Comportamiento Mecanico de Los Materiales 2017 Rev3

 

COMPORTAMIENTO  Y ENSAYO DE MATERIALES M20 ESCUELA INGENIERIA MECANICA UNR USO IN INTE TERN RNO O PRO PROHI HIBI BIDA SU DIFUSION versión2017 Rev. 3

COMP RTAMIENTO  E LOS MATERIALES COMPORTAMIENTO

 

1. INT INTROD RODUCC UCCION ION

El objeto de nuestro estudio es seguir profundizando en la comprensión y predicción de la respuesta del material situado, es decir que está formando parte de un mecanismo real, en el cual en mayor o menor medida podemos parametrizar para estimar las condiciones a las cuales está sometido. Muchas veces una falla nos "habla" respecto a las condiciones a las que estuvo realmente sometido el material más allá de toda estimación, en esos casos como un médico forense podremos también "escuchar" esas pistas o señales que nos ayudarán a comprender el estado de solicitación y la respuesta asociada del material. Para esto esto empe empezare zaremos mos por ente entender nder que la respuesta de un material, como hemos visto en los años anteriores, depende de la composición química, microestructura, historia termom ter momecá ecánic nica a Y TAM TAMBIÉ BIÉN N de su e esta stado do de ssoli olicit citaci ación. ón. Durante esta materia veremos comoo la res com respue puest staa del materi material al (su compor comportam tamien iento) to) es con condic dicion ionada ada por los dif difere erente ntess estados de solicitación (dirección del estado de tensiones, modo y velocidad de aplicación de la carga, geometría, temperatura, tensiones residuales, estados combinados, et etc) c) Metodológicame Metodológ icamente nte empez empezaremo aremoss por las piez piezas as ffallada alladass pa para ra avanz avanzar ar hacia hacia llas as causas y la comprensión de los fenómenos involucrados. En el desarrollo de la tecnología de los materiales siempre el objetivo es elegir el material de menor costo que pueda responder  satisfactoriamente la necesidad del servicio. Vie Viend ndoo la lass distin distinta tass forma formass dde e falla falla de los componentes component es (mat (materiale erialess y sus esta estados dos de de solicita solicitación) ción) nos pregun preguntarem taremos os por qué, así recorreremos el el camino de ver, analizar y comprender. En es esee camino, estudiaremos distintos ensayos mecánicos (tracción, choque, fatiga, creep) que nos ayudarán en esta comprensión y nos darán herramientas de evaluación y comparación para los diversos materiales bajo los distintos estados de solicitación solicitación.. Empecemos viendo los disti distintos ntos tipos de piezas falladas. En el siguiente esquema vemos el campo de acción de los enfoques desarrollados por la Ciencia de los materiales y la Ingeniería de los materiales. Para nosotros ambos enfoques serán complementarios pero nuestro objetivo fundamental es la aplicación concreta de los materiales en piezas reales

 

2. FALLAS EN MATERIAL ES

palabra, ra, una falla se defi define ne como un evento o condición no En el sentid sentido o genera general de la palab fallllaa y la prev preven enci ción ón,, se deseable.  A efectos de la discusión relacionada con el análisis de fa habla  de falla, cuando un componente es incapaz de realizar adecuadamente su función de uunn ccom ompo pone nent ntee ppue uede de va vari riar ar en gran medida. Por ejemplo, previs pre vista. ta.  LLa a función función pr prev evist ista de estética ica prete pretendid ndida. a. Esta cambio de color de un ele ento arquitectónico es un fracaso de su estét inca incapa paci cida dadd ssee pu pued edee ddef efin inir en varios niveles diferentes. ·

ueda total talmen mente in inu uti tilliz izad ada. a. El si sisste a o Cuando Cuan do  llaa es estr truc uctu turr queda componente es inoperable

·

Cuando  esta aún puede ser utiliz utilizada ada pero ya no es capa de desempeñar  su fun ión satisfact satisfactoriame oriamente. nte. El compone componente nte que funciona,  pero no realiza su función prevista. Esto se consi era una  pérdida de la f nción. nción. Un moto motorr a reacción reacción que se ejecuta pero  sólo puede producir empuje parcial (insuficientes ara permitir a una aeronave para despegar) despegar) es uun n ejemplo ejemplo de de una pérdida de la función.

·

Cuando  un serio deterioro de la misma la torna insegura para continuar ddeese peñándose en servicio. El sistema o componente  ha sufrido una pérdida de vida útil. Por  ejemplo,  un cable de alambre para un ascensor ha pe perd rdid ido o   su spor u vvid ida a d deservicio se ha sostenido fracturas fatiga algunoscuando de los hilos individuales, debido  a irregularid des en la envoltura sobre la polea. A alambre  continúa funcio ncionando nando,, la presencia presencia de fract fracturas uras po cabl ca bles es  ssee tr trad aduc ucee en una situ situación ación de ins insegur eguridad idad y por l falla. Otro ejemplo s ría el el de de un cciircuito iin ntegrado qu que funci

esar de que el cable de fatiga fat iga de alg alguno unoss de los tanto se considera una na de fo form rmaa no fifiab able le..

El enfoque  del análisis de falla lógicamente requiere een rime merr lu luga garr de un unaa cl clar araa n pri com ompr pren enssión ión  de la defi fini nicción de de falla falla y la distinci distinción ón entre entre los i dicadores (es  decir, los sínto síntomas mas), ), la causa, el mecani anism smo o de dañ daño o, y la consecuencia. Aunque puede ser consi onsiderad deradoo por algun algunos os como un ejercici ejercicio de semántica, una clara comprensión  de cada significado y su rol en el análisis de falla, ejora en gran medida la cap apac acid idad ad de comp mpre rennde derr llas causas y las opciones de mitigación para especificar la acción correctiva  apropiada. Cuando uun n pr producto in ingenieril de deja de de re re lizar una o más de sus funciones  mucho antes de su tiem tiempo po de de vi vida da eenn se serv rvici icio o esper esperad ada, se dice que el mismo falló. A  pesar de que los diseñadores y fabricantes seguirán fortal ciendo los vínculos entre el diseño, fabricación y desem empe peño ño en serv servic icio io,, llas as fa fallllas as van van a ocu ocurrir y seguirán ocurriendo por una razón u otra. Las f llas en en serv servicio icio de de produ productos ctos ingenierile ingenierile pueden causar pérdidas de vidas, paradas no progr ma mada dass ddee ppla lant nta as iind ndus ustr tria iale les, s, in incr cre eme tos de mantenimiento de equipos  y costos de repa ación así como muy costosos litigios perjuicios. Una falla en servicio  es esperable que se dé en el eslabón más débil de la ca ena de proceso continuo de  ingeniería de diseño-fa fab bricación-desempeño como se pretende demostrar en los siguientes ejemplos

 

En  nue nuest stra rass ment mente es la palabra perfecto es usualmente conectada con el ideal. Aunque piezas as re reales ales no exist existe, e, es por por eso eso qu quee se introduce la tolerancia, se sabe sabe que eell idea ideall en las piez un rango en el cual la desviación entre la pieza real y el ideal es ac ptado. En la práctica, los proces pro cesos os  de fabric fabricaci ació ón inevitablemente introducen algunas imperfecciones o discon dis contin tinuid uidade adess  de dentr ntro o d cualquier producto como cavidades, poros y pequeñas grietas. Cuando  algunos defectos se encuentran en el producto sin a ectar adversamente sus requisitos  funcionales o u desempeño en servicio los mismo son clasificados como imperfecciones. 2. 2.1 1 De Defecto fecto

Un defecto es una discontinuidad que excede los límites establecidos por el código aplicable. La magnitud o tipo de discontinuidad compromete las funciones de servicio de la pieza cuando excede dichos límites. Por lo tanto, una disconti uid uidad ad sólo sólo es considerada un defecto uando se excede de los límites estable idos por la norma aplicada. (Puede ser co siderado un defecto según una norma, ero ser aceptable según otra). discontinuid inuidades ades que ssee enc encuent uentran ran e la superficie de las Los  sigu siguien iente tess son típi típica cas discont soldaduras según la nor a AWS (American Welding Society) B1 11 (guía (guía par paraa la adur uras as)) y D D1. 1.1 1: inspección visual de sol ad 1. Porosidad 2. Falta ddee Fusión 3. Falt Faltaa de pene penetr trac ació ión n 4. Soca ocavad aduura 5. Falt Falta a de de mate materi rial al de de aporte 6. Solapado 7. Fisuras metálica icass 8. Inclusiones metálicas y no metál 9. Exce Exceso so de sobr sobre e es esor 

Porosidad dispersa

Falta de Fusió

 

Falta de Penetración

Falta de mat material de aporte

Falta de Fusió

Falta de Fusión

Tipo de Fisuras 1.

En cráte cráter  r 

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Frontal En ZAC Desgarro laminar  Longitudinal En Raíz En superficie de la Raíz En garganta En late lateral ral Por debajo soldadura En interface En el metal de aporte

 

Perfiles Perfil es de soldadura de filete permisibles permisibles

 

Criterios Crite rios de aceptación aceptación y rechazo en la Inspección Visual de soldaduras. Se visualiza la diferenciación entre los requ rimi rimient entos os de las soldad soldaduras uras bajo bajo cargas cargas está estátic tic s y cargas cíclicas Di s c o n t i n u i d ad Superficie Desalineación Sobreespesor  Socavadura Fisuras Falta  de Fusión Falta de Penetración Quemado  d e Raíz Raíz Poros   individuales

 ASME  VIII y IX

Libre de defectos que impidan ev luación En f   (t y junta ) En f (t y junta) El  enor de 0,8mm o 10% t No permitidas No permitidas No permitidas No especifica Di en ensi sión ón 3x1, 3x1, el lími límite te es 3, 3,22 o

API 1104

Buena  terminación Máximo valor mm Máximo 1,6m Existe un rango de tolerancia en función del largo No permitidas, salvo de 4mm en enganches. Existe un rango de tolerancia en función del largo Existe un rango de tolerancia en función del largo Existe un rango de tolerancia tolerancia en función función del diám diámet etro ro exte exteri riior y espesor  3mm 3mm o 25 25%t %t o según cartilla

 

20%t Grupo de Poros En f(t y distribuc distribución) ión) existe cartilla cartilla Existe un rango rango de tolerancia tolerancia en función función del largo Escoria En f (t) Menor a 2t o 13mm y ancho 1,6mm Grupo de Escorias t en 12t, salvo que sucesivas Menor a 3t o 50mm y ancho 1,6mm excedan 6L con L largo mayor de las sucesivas. Criterios de aceptación y rechazo en dos códigos distintos (ASME y API). Se visualiza lla a diferencia de tolerancias

Los requerimientos son establecidos por las condiciones de servicio. La necesidad de remover un defecto es en mayor medida debido a su efecto concent concentrador rador de tensiones y triaxialidad de tensiones (no tanto por su extensión, o proximidad a la superficie). La reparación de un defecto la define el código (no el operario, no el supervisor, no el Ing. en Soldadura, no el inspector); esto define lo que se conoce como criterio de aceptación y rechazo. Clasificación

Poder clasificar los def defectos ectos nos permit permitee identificarlos y cat categorizarlos, egorizarlos, y de es esta ta manera establecer su causa raíz para evitarlos Por su Etapa de G Gestación estación · Diseño · Fabricación o

Inherentes: Se produc producen en durante la solidifica solidificación ción del Lingote. Inclusiones: no metálicas, escoria, óóxidos, xidos, sulfuros. Segregaciones: Distribución nnoo uniforme de elementos. Rechupe: contracción durante solidificación. Poros y Porosidad: Gas insoluble en el metal fundido. Ejemplo en Fundición: Fisuras por contracción, corte frío, cavidades, poros y porosidades, rechupes y microrechupes

Posibles defectos en lingotes

 

Defectos en molde de fundición

Defectos en molde de fundición o

y de Proceso: Laminación / Forjado, Rectificado, Sold So ldad adur uraa  / Trat Tratam amie ient ntoo té térm rmiico: todos estos procesos involucran modificaciones en l material y la posibilidad de generación  de disconti ui uida dade dess (ej: (ej: Tens Tensio ione ness durante  la soldadura: las tensiones térmicas son proporcionales a E y a T, la emperatura pastosa para proximadamente e 1475ºK, el acero es de 1500ºC (dará aproximadament -6 -1 E=200GPA,   Coeficiente = .12.10 K ) generando 3, 3,5G 5GPA PA;;  tensi ension ones es de dell or ordden de la deformación plástica.

 

·

De Servicio: Servicio: Pérdi Pérdida da de materia materiall (Corrosión, (Corrosión, erosión, erosión, desgaste desgaste,, cavitació cavi tación, n, etc) / Fatig Fatiga a / Creep

Por el Mecanismo Mecanismo s de Da Daño ño Aso ciado · Mecanismos Asociados a Tensiones

Alternancia tensión. Fatiga (90% fallas generales en servicio) o Velocidad de aplicación. Impacto Tensiones residuales o o Concentra Conce ntración ción de tensiones tensiones Triaxialidad de tensiones o · Mecanismos Asociado a Modificac Modificaciones iones M Microestructurales icroestructurales o Creep (1/2 Tf). Grafitización o o Descarburación · Mecanismos Asociados a Pérdidas de Mate Material rial Corrosión: ácido por concentración, base por dilución. o Agua Agu a → hidrat hidrato o ferr ferroso oso (Fe + 2H2O 2H2O = Fe ((OH) OH)22 + H H2). 2). Oxige Oxi geno no → hidrat hidrato o férri férrico co (4Fe (4Fe (OH)2 (OH)2 + O2 + 2H2 2H2O O → 4Fe 4Fe (OH) (OH)3) 3).. Ác Ácid ido o clor clorhí hídr dric ico o → cl clor orur uros os fer ferro roso soss de altaa sol alt solubi ubilid lidad ad (Fe (Fe + 2C 2ClH→ lH→ Cl2 Cl2Fe+ Fe+ H2). H2). o Acción Electroquímic Electroquímica a o Corrosión Intergranular  Corrosión por picadura y rendija o o

Corrosión Bajo Tensión Mecanismo Mecan ismoss Mixtos Mixtos Mecanismo Mecan ismo Creep Creep –Fatiga –Fatiga o o Daño por fatiga térmica. o

·

Por su Ge Geometría ometría · Tridimensionales · Bidimensionales · Lineales · Puntuales

 

2.2 2.2 Ciclo de vida

El concepto de gestión del ciclo de vida se refiere a la idea de la gestión de la vida útil de un sistema, sistema, est estructura ructura o componente. La Vida útil se define define com como o el intervalo intervalo de tiempo de un equipo que trabajando bajo las condiciones de diseño, mantiene sus propiedades físico-químicas. físico-químicas. El coeficiente de sseguridad eguridad suele aumen aumentar tar la vida útil real sobre la teórica, porque en alguna medida, el coeficiente de seguridad es un resguardo que será mayor cuanto cuanto mayor sea el descon desconocimiento ocimiento de la res respuesta puesta (también en el tiempo) de un componente. Cuantificarr la vida cconsu Cuantifica onsumida mida y re residua sidual,l, se basa basa en div diversos ersos estud estudios ios y aproximacio aprox imaciones nes que que pr preten etenden den gara garantiz ntizar ar el funcionami funcionamiento ento segu seguro, ro, y esta establece blecerr las debilidades y zonas con mayor velocidad de acumulación de daño que permitan evaluar la posibilidad de un programa de reparacio reparaciones nes y cambios. E Enn relación a los materiales materiales,, existen dos aplicaciones aplicaciones del concep concepto to de "exten "extensión sión de Vida", un unoo que se vincula las mejoras en diseño y fabricación de los materiales que lleva a los avances tecnológicos en los mismos. La experiencia documentad documentadaa y la comunicación han permitido su desarrollo sostenido en el titiempo. sostenido empo. U Unn ejemp ejemplo lo de ell elloo es la evolu evolución ción de los los aceros aceros inoxidable inoxidabless austeníticos:

 

Desarrollo histórico de los aceros austeníticos MEJORA EN EL DISEÑO

aumento de Vida Vida Útil con la mejora mejora en el diseño Diagrama muestra el aumento

con este este desar desarrol rollo lo tecno tecnológ lógico ico por el aumento de los costos Hay  un costo asoci do con de  iinnvestigación, lloos cco o tes de diseño, materiales y fabricación, costes y mayores costos de mantenimiento, etc.

Ciclo de vida de la generación de un producto

raducen en en aume aumentos ntos en Estoss in Esto incr crem emen ento toss en la etapa de desarrollo del producto se raduc la lass  ven venta tass ppor or la lass vven enttaj s tecnológicas asociadas a la utilización . iónn de dell conc concep epto to de "ext "exten ensi sión ón de vi a" es el estudio de un La  segunda aplicació comp co mpon onen ente te real real pa part rtic icul ullar. En este caso, los estudios suelen basarse en el avance de los resentes ntes (verifica (verificados) dos) en el comp component onente (ej: creep, fatiga) y su mecanismos  de daño prese conn lla a int integ egri rida dad d est estru ruct ctur ural al de la tot otal alii ad del sistema. Una vez relación de compromiso co ades es y se id iden entitififica can n y evaluada  la integridad del conjunto, se verifican las puntuali ad cuanti cua ntific fican an  esos esos luga lugare res con con ma mayor yor velo velocidad cidad de acumulació acumulación de daño, su accionar  marginal  (la posibilidad de daño esta circunscripta) y su po ibilidad de reparación o recambio.  Esta acción an anál ális isis is e in inte terv rven enci ción ón en el comp compon onee te) formaría parte de la apunte e "Aptit "Aptitud ud extensión  de vida del ismo y hablaremos más en detalle de esto (ver apunt para pa ra el serv rvic icio io y Ex Extten enssión de Vida").

 

La comprensión de la etapa de gest gestación ación en la que la falla se produce es esencia esenciall para la determinación de la causa raíz. La vida útil de un component componentee se asemeja a una distribución tipo "bañera".

Distribución del tiempo típico de fallos ( "curva de la bañera")

Fallas tempranas Fallas tempranas en la vida sse e asocian asocian a men menudo udo co con n problemas problemas ddee diseñ diseño, o, fabric fab ricaci ación, ón, o pro proble blemas mas de con contro troll de calidad. calidad. 2.3 2.3 Análisis de falla

El análisis de falla es un proceso crítico en la determinación de las causas fundamentales de los proble problemas mas físicos y para este curs cursoo su comprensión, nos dará un aporte concreto de la respuesta respuesta del material ante distintos estad estados os de solicitación y cómo diversida dive rsidad d de factore factoress inte internos rnos y externos externos lo modifi modifican. can. El análisis análisis de falla falla es un proce proceso so complejo, se basa en muchas disciplinas ttécnicas écnicas diferent diferentes, es, y utiliza una variedad ddee técnicas de observación, inspección y pruebas de laboratorio. Uno de los factores clave en la correcta correcta realizac realización ión de un análisis de falla es mantener una mente abierta mientras se examina examina y analiz analizaa la evidencia evidencia ffomen omentando tando una per perspec spectiva tiva clara clara e imparcia imparciall de la falla. fal la. En det determ ermina inadas das cir circun cunsta stanci ncias as se requie requiere re la col colabo aborac ración ión de exp expert ertos os en otras otras disciplina disci plinass para in integr tegrar ar el análi análisis, sis, desarro desarrolland llando o una com comprens prensión ión cuantit cuantitativ ativa a de los factores fact ores de tens tensión ión y antec anteceden edentes tes en el diseño diseño,, fabricación fabricación y servicio servicio de la hist historia oria del producto o sistema averiado. La importan importancia cia y e ell valo valorr del anális análisis is de la la falta es la seguridad, la fiabilidad, fiabilidad, el rendimiento y la economía de los sistem sistemas as. Una caracterí característic stica a rechazable rechazable (por el código código de fabric fabricación ación)) se define como como un defecto. Para el practicante de Seis Sigma, un defecto se considera cualquier cosa que inhibe un proceso proceso o, en un sentido aamplio, mplio, cualquie cualquierr condición que no cumple con la expectativa del cliente. La siguiente es uuna na guía de las actit actitudes udes que impiden un análisis de falla: · No hacer nada y quizás esperar que el problema desaparezc desaparezcaa · Negar la existencia del problema, minimizar su importancia, o cuestionar los motivos de los que señalan el problema · Solucionar el problema de forma aleatoria, no sistemáticamente · Centrarse en pistas falsas

 

Distribución de las causas de falla en investigaciones de fallas industriales n USA ·

En  una cultura organizacional lucida, los productos o siste as requieren un enfoque sistemático  para la res lución de problemas, basado en el a álisis, para alcanzar los facció ción n del del cli client ente e defi definid nidoo ppor or los nue nuevv s sistemas de gestión. El niveles de calidad y sati fac aquellos uellos que tienen tienen probl problema emas identificados deben ser  aspe as pect cto o  cul cultu tura rall es cr crít ític ico, ya que aq alentados  a reconocerl s, a dar la cara, para que desde la r alidad pueda accionarse hacia  una solución. solución. Se equiere el compromiso de formular las soluciones e implementar  los cambios necesarios. Modelos Mode los de resolución de problemas.

méto todo doss y mode modelo loss de re reso solu luci ci n de problemas están Una  amplia gama de mé varied edad ad de en enfo foqu ques es y pr proc oces esos os para la resolución de disponibles,  presentando vari cualquiera  de los tipos enerales de problemas. Todos estos ét étodo odoss y modelo modeloss tie tiene nenn científic ífico o (que se se resu resumen men de de la siguien siguientte manera): sus el método cient  raíceselen 1. Definir problema 2. Proponer una hipótesis 3. Recopilar datos 4. Prueba de la hipótesis 5. Elaboración de las co clusiones Estos pasos principales del modelo definen el proceso de re olución de problemas: sittuac uació ión n act actua ual.l. Def efin inir ir la defi ficcie cia en términos de los 1. Identificar :  Describir la si Determinar el el iim mpacto ddee la dde efici ncia en el componente, sínt síntom omas as  (o indi indica caddor ore e ). De producto,  ssiistema y clie te. Pon una meta. Recopilar datos para proporcionar una medida de la deficiencia. 2. Determinar la causa r  íz: Analizar el problema de identificar la causa (s). 3. Desarrollar  acciones orrectivas: Lista de posibles soluciones para mitigar y prevenir la Genera erarr aalte lterna rnativ tivas. as. Desarr Desarroll ollar ar un pl n de implementación. re reccur urre renc ncia ia del ppro robl bleem . Gen acciones nes correcti correctivas: vas: medid medidas as correctiv correctivaas de prueba en el estudio 4. Validar y verificar las accio pi pilo loto to..  Med Medir ir la ef efec ectitivi vid d d del cambio. Validar las mejoras. Co pruebe que problema se corrige y mejora la satisfacción del cliente. 5. Estandarizar : Incorpo ar las medidas correctivas en el sistema de documentación de las organi niza zaci ción ón o in indu dust stri ria a para para prev prevee ir la recurrencia de los normass  de llaa emp norma empresa resa, orga productos o sistemas si ilares. Monitorear los cambios para gar ntizar su eficacia. El segundo paso en el modelo de resolución de problemas, determinar la causa raíz, significa icativ tivo. o. So Soluc lucion iones es para para preve prevenir la recurrencia de los introduce  un proceso uy signif desa sarr rrol olla larr sin sin lla a ide ident ntifific icac ació ión n de de la la ccaa sa raíz. problemas no se pueden de

 

Modelo de resolución de problemas

Términos tales como dúctil y frágil, grietas y fracturas, y el crecimiento de la grieta estable e inestable son omnipresentes en el análisis de fallos. Incluso estos términos aparentemente básicas son utilizadas de forma errónea y malas interpretaciones. La terminología debe ut utilizarse ilizarse con prud prudencia encia ccuando uando se com comunica. unica. Toda com comunicación unicación durante las etapas etapas preliminares de una inv investigación estigación debe debenn ser hecha de forma crí crítica tica y en potencial. Métodos de análisis de la causa raíz: Los principios de análisis de causa raíz (ACR) se

puede aplicar para asegurar que la causa se entiende y acciones correctivas apropiadas puede ser id identif entificad icado. o. Un eejercic jercicio io ACR pued puedee ser ssimple implement mentee un ej ejercic ercicio io mental mental momentáneo o un extenso análisis de gráficos logístico. Método Mé todo med mediante iante an ana alogí logía a con e ell "árbol"

Causa raíz, analogía analogía con la fisonomí fisonomía a de un árbol

En este método se visualizan los sistemas e indicadores como las ramas y follaje, el tronco como la/s causa/s evidentes y las raíces del árbol como las causas ocultas. Hay tress niveles tre niveles pro propue puest stos os de anál análisi isiss de las raíces raíces:: raíces raíces fís física icas, s, raíces raíces hu human manas as (impli (implican can factores fact ores hu humano manos), s), y raíces raíces latentes latentes (implican (implican factor factores es de la organizac organización ión y los procedimientos). Estas caus causas as raíz se ddefine efinen n mejor mejor ppor or lo loss ej ejemplo emploss de las las siguiente siguientess Tablas

 

Cuán pro Cuán profu fund ndam amen entt uno entra en las causas fundamentales depende de los objetivos de la ACR (an lilisi siss caus causaa ra raiz iz). ). Es Esto toss obje objetitivo voss se bas bas n normalmente en la falla. la. En la comp co mple lejijida dadd de la si situ tuac aciión y el riesgo riesgo asociado asociado con con la re reiter iteració ació de la fal mayorí may oría a de los ca casos sos,, s desea identificar las causas que son ra onablemente corregible. Raíz Ra íz Físi Física ca de la Fal alla la El anál anális isis is sis isttemá máti ti o de las fallas del equipo revela causas fundamentales físicas que caen en las cuatro categ ategorías orías vistas vistas en la gest gestación ación de un d fecto:

·

Deficiencias de diseño: esta es una muy común causa de falla. rminad nadoo en base base al a. Ta Tama maño ño y for form ma de la pieza: Esto es generalmente det rmi análisis de las tensiones actuantes o las limitaciones geo étricas. tratamientoo (por  b. Material: Esto stá referido a la composición química y l tratamient ecesario para alcanzar las ropiedades requeridas. ej ejem empl ploo tr trat atam amie ien nto térmico) nnecesario análisis is de c. Propiedades: Estas están relacionadas principalmente on el anális tensiones,  pe pero oottras propiedades como la resistencia a la corrosión pueden llegar  a tener que consi erarse. · Defectos en los mater ateriales iales (inherent (inherentes) es) o Defectos Defectos en la Fabricación/Instalación. usas vis ista tass en defect fectoo se in incl cluy uyen en:: mo monn ajes incompletos o Además de las causa fijaci ación ón faltan faltante) te).. inadecuados (bul n de fij · An servicio cio.. Ade Además más de las causas causas vi vist st s en defecto se incluyen: Anom omal alía íass dur duran antte el servi ponente ente es es pue puesto sto bbajo ajo condici condiciones ones para las cuales no fue a. Mal uso: El co pon diseñado.

 

b. Mant Mantenimi enimiento ento in inad adec ecua uado: do: La Lass ta tare reas as de de ma mant nten enim imie ienn o adecuado abarcan un rango tan amplio omo ppu uede sse er eell pintado de de la las su superficies de los componentes, su correcta limpieza perió periódica dica y llubrica ubricación ción

Vida útil vs aumento solicitación modificando curvado en el diseño

Vida Vida út útilil v aume aumento nto solicit solicitaci ación ón modif modifica icando ndo la terminac terminació ió superficial

Ejemplos concretos Análisis del rotor de n compresor  fallado

Las  ffllechas iinndican la las po porci nes fracturadas de cuchillas

superficie  de fractura hoja de compresor que muestra mues tra  los orí orígene geness d fa fatitiga ga en el lado lado de ba baja ja presión de  las cuchillas (derecha), como se indica por las flechas

 

Anális Aná lisis is de falla falla een n rot rotor  or 

La falla se produce en el radio de acuerdo en el cambio de sección

Análisis Anális is Falla en manub manubrio rio bicicle bicicleta ta Las flechas indican las iniciaciones iniciaciones de fatiga en varias perforaciones Que fueron realizadas por el usua usuari rio o x3

El manubrio manubrio fue modificado modificado por el usuario

Vida útil afectada afectada por el aumento de la la severidad de la condición de servicio

 

Diagrama de flujo Diagrama flujo falla bulón bulón (ejemplo (ejemp lo simplifica simplificado do del "árbol") "árbol")

Bulón roto

Inadecuada es ecif ecific icac ació ión n

Sobrecarga en servicio

Defecto

Inadecuado método de control

Factor o evento Puerta "or" "or" requiere requiere una una entrada entrada para para la ocurrencia ocurrencia Puerta "y" requiere todas las entradas para la ocurrencia

Diagrama "espina de pescado". Un simple análisis de causa y efecto puede tomar la

forma de un diagrama de espina de pescado que puede ser construido como siguiente: 1. Claram Clarament entee des descri cribir bir la falla falla a la der derec echa ha del diag diagram rama a 2. Identificar las categorías principales de causa co como mo ramas qque ue conv convergen ergen a la falla 3. Lluvi Lluviaa de idea ideass y listado listado de todas todas las las causas causas een n cada rama. rama. 4. Analiz Analizar ar los dat datos os hasta hasta que lla a causa causa raíz eess identifica identificada da (puede (puede ser más de una) una)

Diagrama de espina de pescado simplificado

Método Mé todo d e los " cinco ¿P ¿Por or qué?

Es una técnica sencilla que pretende conducir al usuario a niveles más profundos de identifica ident ificación ción de la causa causa raíz El siguiente ejemplo demu demuestra estra este concepto simple: · Evento: Falla en el puente de una autopista 1. ¿Por qué? qué? Daño Daño por corro corrosión sión en en la estruct estructura ura de acero 2. ¿Por ¿Por qué qué?? Ac Acum umul ulac ació iónn de ag agua ua 3. ¿Por qué? Residuos Residuos obst obstruye ruyeron ron los canales canales de desagüe desagüe 4. ¿Por ¿Por qué qué?? No se re reali alizó zó el mant manteni enimie miento nto de limpi limpieza eza ddee los canales canales 5. ¿Por ¿Por qué? Reducc Reducción ión dde e los fondo fondoss par paraa mant manteni enimie mient ntoo (ca (causa usa raiz raiz))

 

Existen otras herramientas herramientas que precis precisan an ser consideradas en la conducción de uunn análisis de falla. En adición a las ttécnicas écnicas de la caus causaa raíz, son import importantes: antes: a) recolección de toda información exist existente ente respecto a la falla b) entrevistas con el personal relacionado c) investigaciones de laboratorio d) análisis de tensiones e) análisis por mecánica de fractura

Estresores Estresore s o Fa Factores ctores Estresa Estresantes ntes

Para determinar la causa de la falla del material, hay que considerar los factores de estrés activos. Un factor de estrés es una influencia externa que puede ser una causa directa o indirecta de la falla. La co comprensión mprensión de est estas as influencias es importante para el análisis anális is de falla y efecti efectivamen vamente te dete determina rminarr la causa raíz. Del Del mismo modo, la mitig mitigación ación de los factore factoress estr estresant esantes es es a menu menudo do la solu solución ción más más lógic lógicaa para red reducir ucir la susceptibilidad de falla. La influ influencia encia de los factores de es estrés trés depende en gran medida

 

de la ssusce usceptib ptibilida ilidad d de de llos os componen componentes tes y materiales, materiales, los criterios criterios de rend rendimient imiento, o, la magnitud magni tud de dell factor factor de estr estrés és y la expo exposició sición. n. Los seis seis fact factores ores de estrés estrés so son: n: · Mecánicos: Cargas estátic estáticas, as, dinámicas o cíclicas, presión presión,, impacto, tensiones residuales por fabricación, cargas inerciales por final de movimiento.

· · · · ·

Químicos: la exposición ina inadvertida dvertida aguda o cró crónica nica a un ambiente qquímico uímico agresivo, problemas de compatibilidad de materiales Electroquímicos: Un Un material suscept susceptible ible en un medio acuoso corrosiv corrosivoo Térmico: la exposición a te temperaturas mperaturas elevad elevadas as resulta en la deg degradación radación del material Radiación: Radia ción: la luz ultra ultraviole violeta, ta, la luz solar, solar, la radia radiación ción ionizante ionizante prov provenien eniente te de plantas nucleares, etc. Eléctrico: la aplicac aplicación ión de cargas eeléctricas léctricas debido a la prese presencia ncia de campos eléctricos

Cuatro c ategoría ategorías s d e Fa Fallas llas

La falla física física de los materiales materiales puede puede identific identificarse arse en muchas muchas cate categorí gorías as según el sistema de clasificación clasificación elegido. La siguie siguiente nte calificación pue puede de ayudar al análisis de la falla y la pre falla preve venci nción ón de erro errores: res: 1. Distor Distorsió sión n o deformac deformación ión no no deseada deseada 2. Fractura 3. Corrosion 4. Desgaste Distorsión: Un fallo de la distorsión se produce cuando los cambios geométricos impiden que un componente funcione correctamente como un cojinete de polímero hinchado en una bomba o una unión doblada en una transmisión.

 

Ejemplo de distorsión distorsión en un vástago de válvula válvula sobrecargado sobrecargado

Fractura. Una fractura se define generalmente como la separación de material.

Ejemplo de una fractura fractura por fragili fragilidad dad del acero A36 estructural, estructural, después de sufrir una etapa inicial inicial por  fatiga (zona de iniciación con flechas).

2. 2.4 4 Comportamie Comportamiento nto mecá mecánico nico

Comportamiento mecánico de un mate material rial es la respuesta qque ue el mismo da en función de sus propiedades a un estado de solicitación especifico. El mismo no sólo depende de las características intrínsecas del material sino de los estresores externos que condicionan o modifican dicha respuesta (ej. la resistencia de un material se ve afectada si la carga es cuasi estática o por impacto). El comportamiento de un material (su respuesta) depende de las condiciones de servicio (o estresores), de la composición química, la microestruct microestructura ura y la historia termo-mecánica. Es esencia esenciall en est estee punto visualizar a los materialespor situados, es ambiente decir, ya constitutivos deísticas una pieza dentro de mecanismo, circunscripto un medio cuyas características caracter son variables enun el tiempo de servicio Comportamiento

Composición química

Historia termo-mecánica

Microestructura

Estresores

Un análisis análisis inicia iniciall hemo hemoss visto visto los años años ant anterior eriores es en la respues respuesta ta dúctil dúctil o frág frágilil de un material ante un estado cuasi estático de aplicación de la carga

 

diagramas tensión-deformación típicas. Fuente

Estas respuestas de los materiales se han categorizado para su análisis y comp co mpar arac ació iónn ccom omo o las las pr prop opie ieda dade dess de llos os mat mater eria iale les, s, y como como ant antic icip ipam amos os,, eesa sass propiedade propie dadess dep depende endenn tambi también én del estad estado o de solic solicitac itación. ión. Nosotros Nosotros punt puntualiz ualizaremos aremos en las propiedades mecánicas, que son la respuesta del material ante la aplicación de una carga (elasticidad, plasticidad, ductilidad, maleabilidad, dureza, fragilidad, tenacidad, fatiga, maquinabilidad, acritud, colabilidad, resiliencia. Ver apunte "Ensayos Mecánicos 004"). Ahora entendemos que cuando hablamos de una cuantificación respecto a una propiedad, propie dad, siem siempre pre eess circunscri circunscripta pta a las condi condicione cioness del del ensay ensayo o utiliza utilizado do para para su su determinación (ej: condicionamientos dimensionales, ambientales, tipo y velocidad de aplicación de las cargas, etc). Durante el cursado iremos avanzando en la comprensión y previsión de estas respuestas respuestas y los factores que la modifica modificann para evaluar a los materiales en sus aplicaciones. Ensayos y Toma de Mue Muestr stras as

Una de las herramientas de análisis fundamental para la determinación de la causa raíz, son los ensayos y las tomas de muestras. El objetivo es la recolección de información representativa, esta palabra es clave porque se requiere identificar el mecanismo de daño presente, la severidad del mismo y la extensión de ese mecanismo en el equipo. Durante el cursado cursado veremos diversidad de Ensayos des destructivos tructivos (la pieza ensay ensayada ada no podrá seguir desarrollando el servicio luego de realizado el ensayo) y Ensayos No Destructivos (su ejecución no altera el servicio posterior de la pieza). La elección del tipo y extensión de ensayo es crucial para tener información valedera.

3. MEC MECANICA ANICA D DE E LA FRACTU FRACTURA RA

Muy rara vez la fractura de un material en ingeniería ocurre debido a una sobrecarga imprevista imprev ista en un material material exen exento to de defectos. defectos. Gene Generalme ralmente, nte, la fract fractura ura es causa causada da por la presencia de una fis fisura: ura: debido a la acción normal de la carga sobre la pieza o es estructura tructura la fisura se desenvuelve (iniciándose este proceso, ppor or ejemplo, a partir de un de defecto fecto o

 

concentrador concentra dor de tens tensiones iones y/o ge generad nerador or de una distr distribuci ibución ón triax triaxial ial de tensiones) tensiones) y crece lentament lenta mentee en tam tamaño año hasta hasta llegar llegar al colapso colapso o la salida de ser servicio vicio ddel el equipo, equipo, piez pieza a o estructura. De esta forma, el control de fractura es ente entendido ndido como un unaa metodologí metodologíaa para evitar las fracturas de mat materiales eriales debido a llaa presencia de fisuras en funci función ón de la carga aplicada aplic ada al mater material ial dur durante ante su utiliz utilización ación en en serv servicio. icio. Por Por ello se defin define e a la filosofía filosofía de tolerancia de daños como la aplicación de la metodología de ccontrol ontrol de fractura en función de los siguientes siguientes objet objetivos ivos:: A) El efecto de las fisuras en la resistencia mecánica del material. B) El crecimiento de la fisura en función del tiempo. La herramienta matemática y experimental aplicada para llevar adelante el análisis en base a la filosofía filosofía de ttoleran olerancia cia dde e daños daños por fatiga fatiga es llamada llamada m mecán ecánica ica de de fractura. fractura. Ella provee los conceptos conceptos y las ecuaciones utiliz utilizadas adas para determina determinarr cuánto una fis fisura ura crece y como este crecimiento crecimiento de fisura afecta la resist resistencia encia del material de una estruc estructura. tura. Con ello se puede establ establecer ecer clar clarament amentee cuand cuando o retirar de servicio servicio una pieza pieza antes de que llegue llegue a su colapso o ante ante la presencia de una pi pieza eza con fisuras ssee puede dete determinar rminar hasta qu quee carga la misma podrá operar en forma segur segura a

La mecánica de la fractura y particularmente la mecánica de fractura lineal elástica ("Linear Elastic Fracture Mechanics" LEFM) es una ciencia que estudia los mecanismos y procesos de propagación de grietas en sólidos, así como la distribución de tensiones y deformaciones que ocurren en un material agrietado o con discontinuidades, sometidos a cierta tensión externa. Esta ciencia surgió con los trabajos fundamentales de Griffith (1921, 1924) sobre criterios de propagación de grietas en sólidos, basados en conceptos de transformación de energía elástica en energía de superficie y por esta razón se conoce como una formulación energética de la mecánica de la fractura, donde se compara la energía disponible para la propagación de una grieta (tasa de liberación de energía G) con la energía necesaria para producir su agrietamiento (energía de agrietamiento G IC). Irwin (1957) introduce el análisis en términos de tensiones, mostrando que frente a la fisura se genera un volumen finito, zona plástica, en la cual parte de la energía elástica se consume en deformación deformación plástic plástica. a. Así se introduce el concepto de fact factor or de intensidad de tensio tensiones nes (k). Nosotros nos centraremos primariamente en la descripción y comprensión de las diversas superficies físicas de fracturas, el resultado final del proceso de rotura en el cual se manifiesta la respuesta que ha tenido el material. Un análisis fractográfico comienza con una observación visual de las características de la superficie fractura. Se pueden obtenerde asílalos primeros indicios de las causas de la nucleación de lade fisura, mecanismo y dirección propagación, y eventualmente eve ntualmente se puede tener alguna estimación de la magnitud de las cargas actuantes. Pero es el análisis de la

 

superficie a mayores aumentos, como los que proporciona el microscopio electrónico de barrido, el que permite la caracterización del proceso microscópico de propagación de la fisura, identificando así las cavidades típicas de la rotura transgranular dúctil, las facetas de clivaje de una rotura frágil, las superficies de corrosión bajo tensiones o las estrías típicas de un proceso de fatiga. Veamos en más detalle la técnica de microscopia electrónica de barrido. Micro icrosco scopia pia electró lectrónic nica a de ba barrid rrido o MEB (SEM (SEM Scan Scanning ning Electron Electron Micro Microscop scope): e): Esta Esta

técnica aplicada a la evaluación de las superficies de fractura nos permitirá identificar y entender los mecanismos de daño presentes, visualizando el comportamiento mecánico del material y muchas veces siendo determinantes en el análisis de la causa raíz de la falla. En el microscopio electrónico de barrido, un campo magnético permite enfocar los rayos catódicos (electrones) y obtener una imagen tridimensional, por el examen de la superficie de las estructuras, permitiendo la observación y la caracterización de materiales orgánicos e inorgánicos, proporciona aumentos de 200.000 diámetros.

Instalación completa

Incidencia del Haz electrónico en la superficie

Comparación funcionamiento

Un haz delgado de electrones, es producido en la parte superior del microscopio por  medio del del calent calentamie amiento nto de un filamento filamento metáli metálico co (10-30 KV). El rayo rayo de elect electrone roness primarios sigue un recorrido a través de la columna de vacío del microscopio, esto, con el propósito, evitar la por dispersión de los de electrones. trayecto del de electrones enseguida de modificado un cconjunto onjunto bobinas El de deflectoras flectoras quehaz lo hacen rec recorrer orrer es la muestra punto por punto y a lo largo de líneas paralelas (barrido), y a su vez atraviesa las lentes condensadoras o electromagnéticas que le permiten ser reenfocado o centrado hacia la muestra. Posteriormente, el diámetro del haz de d e electrones puede ser modificado al pasar  por las lentes objetivas que controlan la cantidad de electrones dentro de este. Cuando los electrones primarios golpean la muestra, son emitidos electrones secundarios por el propio espécimen. Estos ele electrones ctrones secun secundarios darios son aatraídos traídos ppor or un colec colector tor donde ssee aceleran y se dirigen al escintilador, donde la energía cinética Es convertida en puntos de mayor o de menor luminosidad, es decir, en luz visible. Esta luz es dirigida a un amplificador donde se convierte en señal eléct eléctrica, rica, la cual pasa a una pantalla de observa observación ción donde la imagen es formada línea por línea y punto por punto. Los circuitos que dirigen las bobinas de barrido (que obligan al haz a barrer la muestra), son las mismas que dirigen la parte de ccolección olección de electrones y que producirán la imagen. El MEB tiene una resolución de 10 nm y una profundid profundidad ad de foco de 10 mm, mucho menor que el microscopio electrónico de transmisión. La ventaja del MEB es que

 

proporciona imágenes tridimensionales. Las muestras deben ser preparadas (mediante tratamientos específicos específicos y recubrimientos en caso que el material no sea conductor) Comparación de la imagen de una fractura por clivaje obtenida por  microscopio de luz (a: campo luminoso lumino so y b: campo oscur oscuro) o) y M MEB EB (c y d) d).. Mue Muest stra ra Fe - 2. 2.5S 5Sii some sometitido do a impa im pact cto o a -195 -195 ° C. C. (a (a y c) x 120. 120. (b y d) x 240.

3.1. 3.1. M Modos odos de fractur a

La Fract Fractura ura en aleac aleaciones iones de ingenierí ingeniería a se puede puede produ producir cir ttransg ransgranul ranularmente armente (a través tra vés de de los ggran ranos) os) o un iinte ntergr rgranu anular lar ((a a lo largo largo de dell límite límite ddee gra grano) no).. Sin eemba mbargo rgo,, independientemente independienteme nte de la trayect trayectoria oria de la fractura, hay esencialmente ccuatro uatro modos de fractura: fract ura: ho hoyuel yuelos, os, cliv clivaje, aje, fatiga fatiga y desc descohesi ohesión. ón. Cada Cada uno de eestos stos m modos odos tiene tiene una fractura características características aspecto de la superficie y un meca mecanismo nismo o mecan mecanismos ismos por los que la fractura se propaga. propaga. La mayor parte de los mecanismos propues propuestos tos para explica explicar  r  los diferentes modos modos de fractura ssee basan a menud menudoo en interacciones de dislocaciones, la activación activ ación de desliz deslizamien amientos tos complejos complejos y relaciones relaciones cr cristal istalográ ográficas ficas.. 3.1.1. Rotura por hoy hoyue uelos los o micro micro--hue huecos cos ("dimples")

Cuando la sobrecarga es la causa principal de la fractura, las aleaciones estructurales más comunes fallan por un proceso conocido conoc ido ccomo omo coalesce coalescencia ncia micro-huec micro-huecos. os. Los micro-hueco micro-huecoss se nuclea nuc leann en reg region iones es cer cercan canas as a disco disconti ntinu nuida idades des,, tales tales com comoo segundas segun das fases, fases, part partícul ículas, as, iinclus nclusiones iones,, límites límites de grano, grano, disloc dis locaci acione oness de api apila lamie miento nto.. A medida medida qque ue la tens tensión ión en en el material aumenta, aumenta, los micro-huecos ccrecen, recen, se unen, y, finalm finalmente, ente, forman un unaa superficie super ficie de ffractu ractura ra ccontin ontinua. ua. Este Este ttipo ipo de de supe superfic rficie ie de fract fractura ura prese presenta nta numer numerosas osas depresiones en forma de copa que son el resultado directo de la coalescencia de micro-huecos. Las depresiones en forma de copa ssee denominan hoyuelos, y el modo de fractura fractura sse e conoce conoce como como rotura rotura por hoyu hoyuelos. elos.

 

Influencia de la dirección del esfuerzo máximo (σ ). En la forma de hoyuelos formados por la coalescencia de micro-huecos

El tamaño del hoyuelo en una superficie de fractura se rige por el número y la distribución de micro-huecos que son nuclea nucleados. dos. Cuando los sitios de nucleación son pocos y muy espaciados, los micro-huecos crecen hasta un tamaño grande antes de la coalescencia coalescencia y el resultado es una superficie ddee fractura que cont contiene iene grandes hoyuelos. hoyu elos. Los hoyuelos hoyuelos pequeños pequeños se forman forman cuando cuando se activan activan numerosos numerosos sitio sitioss de nucleación y los micro-huecos adyacentes se unen antes de que tengan la oportunid oportunidad ad de crecer  a un tamañ tamañoo may mayor. or. La pr prese esenci ncia a de extre extremad madame amente nte ppequ equeño eñoss hoy hoyuel uelos os se encuentran a menudo en los materiales reforzados por dispersión de óxidos. La distribuc distribución ión de los los sitios sitios de nucleación nucleación de los micro-huec micro-huecos os puede puede influir  influir  significativamentee en el aspecto de la super significativament superficie ficie de fractura. En alg algunas unas aleaciones, la distribuci distr ibución ón no unifo uniforme rme de las partícul partículas as que favorece favorecen n la nucleació nucleación, n, el proces proceso o de nucl nu clea eaci ción ón y el cr crec ecim imie ient nto o anti antici cipa pado do de mic micro ro-h -hue ueco coss aisl aislad ados os du dura rant ntee el ccic iclo lo de de cargaa pro carg producen ducen una super superficie ficie de fract fractura ura con vario varioss tamaños tamaños de hoyuel hoyuelos os (v (ver  er 

 

micr croo-hu huec ecos os se nucl nuclea eann eenn lo loss lími límite tes de gra grano. no. (ve (verr Fig Figura ura), ), figura).  Cuando los mi hoyuelos elos intergranul intergranular. ar. resultará una rotura por hoyu

Ejemplo Ejemp loss  del del modo modo d ruptura por hoy oyu uelos. (A) Hoyuelos grandes y peq peque ueños ños,, ac acero ero pa para ra herra rami mieentas mar martemp mpe e ed tipo 234 para disco de sierra. Los hoyuelos extremadamente pequeños en la pa part rtee  su supe peri rior or iz izqqui uier er a se han nucle nucleados ados por por num numeros erosas as partíc partícula ulass muy próximas entre sí. (D.-W. Huang, Instituto de Minería de Fuxin, y C. R. Br Brooks, Universidad de Tennesse). (B) Las inclusiones de sulfuro  grandes y pequ ñas en el acero sirv rven en como sitios de de nu nucleación de los micro-v micro-vacios. acios. (R. D. Buchheit, Battelle Co Colum bus Laboratories)

Ruptura intergranular po por hoy hoyuelo ueloss en una prob probeta eta de ace acero ro resu resulta ltante nte d la coalescencia de microhuecos en los límites límites de grano.

La  forma de los hoyuelos se rige por el estado de tensión dentro del material que da la  forma a l s micromicro-hue hueco coss y gobier gobierna na la forma forma en en qu quee se unen unen.. Cuan Cuando do la frac fracttur uraa se  de dessar arro rollllla por una carga carga de tracc tracción ión uniax uniaxial ial,, la formación de hoyuelos esencialmente será equiaxial  delimitadas por un labio o llanta (ver figura inicial). hoyuelos pued pueden en Dependiendo  de la icroestructura y la plasticidad del material, los hoyuelos exhibir  una muy profunda forma cónica o puede ser bastante poco profunda. La micro-huec huecos os for orma maci ción ón  de hoyue oyuelllo loss poc poco o pro profu fund ndos os pued puedee iimp mplilica carr que que la unión de microporr ci po ciza zallllam amie ient nto o a l larg largo o de las bandas bandas de deslizamie deslizamiento. nto.

 

Diferentes  titipos de de ho hoyuelos fo forma mad dos du durante la la co coalescencia de de mi micro-huecos. (A) cónicos equiaxiales de un resort de acero. (B) hoyuelos hoyuelos poco profundo profundoss de una muestra de acero martensítico

Tipos de estados de solicitación ( ) En el modo I, desgarro por tra ción, los hoyuelos son equ quia iaxi xial ales es y se fo form rman an en am amba bass su supe perf rfiicies de la fractura. ( )  En el el modo modo II, II, ciz cizal alla ladu dura ra,, los los hoyu hoyuel elos se alargan apuntando en direccion direcciones es opuesta opuestass en cada cada superfi superfici cie de fractura. ( )  En el modo III, rasgado por cizallamiento, los hoyuelos se allargan  ap apuntando en en direcciones co coinci entes en cada superficie de fractura Las  superfici s de fractura que resultan de los es ados de solicitación por  desgarro (modo  I) o por cizallamiento (Modos II y III) presentan hoyuelos alargados. Un  hoyuelo alargado tie tiene ne un eje más lar largo go y un un eext xtrem remoo está abierto; es decir, el hoyuelo  no está completamente rodeada por un labio o llant anta. a. En el cas casoo de una fractura con  ho hoyuel s tipo de lágrima, los hoyuelos alarg dos en ambas caras de fractura están orientadas en lla a misma dirección; y los ex extre os cerrados apuntan a la origen de la fractura.. Esta característica de los hoyuelos de esga esgarro rro se puede puede utiliz utilizar  ar  para pa ra  es esta tabl blec ecer er la irección de propagación de fractura. na fra fractu ctura ra de es esfue fuerzo rzo cortante,  sin embargo, prese presenta nta hoyuelos hoyuelos alargados alargados que apuntan en direcciones opuest opu estas as en las car cara as de la fractura.

 

Formaci Formación ón de hoyuelos hoyuelos alargados. alargados. (a) (a) fractura por desgarr desgarro. o. (b) Fractura Fractura por Cizallad Cizalladura ura

Hoyuelos alargados Hoyuelos alargados formados en las superficies superficies de fractura fractura de cizallamiento cizallamiento y por torsió torsión. n. (A) fractura por cizal cizallamient lamientoo de de un tornil tornillo lo de de titanio titanio comerci comercialmen almente te puro. puro. (B) Mayor aument aumento o muestra hoyuel hoyuelos os uniformemente unifor memente distri distribuidos. buidos. (C) (C) hoyue hoyuelos los rasgados rasgados en torno a la la superfi superficie cie de un alambre alambre de cobre cobre de una sola sola hebra fractura fracturada da por torsió torsión. n. (D) Mayor aumento, aumento, hoyuelo hoyueloss alargados alargados

Debido a que las fracturas fracturas reales rara vez se prod producen ucen por tensión o esfuerzos cortantes puros, las div diversas ersas combinacion combinaciones es de modos de carga I, II, y II III, I, como el cambio cambio const constante ante en la orientació orientación n del plano de propagaci propagación ón de la fractura, fractura, resultan resultan en estados estados de tension tensiones es asimétrico asimétricoss de las superfic superficies ies conjuga conjugadas das de fractura. fractura. C Con on las diferentes diferentes combin combinaciones aciones de modos II,, II, y III, se podrían podrían dar hasta 14 variaciones de formas formas y orientac orientación ión dde e los hoyuelos hoyuelos en las super superficies ficies de fr fractur acturaa conju conjugadas gadas

 

Para la formación de hoyuelos se ha demostrado que es necesaria la presencia de partículas de nucleación en el material.

3.1.2. Rotura por Cliva livaje je ("Clevage")

roturasepo rotura porpropaga r Cliv Clivaje aje es una unalargo frac fractura tura baja baja energíaLa que a lo de de planos cristalográficos de bajo índice bien definidos conocidos como planos planos de de clivaje. clivaje. En teorí teoría, a, las dos dos super superficies ficies conju onjug gad adas as de una una rot otur uraa po porr cl cliv ivaj ajee deb debe en enccaj ajar  ar  perfec per fectam tament ente, e, siendo siendo tot totalm alment entee planas planas y sin rasgo rasgoss distintivos. Sin embargo, las aleaciones de ingeniería sonn poli so policr cris ista talilino noss y cont contie iene nenn lílími mite tess de gr gran anoo y subgrano, inclusiones, inclusiones, dislocaciones dislocaciones,, y otras imperfec imperfecciones ciones que af afectan ectan el modo en que la fractura se propaga. Estas imperfecciones y cambios en la orientación red crista cri stalin lina, a, tales tales como como la posibl posible e falta falta de ccorr orresp espon onden dencia cia dde e los plan planos os de bajo bajo in indic dicee (plano (pl anoss dde e cliv clivaje aje)) en los límite límitess ddee ggran ranoo o subgra subgrano, no, pro produc ducen en marcas marcas caracterí carac terística sticass en la su superfi perficie cie dde e fractu fractura ra de de clivaje, clivaje, tales como escalones escalones de clivaj clivaje, e, figura fig ura de río ríos, s, mar marcas cas de plu plumas mas,, marcas marcas tipo tipo "Chev "Chevron ron"" (e (ess un pat patrón rón tipo tipo "V" "V" o espina de pescado) o lenguas. Como ssee mue muestra stra esq esquemáticamente uemáticamente en la Figura, las fract fra ctura urass por ccliv livaje aje con frecu frecuenc encia ia se in inici ician an en mucho muchoss pla planos nos de de cli clivaj vajee par parale alelos los.. A

 

medida que avan medida avanza za la fract fractura, ura, sin emb embargo, argo, el núm número ero de plan planos os activ activos os disminuye disminuye por un proceso de unión que formará escalones progresivament progresivamentee más altos. Est Estaa red de pas pasos os de cl cliv ivaj aje e es co cono noci cida da como omo pat patró rón n o ffig igur ura a de río. río. De Debi bido do a que que la lass derivaciones del patrón de rí ríoo se unen en la dirección de propa propagación gación de las grie grietas, tas, estass marcas pueden esta pueden utilizarse utilizarse para establecer establecer la dirección dirección de propagación propagación..

MARCAS CARATERÍSITC CARATERÍSITCAS AS CHEVRON ("V" o espina de pescado)

 

Las ffllechas in indican el origen de la falla (el vertice de la "V" apunta hacia l origen.

Fractura Fractu ra en Acero 4340 emplado sometido a impacto

Fractura en Fundición

PATRON TIPO "RIOS" Formac mació iónn  de la ro rotur tura a po porr cli cliva vaje je (esquemático) mostrandose el efecto de los límites de (a) LLíímite de subgranos. inació ión. n. (b (b)) Lím Límititee de la inclinac tor  edura

Existe  un límite de inclinación cuando planos cipales es de cliv clivaje aje ddee dos pri cipal o subgranos gr nos forman un co tinuos ángulo co con a un pequeño án eje  común paralelo a la rsec ecci ción ón.. En est este e caso caso int rs la  ractura prácticamente no presentará  interrupciió ión, n, si sin n emb embar argo go,, cu cuan ando do el pl plan anoo ppri rinc nciipal de clivaje esta rotado proodu ducce una tor orsi sióón respecto  un eje per endicular al límit mite de gran rano o subgran , se pr

 

en la propa propagaci gación ón ddee la fractura. fractura. Cuando Cuando hay hay uuna na desalineac desalineación ión signi significat ficativa iva de los planos pla nos de cli cliva vaje, je, la frac fractur tura a se pro propag paga a con la ppres resenc encia ia de de pequ pequeño eñoss (bajo (bajos) s) escalones escal ones de cl clivaj ivaje. e. A medida que que la fract fractura ura se prop propaga aga alejá alejándos ndose e de los lím límites, ites, numerosos numer osos pl planos anos de de clivaje clivaje se unen unen,, lo que resulta resulta een n un menor menor número número de planos planos de clivaje clivaje y esca escalones lones mayores mayores (alt (altos). os). La ma mayorí yoría a de los lími límites tes son una combi combinació naciónn entre inclinación y torcedura.

Ejemplo de torceduras torceduras de los planos planos de propagaci propagación ón de clivaje clivaje y escalon escalones es y ríos en una aleación aleación Fe0.01C0.24Mn-0.02Si que fue fracturado por impacto "Ríos" en acero acero A508 (C0.22, (C0.22, Ni0.62, Ni0.62, Cr0.13, Cr0.13, Mo0.56). Mo0.56). Visualizar las líneas de desgarro (áreas claras) entre los planos paralelos de clivaje.

No debe confundirse este patrón que corresponde a la formación de una fisura con el de propagación del conjunto de fisuras en el material (ver en resumen) que también tiene forma de ríos pero se ramifica al avanzar en función de la carga aplicada (ver resumen)

OTRAS FIGURAS: LENGUAS Y PLUMAS Presen Pre sencia cia de de "lengu "lenguas" as" (ver fle flecha chas) s) en la la supe superf rfic icie ie de fr frac actu tura ra po porr cli cliva vaje je de un una a soldadura de un acero 30% Cr. Las lenguas se observan ocasionalmente en cliv cl ivaj aje e cu cuan ando do la fr frac actu tura ra se de desv svía ía de dell plan pl ano o de co cort rte e y se pr prop opag aga a po porr un una a distancia dista ncia corta con una orientac orientación ión doble. doble.

 

(A)ma )marc rcas as tip tipo o pl pluma uma en en un (A solo grano de un metal de soldadura de acero al cromo que qu e fal falló ló po porr cl cliv ivaj aje. e. (B (B)) escalones de clivaje en una alea al eaci ción ón de CuCu-25 25% % en Au qu que e falló porr po stressst s-ccorr rro osion crakin cra king g tran transgr sgranul anular. ar.

Fractura por Clivaje Fractura Clivaje en la intersecci intersección ón de los planos planos {1 0 0} en Cr (bcc ) sometido sometido a tensiones tensiones de rodadura (tensiones de Hertzian) desarrollando triaxialidad en el material.

3.1.3. Rotura por Fatiga

Es la fr fract actura ura rresu esulta ltante nte de de la aplicación aplic ación de uuna na carg cargaa rep repetit etitiva iva o cíclica. cícl ica. Se pr produc oduce e general generalment mentee en tress etapa tre etapas: s: ini inicia ciació ción, n, propa propagac gación ión (mayor longitud), y fractura catastrófica. La superficie de fractura de un componente fallado por fatiga es generalmente plana, sin evidencias de grandes deformaciones plásticas macroscópicas. Puede ser normal o estar orientada a 45º respecto de la tensión aplicada. Si el espesor de la muestra es grande respecto de las dimensiones de la zona plástica en el extremo de la fisura, la fractura se propaga en un plano normal a la tensión aplicada. Cuando la zona plástica es comparable al espesor de la muestra, la fisura se propaga en un plano orientado a 45º de la tensión aplicada y de la superficie libre.

 

PRIMERA  ETAPA: se produce principalmente por el agrietamiento debido a una regresión  repetitiva de los sistemas de deslizamiento ( lanos de deslizamiento) activos en el metal. uele desarrollarse por los planos de de lizamiento más cercanos áxima ima tensi tensión ón.. El crecim crecimien iento to de llaa grieta está fuertemente a  los 45° de la áx icroestru structura ctura y tens tensión ión media. media. El 90% e la vida de fatiga puede influencia influ enciado do por la icroe iniciaciónn de uuna na ggrieta rieta viab viables. les. LLaa rieta tiende a seguir los serr  ccon se onsu sumid mido o en en la iniciació ontinuidades,, tales como planos  ccrristalográfi ficc s, pero cambia de dirección en las dis ontinuidades defo form rmac ació iónn pl plás ástitica ca,, la lass Cuando do hay hay gran grande dess am ampl plititud udes es ddee de los  límites de grano. Cuan Etapaa se obse observ rvaa grietas  de fatiga p eden iniciar en los límites de grano. La I Etap normalmente en fracturas de baja tensión y ciclos de alta fre uencia y está ausente en ciclos de baja frecuencia y altos valores de tensión.

compuesta sta por por facetas facetas,, a tap pa I. La superf rfiicie de fr fra actura está compue Típica superficie  de fra tura de la eta fatiga iga"" (A) Superfi Superficie cie de las de cliv clivaj aje, e, y no pr pres esen enta tan n las las con conoc ocid idas as "lin "lin as de fat menu me nudo do se asem asemej ejan an a llas Fractur Frac tura a tipo tipo Cliva Clivaje je de la I Etapa una aleación de Ni-14Cr-4.5Mo-1 Ti-6 l-1.5Fe-2.0 (Nb + Ta) fundida. base co coba ballto fu fund ndiida ASTM ASTM tipo esca escale lera ra de la I Etapa Etapa en una alea aleaci ción ón de base (B) Su S uperficie  de fractura tipo F75

mayyor parte de una fr fra actura por fatig SEGUNDA  ETAPA: La ma tigaa se com compon ponee de llaa II Etapa,  que se produce generalmente por la fractura tr nsgranular y está más agnitud tud de la tensión tensión altern alternativa ativa que or la tensión media y la influenciada  por la agni supe perf rfic icie ie de fr frac actu tura ra su suel elee pr pres esen entt r marcas de detención microestructura.  La su rías as de de fati fatiga ga o línea líneass ddee pl play aya, a, que que so son un registro visual de la conocidos  como estrí la gri grie eta po porr ffat atig igaa ddur ura ant nte e la la pro prop paga agación de la grieta a través posi po sici ción ón  ddel el fre frent nte e de la el material.

 

la

Estrías  de fatiga uniformemente unifor memente distri distribuidas buidas en una aleación de aluminio 2024-T3. (A) cresta con forma de lág ágri rima ma y la in incl clus usiión (re recctángul ulo o). (B (B)) Zona rectángulo anterior con mayor may or au aumen mento to,, mue muest stra ra continuidad de la trayectoria de la fractura a través de y alrededor de la inclusión.

Estría Est s de fati fatiga. (A) La acero inoxidable austenítico. (flech a) gran laossuperficie superfi cietalio de deaunafectada (B)  rías estrías dega. fatiga en estrías por el calor de una los límites lími(flecha) tes de gen ranos de de tantal tan io fractura en en la zona zon soldadura.

Hay  básicam nte nte do doss mode modelo loss que que se han han ppro ropu pues estt para explicar la II Etapa de  pro propa paga gaci ción ón de la fatiga. Uno se basa en suavizado por deformación plástica del vértice  ddee fisura. E te mode modelo lo no pued puedee eexp xplilica carr la au aussen ia de estrías cuando un metal es ensayado n vacio y no predice adecuadamente la coincidencia pico a pico y vallllee  a vval va alle le de de la la dos mitades mitades dde e una frac fractura. tura. El ot otrr modelo se basa en el deslizamiento  en el vértice de fisura. La concentración de tensiones en la fisura por  fatiga  resulta en la eneración de una pequeña zona con deformación plástica en el mientras as que que el resto del ma materia teriall es esttá sometido a una carga vértice  de la fisura, mientr uestra ra en la Figura, Figura, la grieta grieta se abr abre durante el crecimiento elástica.  Como se uest ascendente  de la tensión en el ciclo de carga, mediante el deslizamiento por planos la punta de A medida que avanza el eslizamiento, dlae   grieta deslizase misuaviza ento alt rnativamente. por la reversión parcial por deforma deformación ción, , per pero o vuelve vu elve a afilars afilars durante la descarga del ciclo de fatiga. Esto resulta en un e fuerzo de compresión en debid ido o a la re rela laja jacció ión n de de lla as tten ensi sioo es de tracción elásticas la  punt puntaa ddee la grie grietta deb porció ión n no no ffis isur urad ada a del del mater materii l. La grieta no vuelve a residu res iduale aless  ind induci ucida da en la porc amient ntoo cre creada adass dur durant antee cerrarse  (soldarse), ya que las nuevas superficies de deslizamie la  apertura de la fi ura por desplazamiento se oxidan al instante, lo que hace la in invver ersi sión ón  com compl plet eta a del deslizamiento improbable.

 

Mecanismo  de propagación de la fisura por deslizamiento alternativo en el vértice de la fisura (se simplifica simpli fica  para para visualiza visualiza los con conce cept ptos os bá bási sicos cos). ). Avan Avance ce de de la fisu fisura ra p r deslizamiento en los planos alternativos  de desliza iento y romper la punta embota embotamiento miento por deslizamiento en planos de alternativos  de deslizamie ien nto po porr el au aume ment nto o de de la la ten tensi sión ón de tr trac acci ción ón.. La gr grie ieta ta se ci cierr erra a y se afi afila la nuevamente por la rev rs rsió ión n  parc parcia iall del del de desl sliz izam amie ient nto, o, ta tamb mbié ién n gen gener er do por deslizamiento a través de pl plan anos os al alte tern rnat ativ ivos os d desliz deslizamiento amiento con el aumento de la tensión de ompresión.

Esquematización de las su supe perf rfiici cies es co conj njug ugad adas as de fr frac actu tura ra.. Las fl flec echa hass i dican la dirección de prop pr opag agac ació iónn de gri griet etas as.. (A) Perfil de dientes de sierra en aleación de alu inio. (B) Mal formado perfil de dien di ente te de si sier erra ra en ac acer er . (C) (C) Per Perfil fil tip tipo o ranura ranura en ale aleaci ación ón de alu alumini minio o

En  condicion s normales, normales, cada estrí estríaa es el resul resultad tado de un ciclo de carga y marc ma rcaa  llaa ppos osic ició ión n d l frente de la gr grieta por fatiga en en el m moo ento en que se formó la estría.  Sin embargo,, cuando cuando hay una dismin disminución ución repe repentin ntin de la carga aplicada, la grieta  puede deteners rsee ttem empo pora ralm lmen ente te,, y no se fo form rman an es estr trías. La griet grietaa reanuda reanuda su propagación  sólo desp spué uéss de un ci cier erto to nú núme mero ro de ci cicl clos os a la l tensión más baja. Este fenómeno de detenció ión n de la grie grieta ta se cr cree ee que que eess ddeb ebid ido o a la l presencia de un campo de  la residual de c mp mpre resi sió ón den denttro de la la zon zonaa pplá lást stic icaa n el vertice de la fisura producido último cic dm e iefatiga fat alt ttensión depor la falla por fatiga  yluego , por del tantúlt o, imo el esciclo palociade ntiga o dde e laalta s aestens ríasión. pu. eLaenpropagación ser afectado una serie  de variables, tales como las condiciones de carga, r sistencia del material, la microestructura,  y ell medio ambiente, por ejemplo, la temperatura y la presencia de gases y fluidos corr sivos o fragilizantes. Considerando solament mentee las cond condicion iciones es de carga - que  incluirí la tensión media, la tensión alterna y la fr frec ecue uenc ncia ia cí cícl clic icaa - la magnitud  de la tensi sión ón al altter erna na titien enee eell m may ayor or ef efec ecto to so re el espaciamiento de estr es tria iaci ción ón..  El El aaum umen ento de la magnitud de la tensión alterna produce un aumento en el espaciado estriación. LA TERCERA ETA A: es la fase de propagaci propagación ón termin terminal al d una grieta por fatiga, se desplaza  progresivame ment ntee po porr llos os modos modos dde e fr frac actu tura ra es está tátiticca, po porr ho hoyu yuel elos os o cl cliv ivaj aje. e. La  tasa de de crecimie to aumenta aumenta durante durante la Etap Etapaa III hast hastaa ue la grieta por fatiga se vuel vu elve ve  iine nest stab able le y la pieza falla. Debido a que la propagaci ción ón en la Etap Etapaa II IIII es está tá dominada cada  ve más por los modos de fractura estática, es sensible a la micr mi croe oest stru ruct ctur uraa y a la te tens nsió ión n

 

Dife Diferen renci ciaa esqu esquemá emátitica ca entre entre estr estria iacio cio es por fatiga dúctiles (a y c) y frágiles (b y d)

Patrón de Ch Chev evro ron n en la superficie de fractura de un eje de acero  1541 templado superficial por ind inducc ucción ión.. Los vér vértic tices es en forma for ma  de V apunta apuntan n al punt punto o de in inici iciació ación n la ini inicia ciació ción n de marrcado  po ma por la la flflecha en la la p rte sup superio eriorr de la fig figura ura.. El desarrollo  por fatiga se visualiza en la región superior circular. Lueg Lu ego o  al al pro produ duci cirs rse e la la sob sobre reca carr a, la fractura rápidamente se propaga creado el  patrón de hevron en la región circular  templada,  pero no en el núcleo de mayor tenacidad (perlítico) con mayor rugosidad

3.1.4. Rotura por de descoh scohe esión

La  falla por desc he hesi sión ón ex exhi hibe be po poca ca o ni ning ngun unaa  dde efor orm mac ació iónn pplá lást stica y no se produce por 

 

hoyue hoy uelo los, s, cl cliv ivaj ajee o  atiga. Este tipo de fractura es general ente el resultado de un microest estruc ructur tura a única única y eestá stá asocia asociadd casi exclusivamente con entorno  re reactivo o u a micro la  rotura a lo largo de los límites de grano. Los límites de grano contienen los de fusión más bajos de nuestra aleación ción.. Tambi También én son lugr lugres es componentes  de pu to de segre reg gació ación n de de el element mentos os tal ales es como el hidrógeno, azufre, propicios para la difusión y seg fósforo,  antimonio, rsénico, y carbono; los iones haluro, tales como cloruros; así enetra tració ción n de los metale metaless de bajo bajo pu punnto de fusión, tales como como  las vías de pene galio,  mercurio, cad io y estaño. La presencia de estos co stituyentes en los límites puede  reducir significativamente la fuerza de cohesión del material en los límites y promover la ruptura por desco descohesi hesión. ón.

(A) descohesión  po por Bo Borde de gra granos nos equi equiaxi axiale aless (B) des descohe cohesió sión n por una fase de límite de grano débil. (C) descohesión a lo largo de los bordes de grano alargados

La ruptura por descohesión no es el resultado de un roceso de fractura único, y pu pued edee  ser cau causado por varios varios mecani mecanismos smos diferente diferentes. s. Los procesos descohesivos implican  el debilita iento de los enlaces atómicos, la educción de la energía superficial  requerida par araa llaa dde efor orma macció iónn lloc oca alilizzada ada, lla a pre pre ión de gas molecular, la ruptura de las películas protectoras, y la disolución anódica n los siti sitios os activos; activos; están están asociados a la fragilizac zación ión ppor or hidró hidrógen geno o y el str stress ess cor corosi osioo craking craking (SCC). (SCC).

Ruptur por desco descohes hesió ió en un acero 8740 debi debido do al embridamiento embridamiento por hidrógeno. La falla se debió al Rupturaa por recocido  seguido de un recubrimiento por cadmio, durante el cual no se liberó el hidrógeno. (A) Macro. (B) Mayor aumento revelándose l la falla intergranular 

 

Acero  Inoxidable ma m artensítico AISI 17-4 PH PH (endurecimi mie ento po por pr precipitación) de un balancín del tren de aterrizaje que falló debido a SCC intergranular 

Creep Cree p  o Fluencia le nta: es una una falla falla depend dependien iente te ddel el tiempo, que se pro produc duce e cuan cuando do

un metal se somete a tensión durante períodos prolongados a temperaturas elevadas que  son por lo general en el rango de 40 a 70% de la temp ratura de fusión absoluta dell  me de meta tal.l. C Con on ppoc oca as excepciones las fallas por fluencia lenta exhiben exhiben supe superfici rficiee de fractura intergranular (las rupturas estado do de solicitaci solicitación, ón, en rupturas transg transgranu ranulares lares para este esta general resultan de alta altass te tensio nsiones nes aplic aplicadas adas y fallan por uunn proceso de formación de vací va cíoo-sim simililar ar  a la d la co ruptur uraa por por hoyu hoyuel elos os). ). coa ale lesc scen enccia de mi micro ro-h -hue ueccos de la rupt Veremos  en detalle este mecanismo cuando abordemos el COMPORTAMIEN COMPORTAMIENTO TO EN SERVICIOS A ELE ADAS TEMEPERATURAS. 3.1.5. Rotura oturas s únic s

Mecanismos  ono xhiben en un aspe aspecto cto único, único, onocid cidos os como como cuasicuasi-cli cliva vaje je o flauta flautas, s, xhib y  no se puede colocar fá fácilmente de dentro de de cualquiera ddee los principales modos e fractura vistos.  Debido a que pueden producirse en las lea leacio ciones nes comune comuness baj bajoo ciertas condiciones e falla, éstas fracturas ssee discutirán bre emente. CUASI-CLIVAJE:  presenta características tanto de clivaje deformación plástica. El término  cuasi-clivaj no describe describe con precisión precisión la fractura fractura, ya que implica que la fractura se parece, ero no es, de clivaje. Se inicia en las fa etas cent centrales rales de cliv clivaje; aje; ahlo  ydueeslaorsro, lylalrosse elascgalioentae,slodsepclalivnaojse dsee ccloivnatjienúsaen ceonmla con n zo zona s de ru rupt ptur uraa tipo po por  r  stas denas los hoyuelos hoyu elos lbaisnaccrnreco lágrimas. En  los acer eros os,, llas as fa face ceta tass de de cclilivvaj aje e de de lla a frac fracttura cuasi-clivaje ocurren planos  {100}, {110} y {11 {112} 2}.. E Est stee ttér érmi mino no se apli aplica ca a u a variedad de tipos de frac fracttur uras as  y ssee ha observado en los aceros, incluyen o lo loss endu endure reci cido doss por  por  enfriamiento  rápido y tem empl ple e, en end dur ure eci cido doss po porr pr prec ecip ipititad ad s, y aceros inoxidables austeníticos;  aleaci nes de titanio; aleaciones de níquel; e incluso aleaciones de aluminio.  Las condi iones que impiden la deformación plástica (ej: la triax triaxialida ialidadd en una  entalla, fragiliz ción por hidrógeno, corrosión bajo tensión, alta velocidad de aplicación  de carga) pr materiales que suelen suelen prom omue uevven la fr frac actu tura ra por por cu cuas asii-cl cliv ivaj ajee, y materiales fallar por hoyuelos pasan a fallar por este e ste mecanismo.

 

Superficie de falla por Cuasi-clivaje acero 4340, planos de clivaje en la martensita presentando figuras tipo ríos separadas por las crestas de hoyuelos tipo lagrimas Imagen de de la falla falla en un acero acero HY 80 (2½Ni (2½Ni 1½Cr ½Mo) ½Mo) utilizado utiliz ado en recipiente recipiente a presión que contienen hidrógeno hidrógeno bajo tensión en el cual se han inducido pequeñas fisuras

Modelización de la superficie de Fractura por cuasi-clivaje a) muestra escalón de Clivaje combinándose con las crestas crestas de hoyuelos tipo lágrimas lágrimas b) estructura estructura de desgarro dentro dentro de los hoyuelos Falla por Cuasi-clivaje caracterizado por agrupaciones de planos de clivaje clivaje y hoyuelos (marcación (marcación))

Falla "ojo de pescado" en el material de aporte de una soldadura soldad ura de acero acero ferrí ferrítico tico por a ataque taque por hidróge hidrógeno no sometido a una carga aplicada cuasiestáticamente y temperatura temper atura ambiente. ambiente. Se distin distinguen guen dos áreas - al centro, centro,

 

la  pupila, es un poro, i cl clus usió ión n o un una a pe pequ queñ eña a di disc scon onti tinu nuid idad ad (e (es s la única imperfección asociada al "ojo  de pescado". La sección circundante, el 'iris', se ha fracturado por el embridamiento por la presencia local de hidró eno con un modo de falla de cuasi-clivaje.

ESTRIADO. En  esta topografía se visualizan ranuras ala larg rgad adas as o hu huec ecos os que que conectan planos mu distanciados de clivaje. (A) strías y planos de de cl clivaje result nte de una sobrecarga mecá ica de una aleación de Ti0. 0.35 35O O. (B) las las estrías estrías y los los planos planos de  cliva vaje je re resu sullta tant ntee del del SCC en fase β - alea aleaci ción ón re reco coci cida da de Ti Ti-8 -8Al Al-1Mo-1V en en meta metanol nol.. (C) (C) ídem ídem en el vacío.  (D) (D) Las Las estrí estrías as se produ producen cen cerca de la entalla de la fr fra actura en aleación recocida Ti-8Al-1Mo-1V sometida a fatiga en agua salada. salada.

Aunque las  e tría tríass no son hoyu hoyuelos elos alarg alargados ados,, son son ell resultado de un proceso de  deformación plá tica. Las estrias son las mitades de huecos tubulares formados por  la interseción planar del mecan mecanismo ismo de de desliz slizamien amiento to plana de intersección y tienen crestas de dde esgarr sgarro o en las caras de fractu fractura ra opuest opuestas as. Las crestas crestas de desg desgarro arro se  unen en la direc ión de de ppro rop pagación de de lla a fr fractura, fo form ndo una disposición que se  asemeja a los patrones de río de clivaje. Aunque el estriado se ha observado principalmente  en los sistemas metalicos hexagonal compa ta (HCP), tales como las ale aleaci titani ci circ rcon onio tamb ta ngese sno e .ha hLLas aasre reg gis ist tra rad donesendeaceros ausacione tenones íticos sde tipotit 1 ofra fraygililiz izad ados osio,,po por r mbié hi hid dién ró róg no. al alea eac cio   3ani titanio inoxidables que tienen un  rela relatitiva vame ment ntee alto contenido de oxígeno o de aluminio (alfa-estabilizadores) se fracturaron a temperatur aturas as criog criogénica énicass o por SCC media mediante nte strías. 3.1.6. Topog opogra rafí fía a d Rotura tipo desga desgarro rro

Este  tipo de uperficie de falla se ha encontrado en ceros, aluminio, titanio y níquel  bajo una v riedad dde e co condiciones cco omo sso obrec rga, embridamiento por  hidrógeno y fatiga. Aleaciones  α -beta Ti-6Al-4 Ti-6Al-4V V . (A) solución  tratada y envejecida pa part rtíc ícul ula as primarias alfa diam a prtorxizi mdedamente 10 micras 70% en una mat ma aproximadamente en volu volumen men de α fina finass Widma Widmans nstä tätt tten en y β .

 

(B) Fractografía de una aleación de Ti-6Al-4V β , fina microestructura martensítica Widmanstätten.

Aunque el mecanismo Aunque mecanismo ddee nucle nucleación ación y propag propagación ación preciso preciso no ha sido sido identifica ident ificado, do, la fractu fractura ra parece parece ser el res resultad ultado o de un proceso proceso de desg desgarro arro microplástico que opera a escala muy pequeña (submicrónica). Las fracturas TTS no exhiben tanto la deformación plástica como la ruptura hoyuelo, a pesar de que se observan a menudo en combinación con hoy hoyuelos. uelos. Las frac fracturas turas se caracterizan generalmente por áreas o facetas relativamente suaves, a menudo planas, que por lo genera gen erall cont contien ienen en cr crest estas as de des desgar garro ro finas. finas. Puede Puede ser ser debido debido a la nuc nuclea leació ción n de micro-huecos espaciados estrechamente y el crecimiento limitado antes de la coalescencia, dando como resultado hoyuelos extremadamente poco profundos. Sin embarg emb argo, o, est estaa hipóte hipótesis sis parece parece poco poco pro probab bable, le, por porque que se obs observ ervan an a menudo menudo hoyuel hoy uelos os bien de desar sarrol rollad lados os en aleac aleacion iones es con car carbur buros os unifor uniformem mement ente e disperso dispersos, s, como el acero acero HY-13 HY-130, 0, y porque esta fractur fractura a se obser observa va bajo diferen diferentes tes estados estados de tensión.

 

FRACT RACTURA URA 4. ESTUDIO APL ICA DO DE FALLAS POR F

isis is in inte tegr gral al y si situ tuad adoo de FRAC FRACTU TURA RA como una de las categorías Siguiendo en el anális de  falla, el desarrollo de na fisura en el espesor del material presentará recorridos que depend dep enderá eránn  fu fuert erteme emente nte de la magnitud del estado de tensiones. La velocidad de avance será ser á una cara caract cterí eríst stica ica ddee la severidad de acción del mecanismo de daño presente.

Cambio  en la bifurcación grieta on magnitud de la carga y la velocidad  de propagación de las grietas. (A) La baja velocidad (carga  baja) y alta tenacidad. (B) Una velocidad más alta (mayor  carga) y alta tenacidad. (C) de alta velocidad (carga alta) alta)  y ba baja ja tenaci tenacidad. dad. (D) Un Un velocidad más alta (mayor  carga)  y baja tenacidad tenacidad.

anális lisis is de de fa falla lla eess la El  propósito último de la Fractología y los otros métodos de aná determinación (técnica) de la causa raíz que suele darse por varias condiciones como el uso alla la en llaa fab abri riccaci ción ón,, ddis ise eño ina inad decu ecu do, inadecuado o pobre u  operación inapropiada, al Fractología a provee de combinación ión de los ante anteriores riores.. La Fractologí manten man tenimi imient ento o  o repara reparació ción o una combinac una her herram ramien ienta ta úúnic nica a par par determinar los factores causantes de la falla como ser: · El  ma por eenc ncim ima a de de las las exi exige genc ncia iass iimp mpue uesstas por el diseño material fue utiliz do por · La pieza no tenia las propiedades asumidas en el diseño · Una dis suficientemente te critica para causar la falla disco cont ntin inui uiddad fue los suficientemen de vista macroscópico hacen intr desd siguie tabla Veremos con másy ticasnpuna reseintroduc nteoducción s en ción las sdesde uperfeicel ie punt de fr ctura. microsLas cópi csig o uiente a lantes s csartabl actaeríshace detalle detal le las  cara caracter cterísti ísticas cas de la falla dúctil y frágil, del estado monótono (sin variación) de carga y cíclica (de fatiga). implificando, diremos: · Est fatitiga ga:: la lass ma marc rcas as de pl play ayaa in indi dica cann fa fattiga, pero su ausencia no Estado ado  monóto monótono no v fa confirma que sea un estado monótono de solicitación. · Dúctil  vs frágil, m croscópicamente: croscópicamente: macroscópicament macroscópicamentee la fractura dúctil revela cambios de llaa sseecci n transversal de la parte de la fractura /o la presencia de labios cular ar a la direcc dirección ión de la ma acroscópicamente eess pe perpendicul de  cor corte te.. La ffra ract ctur ur frágil m Macroscópicamente la ene e evid eviden enci cia a de de defo form rmac ació iónn an ante teri ri r. Macroscópicamente carga  principal y no titien unaa aapar parien iencia cia mixta mixta duc ductiltil-frá frágil gil.. Es Es más usual poder identificar  fractura frac tura  pued puedee ttene ene un la  secuencia Frágil dúctil macroscópicamente, y más usual la secuencia dúctil frágil con un abordaje microscópico ·

fractura dúctilEnse icroscópicamente: icroscópicamen microscópicamen microscópicamente teia la de micro-huecos. el de hoy de hoyuel uelos os te: me media diante nte lla a coale coalesc scenc enc cDúctil aract ervs iza pfrágil, or el m do clivaj vaje e (tra (transg nsgranu ranular lar)) o fra fragil giliza izaci ción intergranular. cas asoo de la frág frágilil puede ser cli

 

Tabla: Características Características M Macroscópicas acroscópicas de la superficie de fractura Marca o Indicación Distorsión visible Mueca o estría visible Orientación de la superficie de Fractura relativa a la geometría de la pieza o condiciones de carga Tanto fractura plana como labios de corte presentes Fisura poco abierta en la superficie Marcas radiales y marcas Chevron (Forma de "V") Líneas de Fisura secuenciales (Forma "U") "U") (en carga monoaxial) monoaxial) Líneas de Fisura secuenciales (Forma "U") (en carga cíclicas)

Implicancia Superación de la tensión de fluencia, deformación plástica y puede indicar inestabilidad (estricción, pandeo) o daño posterior a la falla Posible zona de iniciación de fisura · Ayuda a identificar los modos I, II, III · Identificación macrográfica de fractura dúctil y frágil

Propagación de la fisura paralela a los labios de corte Modo mixto de fractura (embridamiento parcial) Posible carga cíclica Posible falla de fabricación (granallado, fisuras de temple, etc) Marcan hacia el sitio de iniciación de la fisura Muestran sentido de propagación de la falla Las líneas apuntan a la dirección de propagación Indican restricción a la deformación incompleta Indica el sentido de carga cíclica Propagación desde el centro de la curvatura La curvatura puede ser inversa en secciones circulares a medida que se propaga Marcas de trinquete o saltos · Más probables e cargas cíclicas radiales · Indican puntos de iniciación Decoloración superficial o en la · Puede indicar indicar ambiente corrosivo corrosivo superficie de falla · Puede indicar elevada temperatura Línea (tipo arco circunferencia) de Posible sitio de iniciación de falla oxidación en la superficie de fractura Reflectividad de la superficie de · Mate: fractura dúctil o carga cíclica fractura · Brilla Brillante: nte: posiblemente posiblemente de clivaje · Facetada y brillante: intergranular con tamaño de grano grande Rugosidad superficial   · Incremento de rugosidad en la dirección de propagación (puede afectarse en estados de flexión cuando se atraviesa zonas de compresión) · En cargas cíclicas, zonas suaves con zonas ásperas. · Fracturas mates y ásperas son dúctiles · Puede indicar la transición del crecimiento de la fisura de fatiga a sobrecarga Desgaste generalizado   · Puede indicar vibración · puede indicar la dirección final de separación Desgaste localizado

 

· · · · · · · · · · ·

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Patrón arremolinado indica torsión Puede indicar fisura cerrada en cargas cíclicas Puede borrar las marcas de playa Si están torsionadas indican torsión

Marcas dibujadas y rajas de rolado Marcas de mecanizado No están distorsionadas en torsión (generalmente normales al eje de la pieza) Rugosidad variable en el borde de En fallas de flexión frágil, la cara rugosa es el lado traccionado falla

Tabla: Características Características Micros Microscópicas cópicas de la superficie de fractura Marca o Indicación Implicancia Superficie Superfi cie de Fractura Fractura por hoyuelo hoyuelo Fractura Fractura dúctil dúctil por sobrecarg sobrecarga a en esa localiz localización ación Superficie facetada de fractura   · Fractura frágil por clivaje · Posibl Posible e SCC (Stress corrosion corrosion cracking) cracking)

 

Puede ser fatiga con bajo K Int Intergr ergranu anular lar con con suave suavess límite límitess Posible inadecuado proceso térmico o fractura asistida por el de grano medio ambiente (alta temperatura de servicio, ambiente corrosivo) · Men Menos os habitu habitual, al, fat fatiga iga con bajo bajo K Intergranular con hoyuelos en · Rotura por descohe descohesión sión a una una temperatur temperatura a a una alta fracción fracción límites de grano del punto de fusión fusión · Posibl Posible e falla inherente inherente con con una inadecuada inadecuada resistenc resistencia ia en la zona cercana al límite de grano Pa Patr trón ón tipo tipo ríos ríos o ab aban anic icos os Fr Frac actu tura ra por por cli cliva vaje je,, la fis fisur ura a corr corre e rio rio abaj abajo, o, los los ray rayos os del del aba abani nico co apuntan a la zona de iniciación en el grano Lenguas Deformaciones trenzadas durante la rápida propagación de la fisura · ·

Ranuras en una superficie de fractura transgranular  Fractura con líneas de crestas  

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·

Ranuras o rendijas

 

· ·

ambiente corrosivo y fractura dúctil la fisura se propaga paralela a las estrías Estriación por fatiga en cargas cíclicas. Un espaciado constante indica amplitud constante. un espaciado variable indica amplitud variable o bloqueo de la carga Las líneas pueden ser causadas por una segunda fase en la microestructura SCC TGF (fractura transgranular)

Factores Fa ctores que influencian e ell comportamiento de un ma material: terial: Temperatura: Materiales con estructuras Cubicas Centradas en el cuerpo

presentan temperaturas temperaturas de ttransición ransición de comp comportamiento ortamiento frágil. Veloci Ve loci dad de a apli pli cación de la carga: la deformación en materiales dúctiles de cuerpo cuerp o centrado, centrado, tien tiene e un retra retraso so resp respecto ecto a la aplicació aplicaciónn de la carga, por lo cual velo velocidades cidades eleva elevadas das disminuyen el alargamiento y la estricción estricción originando un comportamiento frágil Tensiones internas : las tensiones internas pluriaxiales originadas por soldaduras, tratamientos térmicos, defectos, discontinuidades, pueden favorecer  un comportamiento frágil. Estructura Cristalina: Estructura de granos b bastos astos favo favorecen recen un comportamiento frágil. carbono, no, el silicio, los gases Composición Quí Química mica: Aumentan la fragilidad: el carbo disueltos (Hidrogeno, (Hidrogeno, nitrógeno, oxigeno), las impurezas (az (azufre ufre y fosforo) Aumentan llaa ductilidad: el manganeso (además por sser  er  desoxidante y desulfurante), el níquel (por su acción ligante y afina el TG) y el aluminio (afina TG y desoxidante). Deformación plástica anterior 

4. 4.1. 1. Esta Estado do de carga

Según sea el sentido, intensidad, y velocidad de aplicación, el estado de carga influye en la morfología morfología de la fractura. Com Comoo vimos en la fractura de cuasic cuasiclivaje, livaje, el estado de triaxialidad puede modificar el modo de fractura de hoyuelos a cuasiclivaje o intergranular, esto fundamentalmente puede verse en el inicio de la superficie de fractura y no siempre siempre en todo su desarrollo. Un ca cambio mbio de esta ccaracterística aracterística en eell estado de tensión, es el que se da en el vertice de una entalla.

 

Esquema que relaciona i el estado estado de de tensiones tensiones y la orientación orientación de la las fallas asociadas

Car g a c u as i es t át i c a m o n axia axiall de Tracc racción: ión:

Comportami Comport amient ento o  bajo un un estad estad de carga carga monoaxi monoaxial al de tracció tracción. n. I) deformac deformaciión plástica plástica II)tipos II)tipos de falla: falla: a) Fractura  frágil en estructura monocristalina y policristalina. b) Fractura de cizalladu adura ra dúctil dúctil en monocri monocrista stal.l. c) Fractura totalmente dúctil en policristal. d) fractura dúctil en policristal (copa-cono)

Desar esarro rolllo del del eest stad ado o de de sol soliicita cita ión monoaxi monoaxial al de tracci tracción ón en funció funciónn de los plan planos de deslizamiento

4.2. Fra ractu ctura ra  D Dúct úctil il y Frágil

TEORIA  DE LA PL ST STIC ICID IDAD: AD: Mi Mien entr tras as que que en el pe peri riod od elástico, el estado final depe de pend ndee  dde e la ca carg rga inicia inicial,l, de de la ccarg argaa fifinal nal y defor deformac mació ión; en el proceso plástico (gobernado  por el ovimiento de dislocaciones, plano desliz lizami amient entoo fcc (111); (111); bcc predominio (110)) el esta estado do final final dep depende ende del patrón patrón de carg carg de todo el proceso.

 

Es difícil hacer una descripción que englobe a las fracturas de modo integral o encuadre cada tipo de fractura en un modo determinado. Debido la complejidad y multiplicidad de mecanismos de rotura presentes es que preferimos referirnos a los cuatro modos de fractura (por hoyuelos, clivaje, fatiga, descohesión) que están presentes en la gran mayoría de las superficies fracturadas. Es también habitual encontrar la siguiente distinción entre rotura dúctil y frágil aunque debe leerse como una primer aproximación al estudio de falla. TIPO

DUCTIL

FRA GIL

Defo De form rmac ació iónn

Rela Relatitiva vame ment nte e ele eleva vada da,, may mayor or al 5% Lo

Superficie de

Fibr Fibros osa a o mat mate e o suav suave e seg según ún mater material ial

Muy Muy peq peque ueña ña o iimp mper erce cept ptib ible le deformación antes de la fractura Granu Granula larr o cri crist stal alin inaa ((br brililla lante nte:: ggran ran

fractura

reflexión a la luz). Pueden facetas en aceros de granodistinguirse grueso Sección Secció n trasversal reducida generalmente generalmente Sin estricción en forma de cuello (estricción) Crecimiento Crecimi ento de fisura fisura lento. lento. Fase de Crecimiento rápido de fisura (puede ser  rotura de larga duración acompañado acompaña do con ruido). ruido). Fase de rotura breve a 45 45gr grad ados os de la dire direcc cció ión n de de te tens nsió ión n no norm rmal al a la dire direcc cció ión n de la te tens nsió ión n

Velocidad de avance Plano de fractura Otros

Limite de fluencia muy distinto a la tensión de rotura Labios de corte suelen observarse en las áreas de terminación

Limite de fluencia próximo al de rotura Patrones tipo Chevron pueden observarse

A) Comportamiento Dúctil

“La Ductilidad es una característica sub subjetiva jetiva de un material.” material.”

Desarrollo comportamiento dúctil, falla central por hoyuelo y labios de cizalladura (planos de deformación).

 

La clásica fractura de copa y cono muestra tres zonas: 1) interior, plana y fibrosa, donde comienza. Tiene una tasa de crecimiento baja, es es fibrosa sin patrón definido o con crestas circunferenciales (indican crecimiento estable subcritico de la fisura que requiere alta energía) 2) radial intermedia. Se produce cuando el crecimiento se vuelve rápido o inestable. Marcan radialmente el sentido de crecimiento. Su apariencia puede ser fina (habitual en aceros de alta resistencia templados y revenidos) o gruesa (habitualmente cuando se somete a revenidos a mayor  temperatura de estos aceros) dependiente del material y la temperatura del ensayo. 3) La exterior de labio de corte, donde la fractura termina. Es suave, y depende del estado de tensiones y material

1 2

3

Bulón de ASTM ASTM A490 (acero (acero de baja baja aleación aleación templado y alta resistencia)

Modificación de las áreas de fractura con distintas temperaturas de revenido

 

AISIS 4142 Templado Templado y distintas distintas temperaturas temperaturas de revenido Prob Probet etaa 1 2 3 4 5 6 7

Temp Temp re reve veni nido do (° (°C) C) 205 315 455 510 565 620 675

Ro Rotu tura ra (MPa (MPa)) 1970 1730 1410 1250 1130 945 770

Elon Elonga gaci ción ón % 10 10 12.5 15 16 20 24.5

%R %Raa 39 43 47 54 58 63 66

B) Comportamiento frágil,

Fractu Fra ctura ra frágil frágil en zona zona de brid brida a de un semieje de acero SAE 1050 (0.50C, 0.95Mn,, 0.25Si) sometido 0.95Mn sometido a flexión con alta velocidad de aplicación de la carga. El eje es laminadopor en inducción caliente superficial

templado (exterior 

 

martensita 60HRc, interior perlita + ferrita 20HRc)

Zona  de inicio de falla n superfi superficie cie exteri exterior or templad templada, a, fr frac acttura ura  iint nter ergr gran anul ular ar (g (gra ra os originales de la austenita)

a) Zona transi transició ciónn b) superfi superficie cie interi interior or perlíti perlítico co ferríti ferrítiica, falla por clivaje.

4.3. Fac t o r es  q u e m o d i fican el modo de Fractura Fractura

4.3.1 Alivio de tensiones luego de la soldadur soldadura: a:

soldadas material: 42CrMo4 42CrMo4 (0.41C, 1Cr, 0.15Mo) Ensayo de tracción en piezas soldadas tensiones a 600°C por 20 minutos a) y b) Sin alivio de tensiones, c and d) Alivio de tensiones

 

4.3.2 Efecto del aumento de temperatura: aumento de la El temperatura dentro de ciertos rangos a igualdad d   otros parámetros de s licitación, aumenta la d ctilidad del material y por  lo  tanto, si la falla se d sarrolla según el modo d   hoyuelos, a mayor    aumento desarrollará en los utemperatura tamaños de los mis os. Aleación 0. 0.3C-1Cr-1.25 o-0.25V-0.7Mn-0.04P que se trata con calor a un nivel de resistencia a la Hoyuelos en las facetas intergranulares. intergranulares. rotura de 880 MPa (128 ksi). Hoyuelos

4. 4.3. 3.3 3 Efe Efect cto o de de la la ba baja temperatura (en BCC y HCP) temperatura ra pued puedee result resultar ar en l reducción del tamaño y Si  bi bien llaa ddiisminución de temperatu profundidad  de los hoyuelos en las estructuras fcc, las bcc uelen mostrar un cambio en  el modo de fract ra de hoyuelos o intergranular a clivaje. En el ensayo de impacto comportamiento o del temperatura ura en la cual el comportamient (Cha (C harp rpy) y),,  bus busca camo mo identificar la temperat material (bcc y hcp) pasa de dúctil a frágil. También  en este e sayo introducimos la velocidad de apllicación de la carga y la de de deformación ación en laque probeta. de la enelocidad vim elpouceidsatad  edse sdim efiolarr al el estado tensiones cambio cambio genera generaEllacambio mo modific dificación ación pudiendo  modificar el tamaño de los hoyuelos y hasta l modo de fractura, de hoyuelos a semicliv  je o descohesión intergranular. Esta de endencia de la velocidad sensible en la estructu estructura ra bcc de deformación es ás sensible

a) Maquina Ensayo de Charpy b) Curva esquemática resultado del ensayo

c) Esquema Fractura

 

temperatura En esta imagen se combinan la la máquina de ensayo, la curva resultante y las superficies de fractura fractura por clivaje, con baja energía absorbida (izq) y por hoyuelos, con alta energía absorbida (der) en un acero ferrítico ferrítico

AISI 1080 (acero (acero al carbono) carbono) (100% perlita) perlita) a) Ensayo a -125°C -125°C muestra rotura rotura 99% tipo cliv clivaje, aje, las facetas facetas de clivaje son aproximadamente del tamaño de los granos previos previos de austenita. b) Ensayo a 125°C muestra rotura completa tipo hoyuelo

Fig. 70 Effect of test temperature on an AISI 1042 carbon steel with a slightly tempered martensitic (660 HV) microstruct microst ructure ure that was was Charpy impact impact tested tested at -196 and and 100 °C (-320 and and 212 °F). The fracture fracture at -196 °C (32 (3200 °F) consists consists entirely entirely of cleavage cleavage (a), and at 100 °C (212°F), (212°F), it is dimple dimple ruptu rupture re (b).

4.3.4 Efecto del Alivio de tensiones luego de la soldadura:

 

Superficie de fractura del acero 42CrMo4 (0.41C, 1Cr, 0.15Mo) sometido al ensayo de Charpy V-notch

a -5 -50°C 0°C,, 20°C 20°C y 10 100° 0°C. C. a, a, b and and c) Sold Soldad adura ura sin sin Ali Alivi vioo de Te Tensi nsion ones es,, d, e, e, and and f) con con Aliv Alivio io de de Tensiones.

4.3.5 Velocidad de enfriamiento en la ZAC (zona afectada por el calor) La velocidad de enfriamiento de la ZAC (motivo principal de evaluación para la temperatura de precalentamiento de la soldadura) afecta la microestructura, dureza, tenacidad y por noende superficie de falla. En la ZAC se desarrollan algunas microestructuras favorables (ej: crecimiento de TG) principalmente en el caso de una única pasada de soldadura (no hay sucesivas pasadas que generen el revenido de las pasadas anteriores), presentándose la menor tenacidad. Esta velocidad de enfriamiento se se acele acelera ra en los casos de reparacio reparaciones nes en servicio donde el fluido interior acelera la pérdida de calor.

Fractografía del Ensayo de Charpy en API 5L X80 (0.06C, 0.19Si, 1.63 Mn, 0.16 Cr, 0.01 Mo) con dos velocidades distintas para pasar de 800°C a 500°C. a) t8/5 = 5.5 5.5 s; b) t8/ 8/5 5 = 15 15 s

4.3.66 Efecto 4.3. Efecto del espe espesor sor en el ensa ensayo yo en el estad estado o de Tensiones Tensiones En el ensayo ensayo pa para ra la determin determinación ación del ín índice dice de tenacida tenacidadd bajo uunn esta estado do planar de deformación (KIc) se visualiza como el aumento de espesor modifica el estado de tensiones y por tanto la respuesta del material. En est estee ensayo se someten diversas probetas entalladas en "V" y fisuradas por fatiga (la fisura es producida y cuantificada antes del ensayo). Norma ASTM 399.

 

En este ensayo se verifica verifica que el espesor de la probeta modifica el estado de tensiones: de un estado planar de tensiones en las de bajo espesor a un estado de deformación planar en el caso de las de mayor espesor como se ve en las figuras.