Análisis de Fallas en Materiales

Se considera que una pieza ha fallado cuando se cumple:

  • El equipo no responde
  • El equipo es operable pero no satisface la función
  • Su falla es evidente y no da confianza

Objetivos para realizar un análisis de falla:

  • Mejores prácticas en la ingeniería (Razones técnicas)
  • Razones legales
  • Daños cuantiosos a la propiedad o pérdida de vidas humanas

Tipos de Fractura

Fractura frágil:

Se caracterizan por una rápida propagación de la grieta, con un menor consumo de energía que la fractura dúctil y sin deformación plástica generalizada apreciable. / Ausencia de deformación plástica en el material

Marcas de Chevron:

Apuntan hacia el origen de la grieta.

Fractura dúctil:

Se caracterizan por un desgarramiento del metal, acompañado de una apreciable deformación plástica generalizada y con un considerable consumo de energía / Tiene que estar presente la deformación (estricción)

  • Fracturas planas: Se producen bajo condiciones de deformación plana, es decir, es secciones gruesas, con estricción y típicamente ocurre en dirección perpendicular a la dirección de carga.
  • Fractura corte: Se produce bajo condiciones de tensión plana, es decir, en secciones delgadas o cerca de superficies libres, con o sin estricción.

Fatiga:

Es un modo de falla de tipo mecánico, fractura de tipo frágil.

Propiedades de los Materiales

Conformado de los materiales:

Mediante forjas, laminado, trefilado, acuñado.

Acero:

Ductilidad, resistencia mecánica

3 condiciones o estado que fragilizan los materiales:

  • Estados triaxiales
  • Bajas T° / T° de transición dúctil-frágil/
  • Alta velocidad de deformación

Tenacidad a la fractura:

Propiedad de cada material

Tolerancia al daño:

Se basa en técnicas de ensayo no destructivos, en el cual se puede encontrar una grieta.

Proceso de Fractura

Fractura:

Es el proceso de separación o fragmentación de un cuerpo sólido en dos o mas partes.

La fractura puede ocurrir de varias maneras

  • Aplicación lenta de cargas externas
  • Aplicación rápida de cargas externas (impacto)
  • Cargas cíclicas o repetidas (fatiga)
  • Deformación dependiente del tiempo y la T° bajo una carga constante

Etapas en el proceso de fractura

  • Acumulación de daño
  • Nucleación de una o más grietas
  • Propagación de una grieta hasta completar la separación del material

Tipo de falla de los materiales

  • Manifestación de falla
  • Agentes que inducen fallas
  • Ubicación de la falla

Tipos de modo de fractura

  • Modo de abertura
  • Modo deslizante
  • Modo desgarrante

Comportamiento de Diferentes Materiales

Cerámicos:

En su estructura tiene grietas por lo que no resisten ensayos de tracción y de compresión.

Terminología Adicional

Propagación:

Que va creciendo, va avanzando.

Coalescencia:

Nucleación de una grieta o mas, las grietas se unen y van creciendo juntas.

Límite de fluencia:

Exceder la resistencia de un material

Corrosión:

Es un defecto producto de la interacción de un metal con el medio.

Fractura transgranular:

Corta al grano, requiere mayor energía.

  • Coalescencia de microhuecos
  • Clivaje
  • Cuasiclivaje

Fractura intergranular:

Va por el límite de grano, requiere menor energía

  • Separación de límites de grano con o sin coalescencia de microhuecos

Clivaje:

Se producen en las fracturas tipo frágiles, es un modo de falla.

Grieta:

La superficie que va dejando la fractura a medida que va avanzando.

Fractura por Fatiga

Fractura por Fatiga:

Se produce por la aplicación de tensiones cíclicas o repetidas, las cuales pueden ser bastante inferiores a la tensión de fluencia nominal del material.

Variables que influyen en el comportamiento de la fatiga:

  • T°
  • Medio ambiente
  • Presencia de una tensión media
  • Acabado superficial
  • Forma del tamaño de la probeta o pieza
  • Presencia de tensiones residuales
  • Microestructura,…

Fretting:

Nudimiento, desgaste de componente.

Marcas de progresión de las superficie de fractura por fatiga:

  • Marcas de playa
  • Marcas de marea
  • Marcas tipo concha de almeja.

Corrosión

Corrosión:

Se define como el deterioro y perdida de material debido a la interacción química o electroquímica entre el medio y el material.

Clasificación de los procesos de corrosión:

Según el medio

Gaseoso:

Esta constituido solo por gases

  • Atmósfera contaminada: Atm industrial, Atm marina, Atm urbana, Atm tropical, combinación de las anteriores.
  • Atm no contaminada o rural
Sólido:

Esta representado por los suelos

  • Suelos arenosos, arcillosos, otros
Líquido:

Aguas naturales (Dulces y salinas)/ Otro liquido como alcoholes, ácidos, etc.

Según su naturaleza:

  • Corrosión química: Es en donde hay ausencia de transferencia de electrones
  • Corrosión electroquímica: Existe transferencia de electrones

Según la forma de ataque:

  • Corrosión uniforme: El ataque se extiende en forma homogénea sobre la superficie metálica.
  • Corrosión en placas: El ataque es ligeramente mas pronunciado en algunas regiones.
  • Corrosión por picado: “Pitting”, Consiste en un ataque localizado y profundo.

Clasificación de los procesos de corrosión

  • Corrosión intergranular: Se produce a través de los bordes de grano de una estructura bifásica.
  • Corrosión bajo tensiones: Puede presentarse cuando un metal está sometido simultáneamente a la acción de un medio corrosivo y a tensiones mecánicas de tracción.
  • Corrosión-Erosión: Se produce en metales por los cuales circulan líquidos que esta en régimen laminar o turbulento.
  • Corrosión –Cavitación: Consiste en la formación de burbujas de vapor del liquido, debido a que la presión de vapor del liquido llega a ser menor en algunos puntos de la masa liquida que la verdadera tensión de vapor.
  • Corrosión Selectiva: Se presenta en aleaciones en las que los aleantes difieren bastante entre si en sus potenciales electroquímicos.

Corrosión por fricción:

“Fretting”. Es el deterioro que se produce en las áreas de contacto entre dos materiales sometidos a pequeños movimientos relativo de deslizamiento o vibratorio.

Corrosión química:

  1. Primero: la superficie del metal aparece limpia y brillante por cierto tiempo.
  2. Segundo: de pronto aparecen núcleos de oxido que comienzan a extenderse sobre la superficie del metal
  3. Tercero: es la de engrosamiento del oxido resultante de este conglomerado de núcleos.

Corrosión electroquímica:

  • Dos o mas metales distintos en contacto
  • Presencia de fases diferentes en una misma aleación
  • Presencia de capas de óxidos conductores de electrones
  • Diferentes grados de aireación de una pieza metálica
  • Corrientes inducidas por circuitos eléctricos mal aislados.

Corrosión galvánica:

para que ocurra debe haber un camino eléctrico común, presencia de un electrolito ( conductor de cobre), potenciales eléctricos distintos.

Mg y Zn:

Siempre tienden a ir a la solución, sea cual sea la concentración de iones, se usan como ánodo de sacrificio.

Pilas galvánicas:

El electrodo con menos potencial es el que se corroe.

Sistema de protección anticorrosiva

Protección catódica:

Consiste en polarizar el metal de modo que su potencial llegue hasta condiciones de inmunidad. Tres regiones: corrosión, inmunidad y pasivación.

  • Corriente impresa
  • Ánodo de sacrificio

Protección anódica:

Formación de películas protectoras pasivas en las superficies de los metales y aleaciones.

Pasivación:

Formación de una capa superficial de protección de productos de reacción que inhiben reacciones posteriores.

Creep

Creep:

Por la frontera de grano

Existen 2 tipos de ensayos (caldeta a altas temperaturas)
El ensayo de creep: Mide la variación de dimensiones que se produce durante la exposición a altas temperaturas.

El ensayo de tracción hasta la ruptura: Mide el efecto de la temperatura.

La resistencia aumenta según crece la velocidad de deformación.

La formación de un metal

  • Función del tiempo
  • T°
  • Tensión aplicada

Consecuencia de la ley potencial de creep

  • A carga o tensión constante, las deformaciones se acumulan en el tiempo
  • A deformación constante, las tensiones se relajan con el tiempo.

Mecanismos de creep

Creep por movimiento de dislocaciones:

Hace que las dislocaciones: -Venzan la resistencia intrínseca de la red – Venzan el efecto de obstrucción de los obstáculos.

Creep difusional:

Según se reduce la velocidad de creep cae rápidamente pero el creep no se detiene y se produce un mecanismo alternativo en el que solo hay difusión.

Curva típica de creep

Primario: Velocidad de deformación es decreciente. Secundario: Velocidad de deformación (de creep ) es constante. Terciario: Velocidad del creo crece hasta la rotura.

Para que haya creep

  • T°
  • Carga
  • Tiempo

En la fatiga se necesita numero de ciclos, en el creep se necesita tiempo.

Desgaste

Desgaste:

Es consecuencia del rozamiento metal – metal entre dos superficies, y es el deterioro sufrido por ellas a causa de la intensidad de la interacción de sus rugosidades superficiales.

Desgaste adhesivo:

Es cuando 2 superficies están en contacto y 1 de las superficie pasa a formar parte de la otra.

Desgaste Abrasivo:

Desgaste como resultado de la presencia entre las superficies en movimiento relativo de partículas extrañas de igual o mayor dureza a la de los materiales que lo conforman.

Corrosivo:

Es consecuencia en un aceite oxidado o de la contaminación de este con agua o con acido del proceso o del medio ambiente.

Teorología:

Estudia el fenómeno del desgaste y como recuperar piezas

Erosivo:

Es causado por un fluido a alta presión y con partículas solidas en suspensión. Las cuales al impactar sobre las superficies arrancan material de ellas.

Fatiga superficial:

Consecuencia de los esfuerzos cíclicos de tensión, compresión y esfuerzo cortante sobre la superficie, dando resultado a grietas profundas de fatiga que causan finalmente aparición de picaduras y de escamas.

Por cavitación:

Se produce desgaste producto del fenómeno hidráulico.

Por corriente eléctrica:

Se presenta como consecuencia del paso de corriente eléctrica de los elementos de una maquina.