por coalescencia de cavidades plásticas Este mecanismo ocurre en muchos sólidos dúctiles que contienen partículas rígidas; los detalles dependen de la microestructura. Durante la deformación, la matriz dúctil se deforma por deslizamiento en materiales cristalinos, y por procesos de esfuerzo cortante en materiales amorfos y semi-cristalinos. Las partículas rígidas no se deforman. La separación de la interfase matriz-partícula es seguida por la aparición de cavidades plásticas alrededor de las cavidades.. Figura 5. Nucleación de grietas por deformación mediante coalescencia de cavidades plásticas (reimpreso de HULL, DEREK). 12.

(13) IM -2006-II-30. Una vez nucleadas, las cavidades crecen por esfuerzos cortantes posteriores sobre la matriz o, a altas temperaturas, por procesos de difusión. Eventualmente, las distribuciones de esfuerzos de las cavidades crecientes interactúan entre si y el esfuerzo cortante de la matriz se localiza en las regiones entre partículas, resultando en la separación para formar una grieta. La grieta consiste en un arreglo irregular de cavidades plásticas unidas. Esto ilustra que una grieta se puede formar a partir de arreglos de grietas más pequeñas, las cuales son grietas de interfase entre partículas rígidas. 1.2.1.4 Grietas nucleadas por deslizamiento entre bordes de grano A temperaturas suficientemente altas, la deformación de materiales policristalinos y de, en una menor medida, polímeros semi-cristalinos esferuliticos ocurre por el deslizamiento entre si de los bloques relativamente rígidos. La relajación de los bordes de grano o esferulitas, por procesos térmicamente activados, ocurre antes de la deformación de los bloques, haciendo que el deslizamiento sea el modo dominante de deformación. Cuando el deslizamiento es interrumpido por la unión triple de bordes de grano, se forman grietas en forma de cuña.. Figura 6. Nucleación de grietas por deformación mediante deslizamiento entre bordes de grano (reimpreso de HULL, DEREK). Las partículas rígidas, que pueden estar presentes en los bordes de grano, conducen a la nucleación de cavidades plásticas durante el deslizamiento. Estas crecen y se unen para formar grietas en los bordes de grano, de forma análoga a la nucleación de grietas por coalescencia de cavidades plásticas mostrada en la figura 5. 1.2.1.5 Grietas nucleadas por esfuerzos alternantes (fatiga mecánica) La fatiga mecánica ocurre por la aplicación de esfuerzos cíclicos por debajo del nivel crítico de nucleación en cargas estáticas. Los esfuerzos cíclicos causan pequeñas cantidades de deformación que se acumulan progresivamente y eventualmente generan una grieta.. Figura 7. Nucleación de grietas por deformación mediante esfuerzos alternantes (reimpreso de HULL, DEREK). 13.

(14) IM -2006-II-30 El deslizamiento ocurre sobre un plano dominante y los esfuerzos cíclicos conducen a un deslizamiento hacia delante y hacia atrás entre planos paralelos muy cercanos en una zona estrecha. La superficie desarrolla endentaduras y contornos en forma de grieta que concentran esfuerzos y eventualmente conducen a la formación de grietas en el plano de las bandas deslizantes. 1.2.1.6 Grietas nucleadas por pieles frágiles Cuando materiales dúctiles, cubiertos con una película de material frágil, son deformados, la fractura prematura de la película frágil puede conducir a la fractura del material dúctil interno. Se forma entonces una grieta en la película frágil, la cual crece a alta velocidad dentro del material dúctil. Entre algunos ejemplos se encuentran capas de nitruración sobre acero y pinturas frágiles sobre plásticos. El mismo efecto ocurre cuando las superficies se degradan y cuando los gradientes de temperatura en el material resultan en la fragilización de parte del material. 1.3 FRACTURA FRAGIL Los términos frágil y dúctil, se refieren a los extremos del comportamiento bajo carga simple; estos términos, son opuestos, como el blanco y el negro. Frágil indica muy poca o ninguna deformación permanente previa a la fractura, generalmente acompañada por una alta dureza y resistencia, pero con una pequeña tolerancia a las discontinuidades. Dúctil indica una considerable deformación permanente previa a la fractura, generalmente acompañada por una baja dureza y resistencia, con una tolerancia considerable a las discontinuidades. Los factores que deben estar presentes simultáneamente para causar una fractura frágil en un acero normalmente dúctil son: . Presencia de concentración de esfuerzos. Esto puede ser un defecto de soldadura, una grieta generada por corrosión bajo esfuerzo, una muesca de diseño, tal como una esquina pronunciada, un agujero, etc. La concentración de esfuerzo debe ser lo suficientemente elevada para ser considerada una “grieta critica” en términos de mecánica de la fractura.. . Debe existir también un esfuerzo normal. La magnitud de dicho esfuerzo normal debe ser lo suficientemente elevada para proveer deformación plástica microscópica en la punta del concentrador de esfuerzo. Una de las mayores complejidades es que el esfuerzo normal no necesita ser aplicado sobre la estructura, en cambio, puede ser un esfuerzo residual que se encuentra por completo dentro de la estructura. En este caso, el esfuerzo no es obvio o fácilmente medible, como lo es el esfuerzo aplicado. La parte o estructura puede encontrarse completamente libre de cargas externamente aplicadas y aún así experimentar una fractura frágil catastrófica instantánea.. 14.

(15) IM -2006-II-30 . La temperatura debe ser relativamente baja para el acero. El problema es que la definición de la interrelación metal-temperatura es inexacta. No obstante, sin importar el tipo de prueba utilizada para tratar de establecer la temperatura de transición dúctil-frágil, los resultados son los mismos: entre mas baja la temperatura para un acero dado, la posibilidad de que ocurra una fractura frágil es más alta. Para algunos aceros, por ejemplo, bajo ciertas condiciones, la temperatura de transición frágil-dúctil puede encontrarse justo sobre la temperatura ambiente.. Los factores metalúrgicos que tienden a disminuir la probabilidad de fractura frágil en los aceros son: bajo contenido de carbono, contenido moderado de manganeso, elevada relación manganeso/carbono, inclusión de ciertos elementos aleantes, tamaño de grano fino, desoxidación del acero y tratamiento térmico para obtener estructuras martensíticas o de bainita inferior. 1.3.1 Características de la fractura frágil Las fracturas frágiles tienen ciertas características que permiten que éstas sean claramente identificadas: •. No existe deformación plástica del metal en la región de la fractura frágil, aunque puede existir deformación permanente en otros lugares donde ocurra una fractura frágil relativa.. •. La superficie de la fractura frágil es perpendicular al esfuerzo principal a tensión. Por ende, la dirección del esfuerzo a tensión que causó la fractura puede ser fácilmente identificada.. •. Frecuentemente se presentan marcas características sobre la superficie de fractura que apuntan hacia el lugar donde la grieta se originó. En el caso de hierros planos, tales como laminas o barras planas, existen marcas con forma en V conocidas como marcas “Chevron”, las cuales apuntan hacia el origen de la fractura. Las fracturas frágiles de algunas partes pueden tener patrones de líneas radiales que emanan del origen de grieta. Las fracturas frágiles de metales extremadamente duros y con un tamaño de grano muy fino usualmente tienen un patrón de fractura muy pequeño o que no es visible.. Figura 8. Patrón de una fractura frágil en una lámina de acero dúctil. Se identifican las marcas Chevron que apuntan hacia el origen de la fractura (reimpreso de WULPI, DONALD J.). 15.

(16) IM -2006-II-30. Figura 9. Esquema de la fractura de un eje endurecido en la superficie donde se evidencian las marcas Chevron apuntando hacia el origen de la fractura (reimpreso de WULPI, DONALD J.). Figura 10. Origen (señalado con la flecha) de una fractura frágil a carga simple que inició en un pequeño defecto de soldadura. Las marcas radiales emanan del origen en un patrón con forma de abanico (reimpreso de WULPI, DONALD J.). 1.3.1 Aspectos microestructurales de la fractura frágil Las fracturas frágiles usualmente se propagan por clivaje o por propagación intergranular, aunque existen casos en que ambos modos de fractura participan en la propagación. En la mayoría de los casos se hace necesario estudiar la superficie de fractura mediante microscopía electrónica. Las fracturas por clivaje se caracterizan por la separación de los cristales, o granos, a través de planos cristalográficos específicos sin consideración de los bordes de grano.. Figura 11. Modelo de fractura por clivaje en donde se muestra la dirección de fractura, los planos de clivaje y los bordes de grano (reimpreso de WULPI, DONALD J.). 16.

(17) IM -2006-II-30. Dado que la fractura atraviesa los granos, este tipo de fractura es comúnmente denominado como fractura transgranular o transcristalina. Las fracturas por clivaje son el tipo más común de fractura frágil y son el modo normal de fractura a menos que los bordes de grano hayan sido debilitados por un ambiente o proceso especifico. Una fractura por clivaje típica vista mediante un microscopio electrónico de barrido se muestra en la figura 17. Es notable que el patrón se caracteriza por la unión de canales microscópicos, similar a la unión de varias afluentes para formar el caudal principal de un río. Este patrón revela la dirección la dirección en la que se propago la fractura; la fractura se propaga en la misma dirección en la que corre el agua en un río: río abajo.. Figura 12. Fractura por clivaje en un acero endurecido. Se identifican las marcas de “rio” en la dirección de la flecha. Los bordes de grano fueron cruzados sin aparente efecto. 2000X. (reimpreso de WULPI, DONALD J.). Las fracturas intergranulares son aquellas siguen los bordes de grano debilitados por diversas razones.. Figura 13. Fractura intergranular en un acero endurecido. La fractura toma lugar entre los granos. Se revelan las formas de parte de los granos individuales. 2000X. (reimpreso de WULPI, DONALD J.). Las razones para que se debiliten los bordes de grano son frecuentemente muy sutiles y escasamente entendidas. Bajo ciertas condiciones algunos metales se someten a la migración o difusión de elementos o compuestos que fragilizan los bordes de grano. Fragilización por envejicimiento. Los materiales más susceptibles al fenómeno de fragilización por envejecimiento son los aceros de bajo carbono que son trabajados en frío severamente durante los procesos de formado. El calentamiento subsecuente durante la manufactura (como en el galvanizado por ejemplo) o el envejecimiento a temperatura ambiente durante el servicio puede causar la fragilización del material.. 17.

(18) IM -2006-II-30 Fragilización por templado. El enfriamiento rápido, o el templado de aceros de bajo carbono (0.04 a 0.12% C) desde temperaturas subcriticas sobre los 560°C puede precipitar carburos dentro de la estructura fragilizando de esta manera el material. Un periodo de envejecimiento de varias semanas a temperatura ambiente es necesario para alcanzar la fragilización máxima. De igual forma, los aceros templados que contienen cantidades apreciables de manganeso, sílice, níquel y cromo son susceptibles de fragilización por templado si también contienen una o mas de impurezas como antimonio, estaño y arsénico. La fragilización de aceros susceptibles puede ocurrir después de calentar en un rango entre 370 y 575°C pero ocurre más rápidamente alrededor de los 450 a 475°C. Fragilización azul. Las superficies brillantes de acero se oxidan obteniendo un color azuloso cuando los aceros al carbono y algunos aceros aleados son calentados entre 230 y 370 °C. Después del enfriamiento, existe un incremento en la resistencia a tensión y una marcada reducción en la ductilidad y en la resistencia al impacto causado por el endurecimiento por precipitación dentro del rango de temperatura critica. Fragilización a 500°F (260ºC). Los aceros de alta resistencia y bajo contenido de aleantes que contienen cantidades sustanciales de cromo o manganeso son susceptibles a fragilización si se templan en un rango entre 400 a 700°F (200-370°C) después de endurecidos, resultando en una estructura martensítica. Aceros con microestructuras de bainita inferior templada también son susceptibles a la fragilización a 500°F (260ºC), en cambio, aceros con microestructuras perliticas y otros aceros bainiticos no lo son. Fragilización entre 400 y 500°C. Los aceros ferriticos inoxidables con alto contenido de cromo de grano fino, normalmente dúctiles, se fragilizarán si se mantienen entre 400 y 500°C por largos periodos de tiempo. M antener el material a temperaturas más altas por varias horas debería restituir la ductilidad normal. Fragilización por fase sigma. Un servicio prolongado entre 560 y 980 °C puede causar la formación de la dura y frágil fase sigma en aceros inoxidables ferriticos, austeniticos y aleantes similares. La resistencia al impacto se reduce significativamente, particularmente cuando el metal ha sido enfriado a 260°C aproximadamente o menos. Grafitización. La producción de grafito puede ocurrir en una delgada zona afectada por el calor de soldadura en aceros al carbón o aceros con molibdeno que se mantienen a temperaturas superiores a los 425°C por periodos prolongados. El grado de fragilización depende de la distribución, el tamaño y la forma del grafito formado en la zona afectada por el calor. Fragilización en compuestos intermetálicos. La exposición prolongada de aceros galvanizados a temperaturas justo por debajo del punto de fusión del zinc (420°C) causa difusión del zinc dentro del acero. Esto resulta en la formación de de un compuesto intermetálico frágil hierro-zinc ubicado en los bordes de grano.. 18.

(19) IM -2006-II-30 Otros tipos de fragilización que conducen generalmente a fractura de tipo intergranular son causados por factores ambientales. Dentro de los cuales se incluyen los siguientes: Fragilización por irradiación con neutrones. La irradiación de piezas de acero con neutrones en reactores nucleares usualmente resulta en un aumento significante de la temperatura de transición dúctil-frágil en el acero. Factores metalúrgicos como tratamientos térmicos, microestructrura, control de impurezas, y la composición del acero afectan considerablemente la susceptibilidad del material para este caso de debilitamiento de borde de grano. Fragilización por hidrógeno. Los átomos de hidrógeno se difunden rápidamente en el acero en procesos como el decapaje ácido, electrorecubrimientos, soldadura de arco con electrodos húmedos o mojados, y la exposición a sulfuros de hidrógeno. Posterior al sometimiento de esfuerzos, puede ocurrir una fractura frágil tardía, particularmente en aceros de alta resistencia. Agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo. Una exposición simultanea a un esfuerzo a tensión (aplicado o residual) y a un ambiente corrosivo moderado puede causar fracturas frágiles que pueden ser intergranulares o transgranulares, dependiendo de las condiciones. Si alguno de los dos factores anteriores se elimina, la fragilización por agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo no puede ocurrir. Fragilización por metal liquido. Ciertos metales líquidos pueden fragilizar los metales sólidos con los que entran en contacto. La presencia de un esfuerzo a tensión también es requerida para que ocurra la fractura frágil. 1.4 MEC ANIS MOS MICROS CÓPICOS DE PROPAGACIÓN DE GRIETA 1.4.1 Propagación de grieta por clivaje o cuasi-clivaje Por definición, clivaje es un término utilizado para describir la propagación de grieta por un mecanismo frágil. Un rasgo distintivo de la grieta por clivaje es que esta procede de ciertos planos cristalográficos. Aunque el mecanismo exacto por el cual las grietas por clivaje se nuclean, se cree que este involucra algún proceso de deformación plástica localizado. Una vez se inicia, sin embargo, una grieta por clivaje se propaga rápidamente con muy poca o ninguna deformación plástica en la punta de grieta, y es entonces clasificada como frágil. Usualmente, la fractura por clivaje se observa en estructuras cúbicas centradas en el cuerpo (BCC) como la ferrita, en donde el plano de clivaje es usualmente del tipo {100}, aunque también puede ocurrir sobre planos {110}. Dentro de un grano dado del material, una gran parte de la grieta por clivaje procede de un plano específico, y este es referido como clivaje primario. Sin embargo, la grieta primaria puede ser interceptada por un obstáculo dentro del grano, y en este caso, el recorrido de la grieta por clivaje pasa a otro plano paralelo. A esto se le llama clivaje secundario, y produce escalones en la superficie de fractura por clivaje. Otro escalón por clivaje se produce cuando la grieta es interceptada por un borde de grano. La fractura por mecanismo de clivaje es favorecida por condiciones de esfuerzo en un solo plano. 19.

(20) IM -2006-II-30 La propagación de grieta por cuasi-clivaje se asemeja a la de clivaje en cuanto a que ambas son frágiles y ocurren transgranularmente. Sin embargo, esta no necesariamente sigue planos cristalográficos específicos. Típicamente, este es el tipo de propagación de grieta que conduce a la fractura en aceros de bajo carbón. 1.4.2 Propagación de grietas por coalescencia de microcavidades Similar al clivaje, la propagación de grietas por coalescencia de microcavidades es esencialmente trans granular; sin embargo, en algunos casos también puede ocurrir en los bordes de grano. En contraste con el clivaje, la fractura por coalescencia de microcavidades ocurre por un mecanismo dúctil. Las microcavidades usualmente se nuclean en regiones de concentración de elevado esfuerzo localizado como partículas de segunda fase o bordes de grano. Estos esfuerzos localizados pueden ser aliviados mediante la apertura de una microgrieta o microcavidad. Cuando la intensidad de los esfuerzos aumenta, las microcavidades crecen en tamaño y eventualmente coalescen para formar la superficie de fractura. La coalescencia de microgrietas resulta en depresiones en forma de hoyuelos sobre la superficie de fractura. Algunas veces, las partículas de segunda fase que actúan como sitios de nucleación para las microcavidades se observan dentro de los hoyuelos. Información importante sobre el comportamiento de la fractura en el material se puede obtener desde el tamaño observado y la forma de los hoyuelos. Es evidente desde el mecanismo por el cual los hoyuelos se desarrollan en la superficie de fractura que su tamaño se determina por la densidad y distribución de los sitios en los cuales se pueden nuclear las microcavidades. Hoyuelos relativamente pequeños resultan cuando el material contiene un amplio número de sitios en donde las microcavidades se pueden nuclear. En contraste, si los sitios disponibles para la nucleación de microcavidades son limitados y ampliamente separados, los hoyuelos se vuelven grandes. De igual forma, es posible observar diversos tamaños de hoyuelo sobre la superficie de fractura si los sitios de nucleación de las microcavidades no están uniformemente distribuidos dentro del material.. Figura 14. Vista detallada de la superficie de fractura producida por la coalescencia de microcavidades que resulta en una estructura tipo hoy uelo. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.). La forma de los hoyuelos se encuentra influenciada por el estado de esfuerzos que condujo a la fractura. Cuando el estado de esfuerzos es del tipo uniaxial a tensión, los hoyuelos sobre ambas superficies de fractura tienen una morfología equiaxial. Cada hoyuelo es bordeado por un labio y su profundidad es una función de la microestructura y la ductilidad. Por ejemplo, las microcavidades nucleadas alrededor de partículas grandes pertenecientes a una segunda fase pueden producir hoyuelos más profundos en comparación con partículas 20.

(21) IM -2006-II-30 más pequeñas. Hoyuelos más profundos también se asocian con una ductilidad más alta, mientras que una ductilidad más baja contribuye a la formación de hoyuelos más bajos. Algunas veces se observan pequeños agujeros en el fondo de los hoyuelos correspondientes a la conexión con otras microcavidades por debajo de la superficie de la fractura final.. Figura 15. Vista generalizada de la superficie de fractura producida por la coalescencia de microcavidades. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.). 1.4.3 Propagación de grieta intergranular Como su nombre lo indica, la propagación de grieta intergranular avanza a lo largo de los bordes de grano. Generalmente, los bordes de grano de un material dúctil policristalino son fuertes a temperaturas relativamente bajas; sin embargo, estos se hacen más débiles a temperaturas elevadas. A menudo, estos materiales se fracturan transgranularmente a bajas temperaturas. Sin embargo, es también posible que una fractura intergranular ocurra a bajas temperaturas por varias razones principalmente relacionadas con cambios en la microestructura.. Figura 16. Superficie de fractura intergranular donde los granos se separaron sin coalescencia de microcavidades. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.). Se distinguen entonces dos tipos de propagación de grieta intergranular a bajas temperaturas: (i) propagación intergranular frágil y (ii) propagación intergranular dúctil. Cuando la propagación ocurre por un mecanismo frágil, los granos se separan sin 21.

(22) IM -2006-II-30 coalescencia de microcavidades. En contraste, la propagación de grieta intergranular por mecanismo dúctil ocurre por coalescencia de microcavidades en los bordes de grano. En este caso, la superficie de fractura exhibe facetas de grano separado. Cada faceta contiene hoyuelos resultantes de la coalescencia de microcavidades que a su vez resultan de la deformación plástica localizada en las zonas de borde de grano. Usualmente, este tipo de fractura se observa cuando ciertas reacciones de precipitación resultan en el agotamiento de aleantes cerca de los bordes de grano.. Figura 17. Superficie de fractura donde se presenta propagación de grieta intergranular mediante mecanismo dúctil. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.). A elevadas temperaturas, los bordes de grano se debilitan, lo cual puede conducir a la propagación de grieta intergranular, tal como se encuentra en los ensayos de creep. La mayoría de la evidencia señala que el mecanismo responsable de la propagación de grieta bajo condiciones de creep es el deslizamiento entre bordes de grano. 1.4.4 Propagación de grieta por corrosión bajo esfuerzo Un rasgo característico de la propagación de grieta por corrosión bajo esfuerzo es que las grietas crecen incrementalmente, dando paso a la ramificación de la grieta. La propagación de la grieta puede ocurrir transgranularmente o intergranularmente. Las superficies de fractura producidas por propagación trans granular de grieta bajo condiciones de corrosión bajo esfuerzo pueden exhibir ras gos morfológicos semejantes a una fractura producida por fatiga. En este caso, la fractura exhibe marcas de playa, o estriaciones producidas por las diferencias en la profundidad del ataque en la superficie.. Figura 18. Ilustración esquemática de las estriaciones producidas debido a agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.). 22.

(23) IM -2006-II-30. Figura 19. Superficie de fractura producida por corrosión bajo esfuerzo en acero con marcas de playa. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.). En el esquema mostrado en la figura 19, donde la dirección de propagación es normal al esfuerzo a tensión, la superficie de fractura contiene facetas paralelas desplazadas separadas por escalones (marcas de playa). Las facetas paralelas, normales al esfuerzo a tensión, siguen los planos de clivaje del material, y cuando los filos de cada faceta se endentan, los escalones resultantes siguen otra serie de planos cristalográficos. La propagación intergranular puede ocurrir cuando el material es sensibilizado, por ejemplo, cuando contiene una red continua de precipitados en el borde de grano. 1.4.5 Propagación de grieta inducida por la presencia de hidrógeno Al igual que en el agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo, la fractura puede producirse por propagación intergranular o trans granular de grietas inducidas por hidrógeno dependiendo de la microestructura del material. Ya sea que la grieta se propague inter o transgranularmente, la resistencia del agrietamiento inducido por hidrógeno aumenta al disminuir el tamaño de grano. Si el material no es sensibilizado, por ejemplo, es libre de precipitados intergranulares, las grietas se propagan trans granularmente. En este caso, las imperfecciones planares son las más susceptibles al agrietamiento inducido por hidrogeno. Si el material es sensibilizado, los bordes de grano se hacen mas susceptibles al agrietamiento, y en este caso se dice que el material fue fragilizado por hidrogeno. 1.5 MODOS DE FRACTURA Y FRACTOGRAFÍA Los modos de fractura se refieren al mecanismo por el cual la grieta se propaga para producir fractura. Antes de que la causa de falla pueda ser determinada, esta debe ser caracterizada. La fractografía se refiere a la técnica metalográfica usada para caracterizar el modo de fractura. Sin embargo, es importante resaltar que gran parte de la información sobre el modo de fractura puede ser obtenida a partir de la apariencia macroscópica de la superficie de fractura.. 23.

(24) IM -2006-II-30 1.5.1 Superficies de fractura producidas por mecanismo de clivaje Dado que la mayoría de las grietas por clivaje son transgranulares, la superficie de fractura tiene un aspecto granular o brillante a pequeños aumentos, los escalones propios del clivaje se hacen evidentes a aumentos más altos. En contraste, una fractura por cuasi-clivaje exhibe marcas radiales y marcas de chevron a bajos aumentos, los escalones de cuasi-clivaje son observados en aumentos más altos. Si el clivaje ocurre sobre un único plano cristalográfico, la resultante superficie de fractura es lisa a una escala atómica. Sin embargo, dado que las aleaciones de ingeniería son sistemas complejos de aleantes con múltiples fases, las correspondientes superficies de fractura por clivaje exhiben una variedad de rasgos morfológicos. Debido a la presencia de varios rasgos microestructurales, las grietas por clivaje pueden nuclear en diversas ubicaciones dentro de los granos. Cuando estas grietas se propagan, el frente de grieta puede evitar varios obstáculos produciendo una superficie de fractura de una morfología irregular compleja.. Figura 20. Superficie de fractura producida por mecanismo de clivaje mostrando patrones de rio. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.). 1.5.2 Superficies de fractura producidas por coalescencia de microcavidades Dado que en la generación de una superficie de fractura por coalescencia de microcavidades se involucra la deformación plástica, la superficie de fractura muestra evidencias de bandas o líneas de deslizamiento. Cuando una cavidad es creada en la interfase entre una partícula de fase secundaria y la matriz, la deformación plástica por deslizamiento ocurre en las vecindades de la partícula. Cuando la deformación continúa, el tamaño de las cavidades aumenta, y eventualmente las capas de interconexión del material se separan. Esto resulta en una superficie de fractura consistente de hoyuelos. Si las cavidades se forman en la interfase entre la matriz y partículas de una fase secundaria, los centros de algunos hoyuelos contienen partículas. En algunos casos donde la deformación plástica localizada ocurre en la vecindad de las cavidades, las bandas de deslizamiento pueden ser observadas en la superficie de fractura. Bandas de deslizamiento rectas se observan en materiales con una estructura FCC si las dislocaciones son restringidas a moverse sobre planos de deslizamientos únicos correspondientes a una alta energía de apilamiento de fallas. De forma inversa, si la energía de apilamiento de fallas es baja y las dislocaciones se entrecruzan, las bandas de deslizamiento se vuelven onduladas. Tanto la densidad, el tamaño, y la profundidad de los hoyuelos observados sobre superficies de fractura producidas por coalescencia de microcavidades reflejan la cantidad de deformación plástica que precedió a la fractura. Para materiales altamente dúctiles, la. 24.

(25) IM -2006-II-30 superficie de fractura contiene bajas densidades de hoyuelos grandes y profundos. A medida que la ductilidad se reduce, los hoyuelos se hacen más finos, menos profundos y se presentan con una mayor densidad. Aunque en este caso, puede todavía ocurrir en la vecindad de las cavidades, la cantidad de deformación macroscópica requerida para completar la separación disminuye.. Figura 21. Superficie de fractura producida por coalescencia de microcavidades. (reimpreso de TAWANCY, HANI M.). 1.5.3 Superficies de fractura producidas por separación intergranular Una fractura intergranular exhibe una superficie liza y brillante a bajos aumentos, mientras que a aumentos mas altos se observa una estructura semejante a la estructura granular del material. A bajos aumentos una fractura dúctil se presenta fibrosa y rugosa. Sin embargo, a aumentos más altos, se encuentra que la fractura resulta de la creación, crecimiento y coalescencia de cavidades, resultando en un patrón de hoyuelos sobre la superficie de fractura. 1.5.4 Superficies de fractura producidas mediante el mecanismo de fatiga La fractura por fatiga se distingue por sus estriaciones características. El método para estimar el número de ciclos que precedían la fractura final, se basa en la medición del espaciamiento entre las estriaciones producidas por fatiga sobre la superficie de fractura. El análisis de áreas relativamente grandes de superficie mediante microscopía electrónica de barrido permite la identificación del área de origen de la fractura y la diferenciación entre las etapas I y II de la propagación de grieta. El punto de intersección común entre todas las marcas, será el origen de la fractura. La superficie de fractura puede contener más de un origen, indicando niveles elevados de concentración de esfuerzos en lugares puntuales. La etapa I de propagación usualmente no muestra signos de estriación y se extiende solo a unos pocos granos alrededor del lugar de origen. La etapa II de propagación es representada por un cambio en la orientación sobre el plano de fractura. La forma y la localización del frente de grieta indican el tipo de carga aplicada (tensión, flexión, torsión, etc.). De igual forma, la localización y tamaño de la fractura final indica la magnitud del nivel de esfuerzo nominal.. 25.

(26) IM -2006-II-30 1.5.5 Superficie de fractura producida por Creep El creep a alta temperatura es generalmente iniciado por la nucleación de microcavidades en los bordes de grano debido a un derretimiento localizado. Estas cavidades se alargan y propagan a los largo de los bordes de grano resultando en un agrietamiento intergranular que finalmente conduce a la fractura. Los granos que se revelan después de la fractura son redondeados y alongados en contraste con la morfología de facetas lizas mostrada típicamente en fracturas intergranulares de baja temperatura. Ocasionalmente, se puede encontrar evidencia de oxidación sobre la superficie de fractura. 1.5.6 Superficie de fractura producida por agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo La propagación de grieta por corrosión bajo esfuerzo puede ocurrir de forma intergranular o transgranular. Dado que el agrietamiento por corrosión bajo esfuerzo toma lugar bajo efectos combinados de esfuerzos y ambientes desfavorables, la superficie expuesta después de la fractura normalmente estará cubierta por una capa de productos resultantes de la oxidación y corrosión. La superficie de fractura tendrá una apariencia cristalina o plana dependiendo del modo de propagación de grieta posterior. 1.5.7 Superficie de fractura producida por agrietamiento inducido por hidrogeno El agrietamiento inducido por hidrogeno consiste predominantemente de una única grieta sin ningún tipo de ramificaciones. La propagación de grieta puede ser intergranular, transgranular o puede cambiar de un modo a otro. La grieta puede iniciarse desde el interior del material o desde la superficie. El daño por hidrogeno puede producir “hojuelas” (las cuales son cortas y de forma elíptica) y grietas discontinuas que toman una apariencia brillante.. 26.

(27) IM -2006-II-30. 2. ANALIS IS DE FALLA. 2.1 RECOPILAC IÓN DE ANTECED ENTES DE FALLA Un cigüeñal es el elemento mecánico al interior de un motor que se encarga de convertir el movimiento traslacional de los pistones en movimiento rotatorio y transmitirlo al volante del vehículo. El cigüeñal objeto de este estudio falló en dos secciones mientras se encontraba en servicio. Se analizaron las superficies de falla tanto de la sección izquierda (de ahora en adelante llamada sección A) como de la sección derecha (de ahora en adelante llamada sección B). Sección A. Sección B. Figura 22. Vista general del cigüeñal fracturado indicando la zona de falla para las secciones A y B. 2.1.1 Obtención de geometría del cigüeñal La geometría del cigüeñal fue obtenida a partir de la medición de los diámetros y longitudes de todos los muñones y la elaboración de bocetos a mano de todas las bancadas que posteriormente fueron aproximados a formas geométricas de dimensiones conocidas como se puede observar en la figura 28. Las dimensiones de la geometría del cigüeñal se encuentran descritas en los planos contenidos en el primero de los anexos pertenecientes a este documento.. 27.

(28) IM -2006-II-30. Figura 23. Aproximación geométrica del boceto obtenido a mano de una de las bancadas del cigüeñal.. 2.1.2 Determinación del peso de cigüeñal La determinación del peso del cigüeñal se realizó a partir de la medición del peso de las dos secciones que lo componen. La sección A tiene un peso de 12.5 K g. mientras que la sección B tiene un peso de 15 Kg. 2.1.3 Inspección visual La inspección visual de la pieza fue precedida por una adecuación de la misma; la cual incluyó su limpieza y una posterior aplicación de aceite para evitar la oxidación de la superficie durante el estudio a realizar. La limpieza constó de dos etapas: la primera en donde se utilizó gasolina para limpiar la superficie y la segunda en donde se aplicó una mezcla thinner-acetona sobre toda la pieza. Se observaron evidencias de deformación permanente en las regiones cercanas a la zona de fractura. Se identificaron deformaciones sobre el filo de la bancada siguiente a la superficie de fractura perteneciente a la sección B y deformaciones adyacentes a la superficie de fractura de la sección A. Al observar detenidamente la relación entre dichas deformaciones y la superficie de fractura, no existe continuidad alguna entre estas. Es decir, la aproximación visual inicial sugiere que las deformaciones encontradas no fueron causa de la fractura y posiblemente fueron ocasionadas por la manipulación de la pieza posterior a la fractura. Bancada. Filo de unión. Muñón Figura 24. Deformación sobre la bancada. 28.

(29) IM -2006-II-30. Figura 25. Deformación adyacente a la superficie de fractura. Marcas de rectificado. Figura 26. Marcas de rectificado posteriores al proceso de fabricación sobre la unión entre muñón y bancada. Dentro de las evidencias de mayor relevancia obtenidas a partir de la inspección visual se destacan las marcas de rectificado sobre las superficies pertenecientes a las bancadas que se encuentran próximas a los muñones. Dichas marcas se reconocen sobre la superficie como un rayado de aspecto radial que refleja la remoción de una capa superficial de material propia del proceso de rectificado. De igual forma, dentro de las evidencias más relevantes, se encontraron marcas de picado sobre la superficie de uno de los muñones. Las manchas alrededor de las marcas de picado no corresponden a un proceso de oxidación posterior a la fractura sino que fueron consecuencia de un deterioro posterior a la limpieza.. Figura 27. Evidencias de fatiga sobre la superficie de uno de los muñones del cigüeñal.. 29.

(30) IM -2006-II-30 2.1.4 Especificaciones de operación El cigüeñal de estudio corresponde a un cigüeñal de referencia Ford 351M , el cual pertenece al motor de un furgón Ford F250 modelo 1980. 2.1.4.1 Especificaciones técnicas del motor Ford F250 1980 Las especificaciones técnicas del motor se listan a continuación: • • • • • • • •. Bloque en V Ocho cilindros Diámetro del pistón: 4.00in. Recorrido del pistón: 3.50in. 3 3 Cilindrada: 351.8in (5767 cm ) Potencia: 156 hp a 4000 rpm Torque neto: 262 lbs.-ft. a 2200rpm Tipo de Carburador: Dos-barriles. La cilindrada del motor fue determinada calculando el volumen correspondiente a los ocho cilindros a partir de las dimensiones del diámetro del pistón y el recorrido del pistón, el cual se entiende como la distancia recorrida entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior. 2.1.5 Proceso de fabricación El proceso general de fabricación de un cigüeñal consta de 4 pasos principales: fundición, desbordado, granallado o tratamiento térmico superficial (el cual es opcional) y finalmente un proceso de rectificación. En la fundición se vierte el metal en estado líquido a los moldes de arena diseñados para definir la geometría general de la pieza. En el proceso de desbordado se remueve el material de exceso una vez se solidifica el metal vertido en la fundición. El granallado es un proceso en el cual se bombardea la superficie con partículas abrasivas que remueven las impurezas provenientes del proceso de fundición y además aumentan la resistencia a la fatiga de la capa superficial del material dado que por la deformación plástica que causa se “cierran” las grietas preexistentes. Finalmente, con el proceso de rectificación se alcanzan las tolerancias geométricas requeridas para el correcto funcionamiento del cigüeñal y se afina el acabado superficial necesario en los muñones. 2.2 CARACTERIZAC IÓN DEL MATERIAL Para la ejecución del análisis de falla es de suma importancia determinar con que material se está trabajando. Una vez definido el material, es posible caracterizar el tipo de comportamiento que este exhibe en términos de esfuerzos a las condiciones de trabajo. De igual manera, la clasificación de la fractura encontrada depende en gran parte del material en cuestión; es por esta razón, que el definir el material reduce el espectro de clasificaciones en las que se encuentre la falla analizada.. 30.

(31) IM -2006-II-30 2.2.1 Realización de análisis químico del material El primer paso en la clasificación del material fue realizar el correspondiente análisis químico del material. La caracterización química del material fue realizada mediante espectrometría de chispa utilizando un espectrómetro Jarrell Ash. La composición porcentual en peso de cada elemento se encuentra en la tabla 1 a continuación. %C 3.77. %Si 2.20. %Mn 0.732. %P 0.001. %S 0.001. %Cr 0.15. %Mo 0.001. %Ni 0.014. %Cu 0.027. %Sn 0.001. %Ti 0.034. %Pb 0.013. %Al 0.022. Tabla 1. Resultados del análisis realizado por composición química porcentual en peso.. Una vez obtenida la composición química del material, se ingresaron las tres composiciones de mayor relevancia (carbono, silicio y manganeso) a la búsqueda cuantitativa de aleantes de la página en internet de M atweb. De dicha búsqueda se obtuvo como resultado que el material en cuestión se trataba de una fundición de hierro dúctil. Para confirmar los resultados anteriormente obtenidos, se comparó la composición química obtenida con las composiciones contenidas en la bibliografía respecto a fundiciones de hierro. Gracias a dicha comparación se encontró que para el material del cigüeñal, las composiciones de carbono, manganeso, silicio, níquel, fósforo y azufre se encontraban dentro del rango ofrecido por las composiciones de la fundición de hierro dúctil. Se descartan los otros dos tipos de fundición de hierro ya que la composición de carbono no se encuentra dentro de los rangos ofrecidos por los otros dos materiales: el hierro gris y el hierro maleable. Composición, % Tipo. TC. Mn. Si. Cr. Ni. Mo. Cu. P. S. Ce. Mg. Hierro gris. 3.25 - 3.50. 0.50 - 0.90. 1.80 - 2.30. 0.05 - 0.45. 0.05 - 0.20. 0.05 - 0.10. 0.15 - 0.40. 0.12 max. 0.15 max. …. …. Hierro maleable. 2.45 - 2.55. 0.35 - 0.55. 1.40 - 1.50. 0.04 - 0.07. 0.05 - 0.30. 0.03 - 0.10. 0.03 - 0.40. 0.03 max. 0.05 - 0.07. …. …. Hierro dúctil. 3.60 - 3.80. 0.15 - 1.00. 1.80 - 2.80. 0.03 - 0.07. 0.05 - 0.20. 0.01 - 0.10. 0.15 - 1.00. 0.03 max. 0.002 max. 0.005 - 0.20. 0.03 - 0.06. Tabla 2. Composiciones de fundiciones de hierro seleccionadas. (reimpreso de AMERICAN SOCIETY FOR METALS.). 2.2.2 M etalografía Para continuar con la caracterización del material se adelantaron pruebas metalográficas sobre fragmentos del cigüeñal obtenidos de cortes longitudinales y transversales del muñón próximo a la superficie de fractura de la sección A. Estas pruebas metalográficas podrían confirmar o invalidar los resultados obtenidos previamente en la composición química. Para la preparación de las muestras metalográficas se siguió la norma ASTM E3. El proceso de pulido de las superficies se finalizó con lijado sobre paños con alúmina de 0.3 micras métricas y posteriormente de 0.05 micras métricas. Para la visualización de la muestra se atacaron las superficies con nital al 3%. El microscopio utilizado para la visualización de las muestras fue un M icroscopio metalográfico M etalux II.. 31.

(32) IM -2006-II-30. Figura 28. Microestrctura de hierro dúctil. 100X. (reimpreso de AMERICAN SOCIETY FOR METALS.). Figura 29. Microestructura obtenida en los exámenes metalográficos, sección transversal. 100X. Nital 3%.. Figura 30. Microestructura obtenida en los exámenes metalográficos, sección longitudinal. 100X. Nital 3%.. Las metalografías realizadas revelan una estructura en donde el grafito se presenta en forma de nódulos, los cuales se encuentran rodeados por ferrita en una matriz perlítica. El patrón de nódulos de grafito rodeado por ferrita, también llamado patrón de ojo de toro, es típico de las fundiciones de hierro dúctil. Al comparar la estructura obtenida con la estructura de un hierro dúctil proporcionada por la bibliografía se encuentra que ambas exhiben los mismos patrones característicos de una fundición de hierro dúctil. Se determina entonces que el material en el cual fue elaborado el cigüeñal objeto de estudio se trata de un hierro dúctil nodular.. 32.

(33) IM -2006-II-30. Matriz perlítica. Ferrita. Nódulos de grafito Figura 31. Microestructura obtenida en los exámenes metalográficos, sección transversal. 500X. Nital 3%.. Figura 32. Microestructura obtenida en los exámenes metalográficos, sección longitudinal. 500 X. Nital 3%.. 2.2.3 Ensayos mecánicos 2.2.3.1 Dureza Una vez determinado el material como una fundición de hierro dúctil, es necesario encontrar la posible especificación a la que corresponde el material. La definición de la especificación propia del material se realiza a partir de ensayos de dureza. Para los ensayos de dureza se siguió la norma ASTM E10, utilizando una carga de 3000 Kg. con una bola de 10 mm. de diámetro durante 30 seg. Las dimensiones de la probeta equivalen a una pieza de 4 cms. de ancho, 4 cms. de largo y 1.5 cms. de alto. La pieza corresponde a un fragmento del núcleo del muñón próximo a la superficie de fractura en la sección A. Se tomaron 5 durezas sobre la superficie de la probeta con valor promedio de 175,2 HB y una desviación estándar de 3,834 HB.. 33.