Ejemplos de Roturas de Pernos

FALLA DE MATERIALES En esta unidad se abordará los temas: • Causas de falla • Solicitaciones (cargas y esfuerzos) • Fractura • Desgaste (mecánico, corrosión) 1.- Introducción En la mayoría de los componentes o piezas mecánicas existe una probabilidad de falla, es por esta razón que los ingenieros han desarrollado un amplio estudio de los tipos de fallas que se producen, las causas que la originan para poder evitarlas o minimizarlas. La falla de un material está asociada directamente a la fractura de un elemento o pieza. Es importante diferenciar entre los tipos de fallas, las causas que producen la falla y las solicitaciones asociadas. 2.- Causas Usuales de Falla Las causas de una falla mecánica está relacionada directamente con las personas, es incorrecto pensar que una fuerza es la causa de la falla, como se argumenta más de alguna vez: “la causa de la falla es la fatiga de materiales”, lo que es absolutamente falso. En el listado se mencionan las causas más comunes de fallas:  Fabricación inapropiada de la pieza. Mecanizado, tratamientos térmicos, conformación (forja, laminado..)  Selección inadecuada del material de fabricación de la pieza o componente mecánico.  Mal diseño del componente. Cálculos de diámetros, espesores, longitudes, esfuerzos.  Mala utilización en servicio. Instalación, exigencias (sobre esfuerzo), mantenimiento. 3.- Cargas y Esfuerzos. Para que se produzca una falla mecánica se debe aplicar una fuerza o esfuerzo sobre el elemento mecánico, esta fuerza no es la causa de la falla. 3.1.- Tipos de cargas:   

Tensión (tracción): Las cargas o fuerzas de tensión son las que tiran en sentidos opuestos a la pieza para separarla. Compresión: Son lo contrario a las cargas de tensión. Las fuerzas tratan de comprimir un objeto para unirlo o hacerlo más corto. Flexión: Es un tipo de esfuerzo en que la carga se manifiesta perpendicularmente al eje longitudinal de la pieza y por tanto tiende a producir giro en torno a los puntos de apoyo.





Torsión: Las cargas se manifiestan en un plano perpendicular al eje longitudinal del elemento y tangencial al perímetro del elemento provocando en ella movimientos de giro y deformación angular. Debido a que las líneas de deformación generadas por las cargas opuestas en los extremos de la pieza se contraponen, los componentes afectados por torsión tienden a retorcerse. Corte (Cizalle): Son dos fuerzas contrarias muy próximas a una sección transversal del elemento, éstas se deslizan con movimiento relativo entre uno y otro. Cuando esto ocurre, se dice que esta sección está sometida a esfuerzo cortante.

3.2.- Esfuerzos. Es la resistencia interna ofrecida por un material a la aplicación de una fuerza por unidad de superficie. Existen dos tipos de esfuerzo, esfuerzo axial y de corte.

La relación entre esfuerzo y tipo de solicitación son los siguientes:  Esfuerzo de axial (Tensión y Compresión): Un elemento está sometido a tracción cuando se aplica sobre él una fuerza normal a su sección transversal o de forma axial.  Esfuerzo de Flexión: Se generan esfuerzos axiales de compresión y tracción.

Esfuerzo axial de compresión

Esfuerzo axial de tracción

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Esfuerzo de Torsión: Debido a las cargas de torsión, en el eje se producen esfuerzos de corte 



Esfuerzos de Corte Puro: Se producen cuando se aplica una carga paralela a una superficie

Resumen: Carga

Esfuerzos

Ejemplos

Axial

Cables, eslabones, barras tensadas.

Flexión

Vigas, ejes, resortes en hoja. Raíz de dientes de engranes.

Torsión

Ejes, resortes espiral.

Corte o Cizalle

Sistemas de unión. (remaches, pernos, soldadura). Elementos de transmisión. (cuñas, pasadores)

Contact o

Cojinetes, dientes de engrane.

árboles, en

4.- FRACTURA La fractura se define como la separación de un cuerpo en dos o más partes debido a la aplicación de una carga, a la temperatura por debajo del punto de fundición. Es muy importante poder clasificar las fracturas para poder determinar que las causó. La clasificación se puede realizar por medio de la observación cuidadosa de la textura, color, reflectividad y características de la superficie. La textura o aspereza de la fractura es determinada por la velocidad de propagación. Las que se propagan rápidamente presentan superficies ásperas. Las que se propagan lentamente tiene superficies más suaves Las fracturas en su superficie varían de color, de plata a negro oscuro. El color puede ayudar a identificar las fracturas. La reflectividad ayuda también a identificar las fracturas, pues algunas reflejan mejor la luz que otras. Las fracturas frágiles a veces brillan. Las fracturas dúctiles rara vez reflejan la luz. 4.1.- Características de las Superficies de Fractura Las Fracturas en materiales blandos desarrollan más características identificadoras en su superficie que las fracturas en materiales duros. Según la dureza del material las fracturas se clasifican en: 4.1.1.- Fractura Dúctil: • Deformación plástica considerable antes de la fractura. • Los granos en una fractura dúctil son torcidos y estirados antes de romperse. Su forma y la forma de la pieza cambia significativamente. 

Fractura dúctil en Tracción El mecanismo de falla a tracción para materiales dúctiles se puede subdividir en 4 procesos. a. Se genera un “cuello” (necking) en una región del elemento sometido a tracción. b. En aquella región comienza a generarse micro cavidades. c. Las micro cavidades coalescen y se generan grietas que comienzan a propagarse. d. Las grietas se propagan en la dirección de máximo esfuerzo cortante, a 45° de la dirección de carga. e. El material restante no soporta la carga aplicada y surge una propagación muy veloz que termina en fractura en fracciones de segundos.

Figura. Mecanismo de la fractura en materiales dúctiles a tracción -

CARACTERÍSTICAS La superficie puede adoptar una forma tipo cup-and-cup bien definida. La textura es áspera, de color gris oscuro, falta de reflexión y con labios de corte. Se genera una superficie cup-and-cone en algunos materiales como el aluminio.



Cup-and-cone fracture in Al with tensile load. Fracturas Dúctiles Debidas a Cargas de Flexión

 En este caso la Fractura Dúctil, produce superficies ásperas de color gris oscuro. El labio de corte generalmente aparece en el lado de compresión de la fractura y es la última sección de metal que se desprende.  Fracturas Dúctiles Debidas a Cargas de corte En este caso la fractura dúctil debida a cargas de corte produce una superficie bastante suave (satinada o sedosa)  • • •

Fractura dúctil en Torsión Pueden ocurrir en el plano de corte transversal o longitudinal Si es en el plano de corte transversal (superficie suave sedosa salvo en el centro que es áspera y gris oscuro) Si es en el plano de corte longitudinal, el flujo de grano puede exponerse produciendo una superficie gris leñosa.

y

4.1.2.- Fractura Frágil  Generalmente es el resultado de una carga de impacto súbita.  Ocurre de repente y con poca deformación plástica (no cambia de forma la pieza).  Si los trozos se volvieran a juntar, encajarían en buena medida y parecería que la pieza no hubiera sufrido mucho daño.  LA propagación de la grieta es casi perpendicular a la dirección de aplicación de carga.  Las fracturas Frágiles se pueden dividir en dos tipos: -Fracturas Frágiles por Clivaje o Transgranulares (breaking of atomic bonds) -Fracturas Frágiles intergranulares. Fractura Frágil por Clivaje o Transgranular  Posee una textura áspera  Coloración medio grisácea No hay deformación plástica  En materiales duros, la superficie puede brillar como si tuviera diamantes.



En materiales más blandos se desarrolla una característica de superficie llamada “CHEVRON” o “SARDINETA”, lomos que se propagan a medida que la fractura crece.

Fractura Frágil Intergranular Las fracturas Frágiles Intergranular poseen la mayoría de las características de las fracturas frágiles por clivaje, la única diferencia es que no brillan tanto como las causadas por clivaje. Fractura frágil por tracción (clivaje) La superficie de fractura suele ser brillante y cristalinas. Superficie fibrosa, se observa la descohesión.

Foto corresponde a un perno sobrecargado.

Fractura Material Frágil por torsión En un plano a 45° respecto al área transversal se produce un sistema de esfuerzos principales de tensión que produce la fractura.

Causas de Fractura Frágil

Cuando una fractura frágil muestra características por clivaje, pero no brilla o lo hace muy poco, se debe examinar la superficie con detención (lupa) para verificar si existen zonas ásperas (fractura intergranular) Es importante identificar fracturas intergranulares pues ellas se producen por una combinación de cargas, ambiente de trabajo y materiales o procesos que no son compatibles entre sí. 4.1.3.- Fractura por Fatiga Es una forma de falla que ocurre en elementos mecánicos sometidos a cargas dinámicas y cíclicas. La fractura se produce después de un largo tiempo de aplicación de cargas repetidas o deformaciones cíclicas. La fractura ocurre siempre a niveles de esfuerzo muy inferior a los de resistencia a la tracción o de cadencia. Las cargas aplicada pueden ser de: • Tensión – Compresión. • Flexión. • Torsión.

Cargas cíclicas Existen dos tipos de cargas cíclicas: Invertidas: El esfuerzo máximo (tracción) es igual en magnitud al esfuerzo mínimo (compresión) pero con signo distinto. Fluctuantes: El esfuerzo máximo y el esfuerzo mínimo son asimétricos. El proceso de fractura se caracteriza por:  Nucleación de la grieta en una zona de alta concentración de esfuerzo.  Propagación de la grieta en forma gradual en cada ciclo de carga.  Fractura final, ocurre muy rápido al alcanzar la grieta su tamaño crítico. Concentradores de esfuerzos:  Rayas superficiales.  Cantos vivos.  Roscas.  Ranuras para chavetas o cuñas.  Otros.

Superficie de fractura La morfología típica de una falla por fatiga se muestra en la fotografía. Se observa un inicio de la fractura, un avance (orillas de playa) y un final.

Marcas de Playa y Marcas de Trinquete Se pueden utilizar a menudo para determinar el punto de iniciación de la fractura. Una marca de playa se forma cuando una fisura por fatiga cambia de velocidad. Si la velocidad de la fisura no cambia, las marcas de playa no serán visibles. En materiales duros pueden no formarse marcas de playa. Las marcas de Trinquete pueden presentarse en una fractura por fatiga. Indican alto esfuerzo y múltiples puntos de iniciación, es decir, varias fracturas por fatiga comenzaron más o menos al mismo tiempo y casi en la misma ubicación, pero en planos diferentes. A medida que las grietas por fatiga crecen, las fracturas individuales pueden juntarse y formar una grieta grande. Fractura final El tamaño de la fractura Final, es una indicación de la severidad de la carga aplicada. A-.Fractura Final Grande B-.Fractura Final Pequeña

Fatiga por Tensión Estas fracturas suelen comenzar en el exterior con fractura final debajo de la superficie o pueden comenzar bajo la superficie y crecer hacia fuera. En la fatiga por cargas de tensión, se producen marcas de playa circulares concéntricas.

Fatiga por Flexión

Se producen marcas de playa que se inician en un punto y se propagan hacia el otro lado de la pieza La flexión inversa puede originar dos fracturas por fatiga una en cada lado de la pieza con marcas de playa moviéndose una hacia la otra. La flexión rotativa produce marcas de playa que crecen hacia adentro. La fractura final ocurre en la región central. Fatiga por Torsión Las grietas por fatiga por torsión dejan marcas de playa que avanzan en ángulos de 45° dentro de la pieza. Se presentan varias fracturas ramificadas.

5.- CORROSIÓN La corrosión es un deterioro de un material producido por un ataque químico tanto en su superficie como en su interior. La corrosión electroquímica Tipos De Corrosión Los tipos de corrosión se pueden clasificar según la apariencia del metal corroído. • Uniforme • Galvánica • Por picadura • Por grieta • Intergranular • Bajo esfuerzos • Selectiva 5.1.- Corrosión electroquímica (galvánica) Ocurre por la diferencia de potencial entre dos metales diferentes en contacto o por la diferencia de potencial entre diferentes áreas de un mismo metal, que forman una celda galvánica.

Cada celda consiste en un ánodo que produce electrones, de un cátodo (recibe los electrones) y de un electrolito. En los electrodos se producen las siguientes reacciones: •

Oxidación: Se produce en el ánodo. Los átomos metálicos se ionizan positivamente (entregan electrones) +n M → M +n ´e

• Reducción: Se produce en el cátodo. El metal reduce su carga de valencia. M +n+n ´e → M Cada metal posee una propiedad química denominada potencial electroquímico que se relaciona con la capacidad del metal a oxidarse.

Los metales con mayor potencial son aquellos que tienen una menor tendencia a la oxidación, por ejemplo el Oro. En la figura se muestra un ejemplo, una unión entre dos tubos de acero con una acople de Cobre.

El hierro por tener menor potencial se comporta como ánodo, se corroe.

5.2.- Corrosión bajo tensiones Ocurre cuando en un metal existen zonas con distintos esfuerzos. Las zonas con una mayor concentración de esfuerzos actúan como un ánodo respecto a las áreas con menos esfuerzos que se comportan como cátodos.

Tubo de acero doblado en frío. La zona deformada está más tensionada, se corroe.

5.3.- Corrosión por picadura Se produce debido a la formación de una celda por concentración. Este fenómeno ocurre cuando cierta región de un metal está privada del oxígeno, actuando como ánodo respecto a la región que está en presencia de oxígeno que se comporta como cátodo. Un ejemplo típico es un estanque de acero conteniendo agua. La parte sumergida del estanque no está en contacto con oxígeno, por lo que se corroe. En cambio, la parte del estanque que se encuentra sobre la línea del agua está expuesto al oxígeno y no se corroe. En la figura se muestra otro ejemplo, una unión de dos perfiles en “L” mediante remaches. En la zona más cercana al perno la concentración de oxígeno es menor respecto a la zona externa, por lo tanto se corroe.

5.4.- Corrosión Intergranular. Ocurre cuando se forman precipitados en el borde de grano de los metales, produciéndose una celda galvánica. El borde de grano se comporta como un ánodo respecto al grano. Los casos más comunes se ven en aleaciones de zinc (ZAMAC), en donde precipitan las impurezas como el cadmio o plomo. También el los aceros inoxidables, en donde precipitan carburos de cromo.

6.- DESGASTE Se define como la pérdida de material debido a la acción de una fuerza sobre su superficie. Se pueden clasificar en: • Abrasivo • Adhesivo • Cavitación 6.1.- Desgaste Abrasivo Ocurre cuando el material se elimina de la superficie al contacto con partículas duras. Evitar con recubrimiento duro: Cromado, Nitruración

6.2.- Desgaste Adhesivo Se produce por la adhesión o cohesión entre las estructuras atómicas de los materiales en contacto real sometidas a altas presiones específicas. Esta adhesión se debe al íntimo contacto de las dos piezas por la falta de una película de aceite de suficiente espesor para separarlas.

. Una de las formas más usadas para evitar o minimiza el desgaste adhesivo es el cromado. Consiste en formar una capa de cromo sobre la superficie de una pieza de acero de un espesor de 0,1 mm. La forma de lograr el recubrimiento es por electrodeposición. 6.3.- Erosión líquida. Cavitación La cavitación ocurre por una caída brusca de la presión de un fluido por debajo de la presión de vapor. Esto se debe a cambios bruscos en la velocidad del flujo o por un efecto de vacío parcial dado generalmente por columnas de fluido grandes como es el caso de las bombas.

Las burbujas, en la región de menor presión, implosionan generando ondas transmitidas hacia el metal. En el punto donde choca la onda se produce la falla (erosión).

Proyección De Gotas Ocurre cuando gotas de un líquido arrastradas por un gas que se mueve rápidamente, chocan con la superficie de un metal.

Estas formas de deterioro se pueden minimizar a través del diseño de los elementos mecánicos. Por ejemplo: Minimizar la velocidad. La cavitación aumenta de modo exponencial con el incremento de velocidad. Controlar el fluido. Desairearlo, eliminar exceso de vapores. Seleccionar metales duros como aleaciones base níquel, cromo, aceros para herramientas.

Usar recubrimientos orgánicos como el caucho, poliuretano. Estos materiales absorben las vibraciones en cavitación y el impacto de las gotas de líquido.