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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD CUAUHTÉMOC

Modos de Falla

Ing. Mecatrónica Sexto Semestre

Diseño de Elementos Mecánicos Docente: M. C. Jonathan Ávalos Hernández Nombre

Marco Antonio Montoya González

No. Control

17610234

Una falla es cualquier circunstancia que impida que el componente estructural continúe cumpliendo su función en las condiciones previstas por el diseño o que conduzca a una reducción de su vida útil prevista en ese diseño Llamamos modo de falla al fenómeno o mecanismo responsable del evento o condición de falla. En este sentido, los modos de falla que en general pueden afectar a un componente estructural, son: •

Inestabilidad elástica (pandeo local o generalizado)

• •

Excesiva deformación elástica Excesiva deformación plástica (fluencia generalizada)

• • •

Inestabilidad plástica (estricción, pandeo plástico) Fatiga de alto ciclo y bajo ciclo Corrosión, erosión, corrosión-fatiga, corrosión bajo tensiones, etc.

• •

Creep y creep-fatiga Fractura rápida (frágil, dúctil, mixta)

Los cuatro primeros modos de falla pueden ser atribuidos fundamentalmente a falencias en el diseño del elemento estructural (excepto en el caso en que la falla se produzca como consecuencia de una carga superior a las máximas previstas en el diseño). Los cuatro modos mencionados en último término, si bien pueden ser causados por un diseño incorrecto, obedecen muchas veces a factores introducidos durante las etapas de fabricación del elemento. En particular los problemas de fatiga, corrosión y fractura rápida suelen estar estrechamente relacionados con las operaciones de soldadura que se hayan utilizado. Debe tenerse en cuenta que: • Los componentes estructurales en general y los fabricados por soldadura en particular pueden experimentar fallas en servicio de distintos tipos. • A veces estas fallas en servicio adquieren características catastróficas. • La presencia de defectos en las uniones soldadas son muchas veces la razón de que se produzca una falla en servicio. • La naturaleza de la discontinuidad que corresponde al defecto, determina en general para condiciones de servicio dadas, el tipo de falla que puede favorecer.

• A veces las fallas en servicio no obedecen a falencias de diseño sino a factores extrínsecos introducidos durante la fabricación del componente, particularmente a través de las operaciones de soldadura.

Inestabilidad elástica (pandeo local o generalizado) La inestabilidad elástica se refiere a un conjunto de fenómenos de no linealidad geométrica que se manifiesta en que los desplazamientos en un elemento estructural no son proporcionales a las fuerzas aplicadas. Esto se pone de manifiesto al comprobar que dentro de ciertos rangos de desplazamientos y fuerzas las ecuaciones que modelan al elemento estructural presentan no linealidad. Este comportamiento es también verificado con modelos físicos escalados o incluso en piezas reales de tamaño natural. La inestabilidad elástica también puede ocurrir en elementos estructurales diferentes a las columnas. Las cargas y los esfuerzos compresivos dentro de cualquier estructura larga y delgada pueden provocar inestabilidades estructurales (pandeo). El esfuerzo compresivo puede ser elástico o inelástico y la inestabilidad puede ser global o local. Las inestabilidades globales pueden provocar fallas catastróficas, mientras que las inestabilidades locales pueden causar deformación permanente y falla de funcionamiento, pero no una falla catastrófica. Considere una viga de patín ancho. Un patín puede estar en compresión, y si es lo suficientemente delgado, puede desarrollar pandeo localizado en una región donde el momento flexionante sea máximo. El pandeo localizado también puede ocurrir en el alma de la viga, donde existen esfuerzos cortantes transversales presentes en el centroide de la viga. En el caso del esfuerzo cortante puro τ, una transformación de esfuerzo mostrara que, a 45°, existe un esfuerzo compresivo de σ = −τ. Si el alma es lo suficientemente delgada donde la fuerza cortante V es máxima, puede sufrir un pandeo localizado. Por esta razón, es usual que se aplique soporte adicional en forma de apuntalamiento en ubicaciones de altas fuerzas cortantes. Las vigas de paredes delgadas sometidas a flexión pueden pandearse en forma torsional. Aquí, se carga una viga en voladizo con una fuerza lateral F. A medida que F aumenta desde cero, el extremo de la viga se flexionara en la dirección negativa y normalmente de acuerdo con la ecuación de flexión, y = −FL3/(3EI).

Sin embargo, si la viga es lo suficientemente larga y la relación b/h es suficientemente pequeña, existe un valor critico de F para el cual la viga colapsara en un modo de giro. Esto se debe a la compresión en las fibras inferiores de la viga que ocasiona que estas se pandeen hacia los lados (dirección z). Existe una gran cantidad de ejemplos diferentes de comportamiento estructural inestable, como los recipientes presurizados exterior o interiormente o al vacío con pared delgada sometidos a compresión, miembros abiertos o cerrados en torsión, arcos delgados en compresión, marcos en compresión y paneles en cortante.

El mismo fenómeno se presenta en numerosas otras situaciones en que existen esfuerzos de compresión. Placas delgadas completamente capaces de resistir cargas en tracción, resultan muy ineficaces para transmitir compresión. Tanques de almacenamiento, así como silos metálicos, a menos que estén apropiadamente diseñados, pueden deformarse gravemente por la presión externa (viento) o interna (líquidos o granos) y asumir formas que difieren en forma notable de su configuración geométrica original. Un tubo de pared delgada puede arrugarse o plegarse como un papel de seda cuando se somete a una torsión. Además, por lo general los fenómenos de pandeo o arrugamiento que se observan en miembros cargados ocurren más bien repentinamente. Por esta razón muchas de las fallas estructurales por pandeo son espectaculares y muy peligrosas.

Excesiva deformación elástica Se denomina deformación elástica aquella que desaparece al retirar la fuerza que la provoca. Comúnmente se entiende por materiales elásticos, aquellos que sufren grandes elongaciones cuando se les aplica una fuerza, es el caso por ejemplo de la goma elástica que puede estirarse sin dificultad recuperando su longitud original una vez que desaparece la carga. Este comportamiento, sin embargo, no es exclusivo de estos materiales, de modo que los metales y aleaciones de aplicación técnica, piedras, hormigones y maderas empleados en construcción y en general cualquier material presenta este comportamiento hasta cierto valor de la fuerza aplicada; si bien en los casos apuntados las deformaciones son pequeñas, al retirar la carga desaparecen. Al valor máximo de la fuerza aplicada para el que la deformación es elástica se le denomina límite elástico y es de gran importancia en el diseño mecánico, ya que en la mayoría de aplicaciones es éste y no el de la rotura, el que se adopta como límite de servicio, pues una vez superado aparecen deformaciones plásticas (remanentes tras retirar la carga) de mayor magnitud que las elásticas comprometiendo la funcionalidad de los elementos mecánicos. El modo de falla por excesiva deformación elástica se produce por ejemplo cada vez que una pieza que debe mantener sus dimensiones dentro de ciertos límites, sufre una deformación elástica que hace que aquellas excedan el valor admisible, conduciendo a problemas de interferencia tales como atascamiento o a deflexiones excesivas. En el caso de uniones soldadas, la recuperación elástica que sigue a la liberación de una pieza inmovilizada durante la soldadura, puede conducir a cambios dimensionales o distorsiones inadmisibles. Estos problemas de distorsión en soldadura son muchas veces difíciles de resolver.

La forma más común del modo de falla por inestabilidad elástica es la constituida por el fenómeno de pandeo que se ilustra en la siguiente figura:

Este se produce cuando un elemento estructural esbelto tal como una columna es sometido a una carga de compresión suficientemente alta según su eje longitudinal. Puede demostrarse que existe una carga que depende del momento de inercia de la sección resistente, del módulo elástico del material, y de la forma de sujeción del elemento, por encima de la cual las deflexiones laterales crecen sin límite conduciendo a la destrucción del componente.

Excesiva deformación plástica La excesiva deformación plástica constituye sin duda el modo de falla mejor comprendido en un componente estructural, y es la base del diseño clásico de componentes estructurales. En efecto, dicho diseño tiene como objetivo fundamental establecer las dimensiones de las secciones resistentes necesarias para asegurar un comportamiento elástico de las mismas. Esto significa en teoría que en ningún punto de una sección resistente se alcance una condición de fluencia, es decir de deformación plástica. Sin embargo, en las estructuras reales, y muy particularmente en las estructuras soldadas, la presencia de concentradores de tensión más o menos severos es inevitable y por lo tanto también lo es la existencia de zonas plastificadas en el vértice de tales concentradores. De todos modos, en la medida que el tamaño de tales zonas plásticas sea pequeño en relación con las dimensiones características de la sección resistente, puede considerarse que la sección se comportará, al menos desde un punto de vista ingenieril, de manera elástica. En cambio, si por un incremento en las cargas las zonas plásticas se propagan hasta alcanzar una fracción significativa de la sección, nos encontramos ante una falla por excesiva deformación plástica. En el caso extremo, la sección completa puede llegar a plastificarse y en tal caso hablamos de una condición de fluencia generalizada.

Inestabilidad plástica Bajo ciertas condiciones, un material que ha alcanzado la condición plástica puede inestabilizarse y conducir rápidamente a un colapso plástico. Un ejemplo conocido de este fenómeno es la estricción que precede a la rotura en el ensayo de tracción de un material dúctil que se ilustra en la siguiente figura.

La inestabilidad plástica puede ser responsable en otros casos de la propagación rápida de una fisura, dando así origen a un fenómeno de fractura dúctil rápida. Hoy se sabe que muchas fallas catastróficas que en el pasado fueron atribuidas a fracturas frágiles, tuvieron su origen como inestabilidades dúctiles. El incremento logrado en las últimas décadas en la resistencia y tenacidad de los materiales, hace que el fenómeno de falla por inestabilidad dúctil sea objeto de especial atención por parte de ingenieros e investigadores.

Fatiga El fenómeno de fatiga es considerado responsable aproximadamente de más del 90% de las fallas por rotura de uniones soldadas y precede muchas veces a la fractura rápida. Una discontinuidad que actúa como concentrador de tensiones puede iniciar bajo cargas cíclicas una fisura por fatiga que puede propagarse lentamente hasta alcanzar un tamaño crítico a partir del cual crece de manera rápida pudiendo conducir al colapso casi instantáneo de la estructura afectada. En presencia de cargas fluctuantes, en el vértice de discontinuidades geométricas más o menos agudas se produce un fenómeno de deformación elasto-plástica cíclica a partir del cual se produce la iniciación de la fisura por fatiga. La condición superficial y la naturaleza del medio cumplen un rol importante sobre la resistencia a la fatiga, esto es sobre el número de ciclos necesarios para que aparezca la fisura. Desde un punto de vista ingenieril, cuando la fisura adquiere una longitud de aproximadamente 0.25 mm se acepta habitualmente que se ha completado la etapa de iniciación. A partir de ahí se considera que se está en la etapa de extensión o de crecimiento estable que eventualmente culmina en la rotura repentina de la sección remanente. La influencia que las discontinuidades geométricas tienen sobre la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas bajo régimen de cargas variables es un hecho ampliamente reconocido la figura de abajo muestra la superficie de fractura de un eje en el que se inició una fisura por fatiga a partir del concentrador de tensiones representado por el alojamiento de la chaveta.

Una vez iniciada la fisura, la misma continuó creciendo progresivamente por fatiga bajo los sucesivos ciclos de carga hasta que la sección resultó incapaz de soportar la carga lo que condujo a la rotura final del eje. Las sucesivas posiciones de la fisura durante su crecimiento lento pueden observarse en las marcas denominadas “líneas de playa” que son una característica macroscópica frecuente de las superficies de fractura por fatiga. El talón de una soldadura, sea ésta a tope o a filete, es el asiento de las discontinuidades que en general son los factores limitantes de la vida a la fatiga de uniones soldadas solicitadas transversalmente al cordón de soldadura. En general, cualquier discontinuidad geométrica que actúe como concentrador de tensiones más o menos severo, puede reducir notablemente la resistencia a la fatiga de una unión soldada.

Corrosión por fatiga Es una falla por fractura del metal, que ocurre por la interacción combinada de reacciones electroquímicas y daños mecánicos. La corrosión-fatiga puede identificarse por la presencia de varias grietas que emanan de las pitting de corrosión.

Las grietas no visibles a simple vista o con pocos aumentos pueden ser visibles mediante ataque químico, por deformación plástica, o mediante inspección por corrientes parásitas. Las grietas por corrosión-fatiga a menudo son transgranulares, pero hay evidencia que ciertos ambientes inducen agrietamiento intergranular.

La corrosión por fatiga está causada por los efectos combinados de esfuerzos cíclicos y corrosión. La aplicación de cargas repetitivas o cíclicas a un metal en ambiente corrosivo produce una disminución en su resistencia, de mayor magnitud que la suma de los daños resultantes separadamente por los esfuerzos cíclicos y la corrosión. Este tipo de corrosión es muy peligroso, pues afecta a piezas de responsabilidad que son las que normalmente están sometidas a esfuerzos de fatiga.

Los daños por corrosión por fatiga se producen en dos fases: 1. La acción combinada de corrosión

y

esfuerzos cíclicos originan picaduras y pequeñas grietas sobre la superficie del metal. 2. Una vez producido un foco de corrosión, la picadura continúa profundizando hasta que la pieza está tan debilitada por la grieta originada por la picadura, que da lugar a su rotura.

Esta segunda fase de propagación de la grieta es un proceso esencialmente de fatiga controlado por efectos de concentración de esfuerzos y propiedades físicas del metal. Los esfuerzos que originan la fatiga se concentran en los defectos que puedan tener las piezas, dales como entallas, arañazos, marcas de troquel, etc., originando en el fondo de estos defectos zonas con gran contenido en energía, que actúan como ánodos y los bordes como cátodos, de forma que se produce una pila galvánica de gran potencial al existir una gran superficie catódica.

Creep y creep-fatiga. Las deformaciones elásticas y plásticas que sufre un material se suelen idealizar asumiendo que las mismas se producen de manera instantánea al aplicarse la fuerza que las origina. La deformación que puede desarrollarse posteriormente en algunas situaciones y que progresa en general con el tiempo, se conoce con el nombre de creep. Para los materiales metálicos y los cerámicos, la deformación por creep se torna significativa por encima del rango de temperaturas 0.3/0.6 Tf, donde Tf es la temperatura absoluta de fusión del material. Por el contrario, para los vidrios y polímeros la temperatura a la cual los fenómenos de creep se tornan importantes se encuentra alrededor de la temperatura Tg de transición vítrea del material. De manera que mientras los metales en general no sufrirán efectos de creep a temperatura ambiente, muchos vidrios y polímeros lo harán. La adecuada selección de materiales para servicio a alta temperatura es un factor esencial en el diseño resistente al creep. En general, las aleaciones metálicas empleadas contienen elementos tales como Cr, Ni, y Co en distintas proporciones según las características específicas buscadas. El fenómeno de creep puede conducir a excesivas deformaciones plásticas o culminar en la rotura de un elemento estructural como se muestra a continuación. Cuando el fenómeno de creep se combina con el de fatiga, se tiene una situación conocida como creep-fatiga.

Fractura rápida Se puede definir la fractura como la culminación del proceso de deformación plástica. En general se manifiesta como la separación o fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo la acción de un estado de cargas. Algunos metales sometidos a un ensayo de tracción presentarán una estricción en la zona central de la probeta para romper finalmente con valores de reducción de área que pueden llegar en algunos casos al 100%. Este tipo de fractura se denomina dúctil y es característica de materiales del sistema cubico de caras centradas (fcc) en estado de alta pureza. Por el contrario, muchos sólidos, particularmente metales cúbicos de cuerpo centrado (bcc) y cristales iónicos, presentan fracturas precedidas por cantidades muy pequeñas de deformación plástica, con una fisura propagándose rápidamente a lo largo de planos cristalográficos bien definidos, llamados planos de clivaje, que poseen baja energía superficial. Este tipo de fractura se denomina frágil. Si bien la diferenciación anterior es de gran importancia conceptual y práctica, desde el punto de vista ingenieril es también importante caracterizar el proceso de fractura según la velocidad con que se desarrolla. Desde este punto de vista la fractura rápida se caracteriza por la propagación inestable de una fisura en una estructura; en otras palabras, una vez que la fisura comienza a crecer el sistema de cargas de por sí produce una propagación acelerada de aquella. Las velocidades de propagación pueden ser desde unos centenares a algunos miles de metros por segundo. Este tipo de fractura rápida puede o no estar precedida por una extensión lenta de la fisura. La extensión lenta de una fisura, en cambio, es una propagación estable y que requiere para su mantenimiento un incremento continuo de las cargas aplicadas. La fractura rápida constituye el modo de falla más catastrófico y letal de todos los mencionados. La misma se produce en general bajo cargas normales de servicio, muchas veces inferiores a las de diseño. Por tal motivo, la fractura rápida no es precedida por deformaciones macroscópicas que permitan tomar medidas para

evitarla o para reducir la gravedad de sus consecuencias. Una vez iniciada, pocas veces se detiene antes de producir la rotura completa del componente. Las características que adopta en general la falla por fractura rápida, y que explican en parte el alto costo en vidas y bienes frecuentemente asociados con este tipo de evento, son las siguientes: En primer lugar, la falla se produce de manera totalmente sorpresiva y progresa a muy alta velocidad, típicamente entre algunos centenares y algunos miles de metros por segundo. Como se ha mencionado, la falla suele ocurrir cuando el componente está sometido a tensiones compatibles con las de diseño, y muchas veces inferiores a la máxima prevista. Finalmente, el origen de la falla se debe muchas veces a factores ajenos al diseño que son introducidos durante fabricación, muy particularmente a través de las operaciones de soldadura, no siendo detectados como factores potenciales de riesgo por los responsables de la construcción e inspección del componente. El fenómeno de fractura rápida se hizo particularmente dramático en las roturas de los barcos tipo “Liberty”, “Victory” y tankers “T-2” de la marina de los EE.UU. acaecidas durante los años 1939-1945, poniendo así de relieve la insuficiencia de los criterios clásicos de diseño usados ...