AFA Mod. 05 Fracturas - Fundamentos

 

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Fracturas aplicadas al analisis de fallas.

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mÓdulo 05 fracturas

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modulos 05 fracturas principios bÁsicos 1 ¡bienvenidos nuevamente al seminario sobre análisis de fallas en esta sección estudiaremos las características de las fracturas y las condiciones que las producen los productos de caterpillar han sido diseñados para no romperse durante su vida útil siempre y cuando las cargas sean normales las roturas se deben por lo general a condiciones de uso anormales más que a fallas de diseño materiales o procesos por las características de las fracturas se puede determinar si las causas están en los materiales o en las condiciones de uso esto nos llevará directamente a las áreas especificas donde encontraremos la información necesaria para el análisis 2 para facilitar el análisis de fracturas es conveniente seguir un procedimiento similar al denominado ocho pasos aplicables al análisis de fallas este método nos ayuda a encontrar una perspectiva adecuada a buscar datos con cierta lógica a determinar con mayor rapidez las causas principales y a establecer mejores relaciones con los clientes 3 en esta sección estudiaremos las condiciones que influyen en el desarrollo de fracturas analizaremos además las características físicas de los productos por ejemplo la dureza y la resistencia y los diversos factores que pueden iniciar una fractura por ejemplo las cargas los concentradores de esfuerzos y la temperatura asimismo hablaremos de la rapidez con que se desarrollan las fracturas en el metal y de las características que nos ayudan a clasificarlas -1afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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4 ­ para entender mejor como se producen las fracturas es necesario tener algún conocimiento de la resistencia de los matales y de las cargas que se les aplican las piezas están diseñadas para tolerara sin romperse las cargas especificadas las fallas pueden producirse al aumentar esas cargas o al dañarse las piezas por ejemplo por escopladuras picaduras o ranuras creadas por desgaste sobrecalentamiento se dice que la cadena se rompe por el eslabón más débil 5 al observar la relación entre la temperatura y la resistencia del acero y del aluminio comprobamos que a medida que la temperatura sube la resistencia baja este proceso que al comienzo es lento se desarrolla luego más rápidamente aunque otros metales pueden tener características diferentes lo cierto es que todos pierden su resistencia con el aumento de temperatura un sobrecalentamiento puede producir este tipo de perdida y ocasionar la falla de las piezas aun si las cargas responden a las especificaciones 6 la rotura de este cojinete produjo temperaturas superiores a 817 °c 1.600 °f en consecuencia la biela perdió tenacidad y se despedazó el vástago de la biela se oxidó durante el sobrecalentamiento y cuando se enfrió los óxidos produjeron varios colores el azul amarillo y gris pálidos y el azul oscuro nos indican que las temperaturas fueron de 260 °c a 650 °c 500 °f a 1.200 °f si se hubieran pasado los 650 °c se habría producido un óxido color negro en las piezas de acero o fundición la presencia de óxidos color azul oscuro o negro indica que las temperaturas fueron extremadamente elevadas -2afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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7 los diseños de caterpillar siempre se conciben para tolerar cargas más grandes que las especificadas de este modo los productos se gastan pero no se rompen esta gráfica muestra la carga especificada para un material y el número de ciclos de carga que se le aplicó noten que si la carga aplicada es inferior al limite de aguante es decir la carga máxima que nunca producirá fracturas por fatiga la pieza no se romperá pero si la carga es superior a ese límite la fractura será inevitable si la carga es sólo de la mitad del limite de aguante el factor de seguridad del material es dos ese factor se reduce sin embargo con todo aumento de una carga o daño del material los productos de caterpillar tienen factores de seguridad muy amplios para compensar los defectos normales de los materiales los problemas de fabricación y los de uso 8 cuando se rompen las piezas la superficie de ruptura tiene características determinadas a veces esas características son más visibles en una cara antes de estudiarlas veamos cinco términos básicos relacionados con las fracturas 1 concentradores de esfuerzos son irregularidades físicas por ejemplo grietas ranuras picaduras defectos que se presentan en la superficie o el interior de una pieza y que incrementan los esfuerzos ya existentes 2 puntos de iniciación son los lugares donde empiezan las grietas o donde comienza a romperse el material con frecuencia los puntos de iniciación y los concentradores de esfuerzos coinciden 3 fractura final es el lugar donde termina la grieta o la última parte donde se rompe el material 4 las cargas por impacto o sobrecargas producen fracturas rápidas por lo general ásperas al tacto y que son el resultado de otro factor 5 las cargas cíclicas excesivas o la reducción de resistencia de la pieza producen fracturas lentas por lo general suaves al tacto y que se asocian con la causa principal -3afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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9 esta fractura empezó lentamente y fue creciendo desde abajo hacia arriba donde está el agujero eso redujo la resistencia de la pieza y con cada nuevo ciclo se sobrecargó el metal incrementando la velocidad de la rotura noten la textura áspera que tiene la parte de la fractura rápida 10 los concentradores de esfuerzos reducen la resistencia de una pieza porque reúnen todos los esfuerzos en esa área y crean de este modo una sobrecarga localizada ese aumento varia de un 1,5 en las ranuras redondas a un 3,0 en las que tienen forma de v y pueden sobrepasar un 8,0 en las grietas superficiales en términos generales cuanto mayor sea el ángulo más grande será la concentración 11 a continuación tenemos algunos ejemplos de concentradores de esfuerzos producidos por 1 filetes agujeros o ranuras que son demasiado angulares 2 defectos importantes en los materiales como inclusiones grandes oquedades y grietas 3 fallas de manufactura como pliegues de forja grietas producidas durante el enfriamiento o por la muela 4 abusos por ejemplo rayaduras muescas escopladuras y 5 cualquier otro desgaste que cree un concentrador de esfuerzos -4afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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el eslabón más débil de la cadena son los concentradores de esfuerzos ya que por lo general indican el punto de iniciación de la falla 12 las cargas son de tres tipos 1 las carga por impacto 2 sobrecarga 3 carga cíclica las fracturas también pueden clasificarse en 1 frágiles 2 dúctiles 3 por fatiga las cargas por impacto y las sobrecargas producen fracturas rápidas frágiles o dúctiles con una superficie de ruptura áspera que por lo general es resultante y no causante de la falla las cargas cíclicas producen fisuras lentas por fatiga con superficie de ruptura lisa que se inician en los concentradores de esfuerzos y se asocian generalmente con las causas de la falla cuando decimos que las fracturas son frágiles o dúctiles no nos estamos refiriendo a las propiedades de los materiales son términos establecidos por el uso pero que no tienen nada que ver con el tipo de material 13 las cargas por impacto se deben al uso inadecuado de los equipos o a la falla de un componente que choca súbitamente con la pieza eso produce cargas extremadamente altas que se aplican casi en forma instantánea en lugares no diseñados originariamente para recibirlas la fractura puede ser frágil o dúctil dependiendo de la dureza de la pieza la temperatura el índice de carga etc volveremos sobre esto dentro de unos minutos por ejemplo la carga por impacto se produce cuando un pistón se atasca y se rompe la biela golpea la camisa y el bloque y crea cargas por impacto muy grandes que la pieza no puede tolerar por lo general las sobrecargas son cargas adicionales que se deben al uso inadecuado de los equipos a un mal funcionamiento del sistema o a una falla en alguno de los componentes por ejemplo si un perno de biela se rompe el otro tiene que sustentar toda la carga sobrecargándose y produciendo un estiramiento con rotura final aquí también la fractura puede ser frágil o dúctil las fisuras por sobrecarga tardan más tiempo en producirse que las provenientes de los impactos -5afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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por lo general las cargas cíclicas no producen ninguna fractura si se mantienen dentro del límite establecido o si no hay concentradores anormales de esfuerzos como radios de rosca muy pequeños fallas serias de los materiales o grietas creadas por los procesos en esas condiciones las cargas cíclicas pueden iniciar grietas por fatiga después de muchos ciclos con frecuencia se requieren cientos de miles o millones de cargas cíclicas para producir fracturas por fatiga por eso se las denomina grietas lentas 14 tal como se mencionó las cargas por impacto y las sobrecargas pueden causar fracturas frágiles o dúctiles este cuadro muestra que las frágiles ocurren por lo general en los materiales duros y las dúctiles en los blandos las frágiles se producen con mas frecuencia cuando baja la temperatura si la concentración de esfuerzos es mínima o inexistente es más probable que se produzca una fractura dúctil con cargas excesivas típicas de los impactos o choques por lo general se dan fracturas frágiles hay otros factores que influyen en el tipo de roturas pero estos son los más comunes y lo que se afirma sobre ellos son generalizaciones recordemos sin embargo que siempre existen excepciones 15 la superficie de ruptura debe limpiarse bien antes del análisis para poder determinar claramente las características de la fractura tendríamos que evitar métodos abrasivos o corrosivos de limpieza porque pueden eliminar las claves que buscamos los solventes como el stanisol y el freón sacaran el aceite y los deshechos sin dañar la superficie de ruptura después de secar la fractura con aire se la debe estudiar utilizando una lupa y buena iluminación para ver mejor la superficie tridimensional conviene hacer rotar la fractura a la luz y cambiar de posición las sombras después de terminado el análisis debemos proteger las superficies de ruptura con aceite grasa o cualquier anticorrosivo similar para que no se deterioren si la pieza rota necesita enviarse a otro lugar hay que empaquetarla bien para que no se rompa durante el transporte -6afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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16 las fracturas frágiles se consideran resultados no causas y se desarrollan muy rápidamente se quiebran en una fracción de segundo son cristalinas se quiebran a lo largo de los contornos o a través del grano sin cambiarle la forma son ásperas al tacto y tienen escasas deformaciones plásticas si juntamos las dos partes la pieza tendrá el aspecto original si una fractura frágil se produce en materiales labrados al hacerla rotar a la luz la superficie brillará y centelleará como los diamantes los metales más blandos tienden a formar chevrones cuyos vértices indican el punto de iniciación los materiales más duros rara vez forman chevrones si una fractura frágil se produce en materiales fundidos la superficie es opaca y oscura casi nunca tienen chevrones y por eso es extremadamente difícil determinar el punto de iniciación 17 esta pieza de fundición recibió un golpe y se rompió carga por impacto y fractura frágil la superficie de ruptura es áspera cristalina y no tiene chevrons que indiquen donde empezó la grieta -7afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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18 esta pieza de acero labrado también recibió un golpe y se rompió carga por impacto y fractura frágil noten que los chevrones son visibles e indican el punto de iniciación la superficie de ruptura es áspera brillante y centelleante 19 las fracturas frágiles crecen entre las caras de las células produciendo una hendidura dentro de los granos o a lo largo de sus contornos cuando la grieta ha recorrido un grano atraviesa el contorno y comienza a hundirse en el grano siguiente esto se realiza muy rápidamente hasta que el metal se rompe dado que las caras de las células se distinguen muy bien no se produce una deformación plástica las dos partes de la pieza rota encajarán y la pieza tendrá la apariencia original excepto que está agrietada y la superficie de ruptura tiene granos paralelos a la cara cristales que reflejan la luz produciendo el centelleo mencionado 20 usemos una baraja para ilustrar este tipo de fractura sabemos por experiencia que las barajas tienen muchos naipes o cartas los metales se asemejan a las barajas porque están compuestos de granos o cristales y cada uno de ellos como las cartas de una baraja contiene miles de capas de células bien organizadas -8afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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21 cuando cortamos los naipes tal como se ve en esta figura tenemos una separación entre las caras de las cartas cuando golpeamos una pieza de metal violentamente es posible que las capas de células dentro del grano se separen de la misma manera si juntamos las dos partes de una fractura frágil la pieza tendrá el aspecto original excepto donde se ha roto 22 aquí tenemos una vista aumentada de una fractura de pistón rara vez se encuentran chevrons en las fracturas frágiles de metales fundidos pero en este caso sí las hay y se extienden hacia arriba partiendo del agujero para el pasador esas chevrons nos indican que el pistón se rompió con una carga por impacto y que la grieta empezó en la cara del agujero 23 este es un diente de engranaje de mando final de un da el tractor se transportaba en un remolque de plataforma baja cuando ocurrió un accidente y el tractor cayó al fondo de una barranca rocosa la carga por impacto produjo una fractura frágil en la raíz del fondo del diente con chevrones hacia la raíz del diente opuesto la sección cementada no formó chevrones en el punto de iniciación de la grieta 24 este engranaje de motor se rompió a los seis meses de haberse entregado el representante pensó que el perno central de retención había sido sobreapretado en la fábrica y que a eso se debía la grieta o que el engranaje no era lo suficientemente resistente para tolerar las cargas normales -9afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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25 al agrandarlos e iluminarlos mejor los detalles se hacen más visibles ¿qué tipo de fractura se produjo ¿dónde comenzó la fractura ¿cómo es posible saber que empezó allí 26 las fracturas dúctiles son por lo general resultantes y no causantes y se deben a sobrecargas son fracturas rápidas pero se producen más lentamente que las frágiles la superficie de ruptura es áspera y leñosa como una rama de árbol cuando se rompe con deformación plástica la forma y el tamaño de la pieza ha cambiado y con labios cortantes las aristas exteriores de la fractura sobresalen dado que la superficie es muy irregular y áspera la luz que refleja es difusa dispersa y por lo tanto la fractura parece oscura 27 esta sección de biela se rompió por estar sobrecargada al examinar la fractura vemos la superficie áspera y oscura de una fractura dúctil en el centro y con labios cortantes alrededor de los bordes vemos también algunas áreas donde el daño por impacto fue menos importante pero destruyó en diferentes lugares la superficie original de la rotura este corte que se produce después de la fractura deja una superficie sedosa y sin características visibles que no debe confundirse con una superficie de rotura 10 afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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28 las grietas dúctiles producen una fuerza cortante dentro de los granos las capas de células se deslizan alargando y deformando los granos a causa de esto se modifica la forma y se habla de deformación plástica cambio permanente de tamaño y forma 29 podemos volver a usar la baraja para ilustrar la fuerza cortante que ocurre en las fracturas dúctiles las capas de células que existen dentro de los metales pueden como los naipes deslizarse en distintas direcciones modificando el tamaño y la forma del metal 30 en los casos de sobrecarga la fuerza cortante de los granos continúa hasta formar grietas pequeñas en el centro de la pieza estas grietas se agrandan y llegan a unirse de allí surge la apariencia áspera y leñosa el metal de los bordes todavía sin fallas termina por romperse a unos 45 y crea un gran labio cortante 31 este perno se rompió en una máquina de pruebas de tensión al ponerle una cuña debajo de la cabeza noten que el eslabón más débil de la cadena se halla en el fondo de rosca del perno donde se produce la concentración de esfuerzos el labio cortante es grande y esta descentrado por la carga descentrada debida a la cuña 11 afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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32 una inspección más minuciosa con una lupa revela que la textura de la superficie es áspera y leñosa y que el labio se extiende por detrás de la fractura en esta diapositiva la superficie no es oscura porque para la fotografía fue necesario usar luz extremadamente brillante 33 este perno de biela se rompió en el vástago y tiene un color muy oscuro la fractura indica gran deformación plástica el área de la sección transversal está reducida o rebajada y la superficie de la ruptura es áspera leñosa y contiene además un labio cortante grande la apariencia oscura áspera y leñosa de la fractura además de la deformación plástica y del labio cortante indican que 1 la grieta es dúctil y rápida 2 resulta de una sobrecarga por eso es necesario determinar la causa de esa sobrecarga 12 afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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34 las fracturas por fatiga se producen cuando las cargas cíclicas afectan a los concentradores de esfuerzos el metal no es capaz de tolerar las fuerzas localizadas en los granos de dicho concentrador y forma una grieta esta crece lentamente de j ando marcas semicirculares como las de unas marcas de playa por lo general la superficie de la ruptura es plana lisa y de color claro las líneas de interrupción muy similares a este marcas de playa se dan a veces en fracturas dúctiles cuando éstas se producen con muy pocas aplicaciones de carga sin embargo en estos casos la superficie no es plana y lisa sino áspera y leñosa es muy importante aprender a determinar las fracturas por fatiga ya que como mencionamos éstas son causantes mientras que las frágiles y dúctiles son por lo general resultantes 35 el punto de iniciación de la grieta puede estar dentado lo cual indica que las cargas son muy elevadas o que el concentrador de esfuerzos es muy grande este tipo de indicios sugiere varios puntos de iniciación y el desarrollo hacia adentro de las grietas hasta formar una fisura de un solo frente la grieta aumenta con cada carga cíclica hasta que se produce un cambio de carga y de este modo forma marcas de playas o líneas de interrupción visibles si no hay una modificación de la carga esas olas no se forman dicho marcas de playa nos lleva al punto de iniciación como cuando tiramos una piedra en el agua y se van formando círculos alrededor del lugar donde cayó la piedra eventualmente la pieza se debilita demasiado para sustentar la carga y se produce la fractura final que puede ser frágil o dúctil noten que es posible que se forme un labio cortante pequeño si la fractura final es dúctil 36 esta fractura por fatiga contiene unas marcas de playa visible que se aparta del punto de iniciación y una rotura final frágil indicada por los chevrones que salen a partir de la última ola 13 afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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37 mirando detenidamente el origen comprobamos que hay marcas dentadas en el punto de iniciación indicando la presencia de un gran esfuerzo o de severas concentraciones de esfuerzos 38 mayor amplificación del sitio de iniciación nos ayuda a buscar pregrietas u otros concentradores de esfuerzos que pueden haber sido la causa principal de la fractura aquí no hay concentradores de esfuerzos visibles pero vemos unas marcas de playa típica en diferentes planos separados por marcas dentadas esto confirma la presencia de grietas internas múltiples 14 afa mod 05 fracturas fundamentos e soto ­ 6 sigma ­ desarrollo tÉcnico

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