Prólogo
Lista de Símbolos
1. CONCEPTOS GENERALES
1.1. Definiciones y conceptos básicos
1.2. Tipos de fractura
1.2.1. Fractura frágil
1.2.2. Fractura dúctil
1.2.3. Otras clases de fracturas
1.3. Diseño tradicional de componentes
1.4. El diseño y la Mecánica de la Fractura
2. FRACTURA DE LOS MATERIALES
2.1. Teoría de la fractura de Griffith
2.2. Modificación del criterio de Griffith
2.3. Mecánica de la fractura lineal elástica (MFLE)
2.4. Modos de desplazamiento de la superficies de fractura en sólidos
2.5. Factor de intensidad de esfuerzos
2.6. Calculo del factor de intensidad de esfuerzos
2.7. Factor de intensidad como criterio de fractura
2.8. Determinación de la tenacidad a la fractura
2.9. Ensayos basados en correlaciones
2.10. Ensayos normalizados
2.11. Tenacidad a la fractura en tensión plana de materiales metálicos
2.12. Ejercicios resueltos
2.12.1. Ejercicio 1
2.12.2. Ejercicio 2
2.12.3. Ejercicio 3
2.12.4. Ejercicio 4
2.12.5. Ejercicio 5
2.12.6. Ejercicio 6
2.13. Ejercicios propuestos
2.13.1. Ejercicio 1
2.13.2. Ejercicio 2
2.13.3. Ejercicio 3
2.13.4. Ejercicio 4
2.13.5. Ejercicio 5
2.13.6. Ejercicio 6
2.13.7. Ejercicio 7
2.13.8. Ejercicio 8
2.13.9. Ejercicio 9
2.13.10. Ejercicio 10
2.13.11. Ejercicio 11
3. MECÁNICA DE FRACTURA ELASTOPLÁSTICA
3.1. Consideraciones generales
3.2. La integral J
3.3. Interpretación física de la integral J
3.4. Determinación experimental de la integral J: Método de Begley-Landes
3.5. Limitaciones de JIC
3.6. Desplazamiento de abertura en la punta de la grieta (CTOD)
3.7. CTOD como criterio de fractura
3.8. Determinación experimental del CTOD
4. EL FENÓMENO DE FATIGA
4.1. Propagación de grietas por Fatiga
4.2. Predicción de vida y análisis de Integridad
4.3. Ejercicios resueltos
4.3.1. Ejercicio 1
4.3.2. Ejercicio 2
4.3.3. Ejercicio 3
4.4. Ejercicios propuestos
4.4.1. Ejercicio 1
4.4.2. Ejercicio 2
4.4.3. Ejercicio 3
4.4.4. Ejercicio 4
4.4.5. Ejercicio 5
4.4.6. Ejercicio 6
5. TIPOS DE FALLAS
5.1. Falla por Fatiga
5.1.1. Características macroscópicas de la fractura
5.1.2. Características microscópicas de la fractura
5.2. Fallas por desgaste
5.3. Falla por corrosión
5.3.1. Corrosión uniforme
5.3.2. Corrosión localizada
5.4. Daño por hidrógeno
5.5. Fallas por tratamiento térmico
5.6. Otros tipos de fallas
6. ANÁLISIS DE FALLA Y MECÁNICA DE LA FRACTURA
6.1. Consideraciones generales
6.2. Recolección de datos de origen y selección de muestras
6.3. Examen preliminar de las partes que fallaron
6.4. Pruebas no destructivas
6.4.1. Inspección por partículas magnéticas
6.4.2. Inspección por líquidos penetrantes
6.4.3. Inpección por ultrasonido
6.4.4. Inpección por corriente inducida
6.4.5. Inspección por radiografía
6.5. Pruebas destructivas
6.6. Selección, preservación y limpieza de la parte
6.7. Exámen macroscópico y microscópico
6.7.1. Exámen macroscópico
6.7.2. Examen microscópico
6.8. Metalografía
6.9. Determinación del tipo de fractura
6.10. Análisis químico
6.11. Análisis de mecánica de fractura
6.12. Pruebas de simulación
6.13. Análisis de evidencia y conclusiones
6.14. Reporte escrito
7. EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
7.1. Aspectos Históricos
7.2. Conceptos Generales
7.3. Ventajas del uso del método de elementos finitos
8. CASOS DE ANÁLISIS
8.1. Evaluación de la falla ocurrida en el eje de un motor eléctrico
8.1.1. Introducción
8.1.2. Formulación del problema
8.1.3. Análisis experimental
8.1.4. Análisis de la falla
8.1.5. Conclusiones
8.2. Análisis de la falla ocurrida en el eje de una extrusora de jabón
8.2.1. Introducción
8.2.2. Definición del problema
8.2.3. Análisis experimental
8.2.4. Caracterización de la falla
8.2.5. Análisis del diseño por resistencia de materiales
8.2.6. Conclusiones y recomendaciones
8.3. Análisis de un sistema de transmisión
8.3.1. Introducción
8.3.2. Formulación del problema
8.3.3. Datos
8.3.4. Dimensiones iniciales del acople
8.3.5. Análisis por el método de elementos finitos
8.3.6. Resultados
8.3.7. Conclusiones
8.4. Análisis por elementos finitos de la cureña de un molino de caña
8.4.1. Introducción
8.4.2. Formulación del problema
8.4.3. Datos necesarios para el análisis
8.4.4. Consideraciones del modelado y análisis
8.4.5. Análisis por elementos finitos
8.4.6. Resultados
8.4.7. Conclusiones
Glosario
Bibliografía
1.1. Causas que producen fallas en piezas mecánicas
1.2. Curvas esfuerzo-deformación para fractura dúctil y frágil, tracción uniaxial
1.3. Característica que presenta una fractura frágil
1.4. Fractura frágil: a. ensayo de impacto, b. perno fracturado, c. ensayo de tracción
1.5. Facetas de Clivaje en un ensayo de impacto
1.6. Marcas fluviales o ríos
1.7. Característica de fractura dúctil
1.8. Fractura dúctil: a. ensayo de impacto, b. en un eje-piñon, c. ensayo de tracción
1.9. Micrografía electrónica de barrido de acero 12L-14 con fractura dúctil
1.10. Categorías de fractura de acuerdo a la extensión de la zona plástica
1.11. Variables involucradas en el diseño tradicional de componentes estructurales
1.12. Variables de análisis la mecánica de fractura
1.13. Zona de propagación inestable frágil, falla en un eje
1.14. Agrietamiento por corrosión en un tubo de un intercambiador de calor
2.1. a. Placa a tensión, b. vista a nivel atómico de la placa sometida a tensión
2.2. Esfuerzo versus deformación cuando ocurren grandes deformaciones
2.3. Placa infinita con fisura pasante sometida a tensión
2.4. Variación lineal de la tensión en la formación de fisura en el campo elástico
2.5. Desplazamiento: a. Modo I-abertura, b. Modo II-deslizamiento, c. Modo III-tangencial
2.6. Esfuerzos generados en la punta de la grieta de un sólido sometido a carga
2.7. Técnicas para determinar el factor de intensidad de esfuerzos
2.8. Factor de intensidad de esfuerzos para geometrías simples
2.9. Factor de intensidad de esfuerzos para geometrías simples
2.10. Distribución de la tensión σy y la zona plástica en la punta de la grieta
2.11. Esquema de una probeta indentada utilizada para determinar la tenacidad
2.12. Probetas Barker para la determinar KIC: a. Rectangular, b. Cilíndrica
2.13. Probetas para determinar KIC: a. para tensión (CT), b. para flexión (SENB)
2.14. Procedimiento empleado para determinar el valor condicional de la tenacidad
2.15. Alabe de una turbina, dimensiones en mm
2.16. Gancho de malacate, dimensiones en mm
2.17. Placa fisurada
2.18. Barra rectangular a tensión con una fisura, dimensiones en mm
2.19. Probeta CT, dimensiones en mm
3.1. Curva σ-ε para un material elastoplástico y elástico no-lineal
3.2. Extensión de la grieta da
3.3. Balance de energía alrededor de una grieta
3.4. Curva carga-desplazamiento para un desplazamiento fijo
3.5. Curva carga-desplazamiento para una carga fija
3.6. Condición para obtener J valido y área utilizada para calcularlo
3.7. Cuerpo sometido a una carga P
3.8. Medida de JI utilizando múltiples probetas
3.9. Modelo de bisagra para determinar la abertura de la grieta
3.10. Determinación del CTODC a partir del registro carga desplazamiento
4.1. Crecimiento de grieta versus ΔK
4.2. Diagrama esquemático para: a. alto ciclaje, b. propagación de grieta
4.3. Avión con una fisura en el ala, Ejercicio 1
4.4. Placa de análisis, Ejercicio 2
4.5. Disco rotatorio
5.1. Zonas características de una falla por Fatiga
5.2. Falla por Fatiga de un eje, donde no se observan marcas de playa
5.3. Micrografía de superficie de fractura por Fatiga con estrías características [1]
5.4. Falla por desgaste en el diente de un engrane
5.5. Erosión por picado en tubería de cobre, por flujo turbulento de agua
5.6. Tipos de corrosión
5.7. Corrosión uniforme
5.8. Corrosión gálvanica, tornillo de acero inoxidable y arandela de acero
5.9. Falla por erosión en alabes de bomba por presencia de cloruro [2]
5.10. Corrosión por Agrietamiento o hendidura [3]
5.11. Corrosión por picado producida por CO2 en acoples mecánicos [2]
5.12. Corrosión por exfoliación: a. en una barrera de aluminio, b. en un hidrante [4]
5.13. Ataque selectivo a un tornillo
5.14. Corrosión Intergranular de un acero AISI 1304
5.15. Corrosión bajo tensión
5.16. Tubo del recalentador de una caldera
6.1. Etapas recomendadas para realizar un análisis de falla
6.2. Superficie de fractura recubierta parcialmente con zinc [1]
6.3. Equipo de partículas magnéticas
6.4. Inspección por partículas magnéticas de platinas agrietadas
6.5. Elementos para limpieza de la pieza
6.6. Aplicación del líquido penetrante
6.7. Eliminación del exceso de líquido penetrante
6.8. Aplicación del líquido revelador
6.9. Inspección final de la pieza
6.10. Equipo de ultrasonido
6.11. Presencia de ondas secundarias
6.12. Inspección por corriente inducida
6.13. Ensayo radiográfico [5]
6.14. a. Dureza Vickers, b. microdureza, c. tensión, flexión, d. impacto, e. Fatiga
6.15. Microscópio óptico dotado con un programa de análisis de imágenes
6.16. Microscopio electrónico (SEM)
6.17. Micrografía electrónica de barrido: a. Fractura dúctil, b. Fractura frágil
6.18. Microscopía láser confocal de la fractura de una probeta
6.19. Abertura de grieta medida con Microscopía láser confocal
6.20. Esquema del concepto de la Microscopía de fuerza atómica
6.21. Micrografía de monocapa de TiC crecida sobre acero AISI 4340
6.22. Difractograma para una aleación de Ti obtenida por aleamiento mecánico
6.23. Modelos: a. CAD, b. de elementos finitos, c. Resultados de un análisis
7.1. Modelo discreto de vigas, propuesto por Leonardo da Vinci [6]
7.2. Modelo tridimensional de un soporte
7.3. Modelo discreto
7.4. Proceso a seguir en un análisis por elementos finitos
7.5. Modelo con condiciones de frontera
7.6. Valores de esfuerzos sobre el soporte como resultado del análisis
8.1. Puntos de medición de la dureza Vicker en el eje
8.2. Sitios de medición de la dureza Vicker, diametralmente
8.3. Sitios de toma de metalografías y muestras del recubrimiento del eje
8.4. Posible revestimiento de material en polvo
8.5. Microestructura del anillo que se encuentra alrededor del eje (20X)
8.6. Microestructura del anillo que se encuentra alrededor del eje (20X)
8.7. Microestructura de sitio lejano donde ocurrió la falla (20X)
8.8. Microestructura del sitio donde ocurrió la falla (20X)
8.9. Sección del eje donde se presentó la falla
8.10. Sección maquinada del eje para la aplicación del recubrimiento
8.11. Esquema básico del eje (dimensiones en mm)
8.12. Fotografía del eje fracturado
8.13. Microestructura del eje-piñón (20X)
8.14. Puntos de indentación para determinar la dureza
8.15. Toma de dureza HRC a través del diámetro donde se presentó la falla
8.16. Posibles rellenos de soldadura sobre el apoyo del eje
8.17. Posible punto de soldadura sobre el eje
8.18. Sitio donde presenta una quemadura en el eje
8.19. Sección del eje donde se presentó la falla, cara 1
8.20. Sección del eje donde se presentó la falla, cara 2
8.21. Esquema de cargas sobre el eje
8.22. Diagramas de fuerza cortante, carga axial y, momento flector y torsor
8.23. Esquema y dimensiones del eje (Dimensiones en mm)
8.24. Vista isométrica del sistema de transmisión de potencia
8.25. Dimensiones iniciales del acople flexible (Dimensiones en mm)
8.26. Dimensiones iniciales de la corona dentada (Dimensiones en mm)
8.27. Curva de carga para el torque aplicado
8.28. 2τmáx para la corona en la condición de iniciación de la fluencia
8.29. Esfuerzos máximos principales del acople, fluencia en la corona
8.30. Esfuerzos mínimos principales del acople, ifluencia en la corona
8.31. Medidas finales del acople flexible (Dimensiones en mm)
8.32. Esfuerzos máximos principales para el acople, condición de falla
8.33. Esfuerzos mínimos principales para el acople, condición de falla
8.34. 2τmáx para la corona, condición de falla del acople
8.35. Fotografía de una cureña y el acumulador
8.36. Fotografía de una cureña con los soportes laterales de las mazas
8.37. Cambio de piñones en el reductor por exceso de carga
8.38. Rotura de dientes en piñón cañero del reductor por flotación de la catalina
8.39. Disposición del molino con ángulos de contacto entre las mazas
8.40. Diagrama de los ajustes del virador
8.41. Modelo por elementos finitos del sistema
8.42. Esfuerzos en la cureña a condiciones de diseño
8.43. Desplazamiento para la cureña en el eje x (condiciones iniciales)
8.44. Desplazamiento para la cureña en el eje y (condiciones iniciales)
8.45. Esfuerzos en la cureña con motor hidráulico
8.46. Desplazamiento para la cureña en el eje x (con motor hidráulico)
2.1. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES
2.2. PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ACEROS
4.1. CONSTANTES DE LA ECUACIÓN DE PARIS PARA ALGUNOS MATERIALES [7]
6.1. IDENTIFICACIÓN DEL MODO DE FRACTURA PARA UNA FALLA INSTANTÁNEA
6.2. IDENTIFICACIÓN DEL MODO DE FRACTURA PARA UNA FALLA PROGRESIVA
8.1. RELACIÓN DE LAS DUREZAS ENCONTRADAS EN EL EJE
8.2. RESULTADOS ANÁLISIS QÚIMICO DEL MATERIAL DEL EJE-PIÑÓN
8.3. TABLA DE DATOS
8.4. CONVENCIONES Y ECUACIONES DE CÁLCULO
8.5. CÁLCULOS POR RESISTENCIA A LA FATIGA
8.6. CONDICIONES NORMALES DE TRABAJO DEL SISTEMA
8.7. CONDICIÓN DE FRENADO DEL SISTEMA
8.8. DATOS DE LA CORONA DENTADA
8.9. DATOS DEL ACOPLE FLEXIBLE
8.10. TIPOS DE ELEMENTOS Y MATERIALES USADOS EN EL ANÁLISIS
8.11. DATOS UTILIZADOS EN EL ANÁLISIS
8.12. VALORES CORRESPONDIENTES A LOS AJUSTES DEL VIRADOR
8.13. TIPOS DE ELEMENTOS Y MATERIALES USADOS EN EL ANÁLISIS
8.14. TORQUES POR MOLIENDA Y POR TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO
8.15. REACCIONES EN EJES DE MAZA, CONDICIÓN INICIAL
8.16. REACCIONES EN EJES DE MAZA, CON MOTOR HIDRÁULICO)
8.17. ESFUERZOS Y DEFORMACIONES EN LOS SISTEMAS ANALIZADOS
Este texto surgió como consecuencia de la escasa bibliografía existente sobre el tema en castellano, y por la necesidad de compartir algunas experiencias en trabajos de campo realizados en empresas; asesorás, o, casos de estudio realizados. El contenido del libro pretende recoger lo más actualizado en relación a la Mecánica de la Fractura y Análisis de Falla en materiales metálicos basados en un análisis minucioso de artículos y normas técnicas que rigen la realización de ensayos de laboratorio.
En este orden de ideas, en el Capítulo 1 se definen los conceptos fundamentales de la Mecánica de la Fractura y el Análisis de Falla, con el objeto de introducir al lector en el tema y unificar algunos de los criterios y los conceptos que se tratan en capítulos posteriores. En el Capítulo 2, se trabaja como concepto central la fractura de los materiales, se incluyen el concepto de mecánica de la fractura lineal elástica, el factor de intensidad de esfuerzos, la tenacidad a la fractura y los ensayos normalizados que se utilizan en la determinación de estas propiedades mecánicas.
La mecánica de la fractura elastoplástica, es abordada en el Capítulo 3. Se resalta la importancia de la integral J, como concepto esencial, desde la óptica de su interpretación física y se plantean algunas recomendaciones para su determinación experimental; se define el desplazamiento de la abertura en la punta de la grieta (CTOD) como parámetro de fractura que se basa en la apertura de la punta de la grieta para evaluar la Integridad de una estructura.
El Capítulo 4 aborda el fenómeno de Fatiga, explicando cómo es el comportamiento de la degradación gradual de un componente cuando está sometido a cargas fluctuantes y cómo es el comportamiento del crecimiento de la grieta. Se explica como predecir la vida útil de un componente en el análisis de su Integridad estructural. El Capítulo 5 analiza los diferentes tipos de falla que se presentan en un componente, para que sirva de guía en la caracterización y detección de las posibles causas que ocasionan la falla en un componente mecánico.
El Capítulo 6 resalta la importancia de contar con una metodología apropiada de trabajo aplicada al análisis y evaluación de una falla y, se exponen las diferentes herramientas que existen en la determinación de discontinuidades en un componente estructural: el ultrasonido, rayos X, tintas penetrantes y, otras técnicas de caracterización.
El Capítulo 7, presenta una introducción al método de elementos finitos, como herramienta utilizada en el análisis y evaluación de fallas,. Este método permite una evaluación de diferentes escenarios de diseño o posibles situaciones de trabajo de un componente mecánico. Finalmente, el Capítulo 8 presenta cuatro ejemplos de casos de falla ocurridas en la industria, en los cuales se aplicaron varios de los conceptos tratados en el desarrollo del libro. Algunos de estos ejemplos analizaron las posible causas que ocasionaron la falla en un componente mecánico, desde el análisis de su estructura metalográfica hasta la caracterización de la forma de la falla, pasando por un análisis o chequeo teórico de sus condiciones de carga en trabajo.
σ |
Esfuerzo normal |
σadm |
Esfuerzo normal admisible |
E |
Módulo de elasticidad |
W |
Trabajo total por unidad de área o densidad de energía de deformación |
σt |
Resistencia teórica del material |
E |
Módulo de elasticidad |
K |
Factor de intensidad de esfuerzos |
KIC |
Tenacidad a la fractura |
J |
Integral J |
σ1 |
Máximo esfuerzo principal |
σ2 |
Mínimo esfuerzo principal |
σy |
Esfuerzo de fluencia |
r |
Extensión de la zona plástica |
CV N |
Energía absorbida por una probeta en el ensayo Charpy |
CT |
Denominación para la probeta de un ensayo de fractura a tensión |
SBEND |
Denominación para la probeta de un ensayo de fractura a flexión en tres puntos |
CTOD |
Desplazamiento de abertura en la punta de la grieta |
CTODC |
Desplazamiento de abertura en la punta de la grieta crítico |
a |
Tamaño de grieta |
ac |
Tamaño de grieta crítico |
ΔK |
Variación del factor de intensidad de esfuerzo |
N |
Número de ciclos |
J |
Integral J |
La fractura es un fenómeno que actualmente recibe gran atención por parte de los académicos, ingenieros e investigadores, debido a que los materiales utilizados en los componentes o estructuras presentan defectos o imperfecciones, que con el paso de los ciclos de cargas se convierten en grietas; estas grietas hacen que las estructuras no resistan los esfuerzos a que están sometidos y la vida útil esté por debajo de lo calculado o programado.
La Mecánica de Fractura es la disciplina que se encarga del estudio y la evaluación de los componentes agrietados con la finalidad de determinar si los componentes pueden seguir operando satisfactoriamente, además de prevenir fallas catastróficas en componentes mecánicos donde se ven involucradas vidas humanas.
Esta disciplina se está aplicando en la actualidad en la industria naval, aeronáutica, aeroespacial y nuclear, como también se usa con mayor frecuencia en el diseño automotriz, diseño mecánico y mantenimiento de plantas de generación de potencia y en las industrias químicas y petroleras.
La Mecánica de Fractura como herramienta de diseño, brinda parámetros que son de gran utilidad cuando se lleva a cabo el análisis de Integridad de una estructura o un componente mecánico. Los parámetros de fractura son: el factor de intensidad de esfuerzo (K), que define la magnitud de los esfuerzos en punta de grieta; la integral J, parámetro que caracteriza la resistencia a la fractura cuando ocurre una propagación estable de la grieta antes de que se produzca la fractura final y, por último, el CTOD, que se basa en la medida de la abertura de la punta de grieta. Estos parámetros son los encargados de dar una base teórica para realizar el análisis de la Integridad de una estructura, además brindan las herramientas para la selección del material adecuado que soporte las cargas que se generan en servicio.
La Mecánica de Fractura es una disciplina que actualmente recibe gran atención, como una herramienta para el análisis, diseño y evaluación de componentes mecánicos y estructurales con el fin de desarrollar estructuras más resistentes a los defectos. Las aplicaciones prácticas de la mecánica de la fractura se enfocan finalmente en obtener una mayor seguridad y economía en la operación, inspección y mantenimiento de estructuras y componentes en servicio, al reducir el problema de las fallas inesperadas y catastróficas.
La fractura es la separación o fragmentación de un sólido bajo la acción de una carga externa. Usualmente, para fracturar un material se requiere incrementar la carga progresivamente hasta cuando ocurre un proceso de nucleación (formación de una pequeña fisura de tamaño inferior a la micra) y propagación de grietas.
La grieta es una fisura o discontinuidad en la superficie externa o en la parte interna de una pieza mecánica que produce:
■ Reducción de la capacidad para soportar cargas.
■ Mayores desplazamientos y distorsiones.
■ Desempeño inadecuado y riesgo de falla.
■ Reducción de la vida útil del componente.
Hay casos donde la fractura inicia desde una grieta preexistente o defectos en el material. Es importante tener en cuenta que para que una fractura ocurra no necesariamente la grieta tiene que existir por todo el volumen del cuerpo, sino que con una pequeña zona que esté agrietada puede llevar a la fractura.
Entre las causas que pueden producir una falla se encuentran: un procesamiento defectuoso, un diseño defectuoso o el deterioro de la pieza (Fig.1.1).
Fig. 1.1 Causas que producen fallas en piezas mecánicas
■ Fallas debidas a procesamiento defectuoso:
• Imperfecciones debido a composición defectuosa (inclusiones, impurezas e inadecuada selección del material).
• Defectos que se originan durante la manufactura de lingotes y piezas de fundición, como segregación interior, porosidad, cavidades e inclusiones no metálicas.
• Irregularidades y errores debido al maquinado, esmerilado y estampado (ranuras, quemaduras, rasgaduras, escamas, fisuras y fragilidad).
• Defectos debido al trabajo (dobleces, costuras, fisuras y exceso de formación local).
• Defectos por la soldadura (porosidad, acanaladuras, fisuras, tensión residual, falta de penetración, presencia de fisuras debajo de los puntos de soldadura y zonas afectadas térmicamente).
•