Fundamentos Del Analisis De Falla

Contenido

Pn¡recro

XIx

1. Principios, causas y metodología en el análisis de FuErrrs

falla 2

FLTNDAMENTALES DE FALLA

1. Diseño

2 2

2. Selección inadecuada del material 3. Tratamiento térmico defectuoso 4. Manufactura defectuosa 5. Mecanizado deficiente 6. Montaje deficiente 7. Mantenimiento deficiente 8. Fallas de corrosión

J 3 3 3 3

4

Proc¡so oe r¡rv¡.srlcecróN

4 4

E-.r¡.¡,s DEL pRocESo DE ANÁLrsrs DE LAS FALLAS

l. Evidencia documental 2. Condiciones reales de servicio 3. Entrevistas .1. Examen preliminar del componente o equipo que falló 5. Selección de muestras para ensayos 6. Ensayos No Destructivos 7. Selección y preservación de las superficies de fractura 8. Examen macroscópico 9. Examen microscópico de la estructura 10. Determinación del tipo de fractura 11. Análisis de composición del material 12. Ensayos simulados de servicio 13. Formulación de conclusiones e informe l-1. Recomendaciones tJ=:::r os DE Los ANÁLISrs DE FALLA

5

5 5 5

6 6 6 6 7 7 ,7

7 8 8

8

2. Propiedades mecánicas r\--..i,,, o¡ TexsIóx - Dt¿.cnelta

ESFUERZO

- DpponuectóN

10

\fáquina de tensión

10

Probetas

11

viii

Fundamentos del análi,sis de falla

1l

Carga

Deformímetros Esrupnzo y DEFoRMACIóN UNr¡aops

11

DE INGENIERÍA

t4 t6

PnopreoenBs oBTENIDAS DEL ENSAYo DE TENSIÓN

16

EsT.UERZO DE FLUENCIA O RESISTENCIA A LA FLUENCIA

t6

RssrsrsNcr¡ A LA TENSIóN

18

PRopmonn¡s p,LÁsrtc,qs

19

RuecróN oE PoIssoN Ductilidad Erecro DE LA TEMPERATURA

2l

ENsnvo os pLExóN pARA MATERIAI-Es rRÁctles RsslsrENcn n I-¡. rusxIóN o MóDULo DE RUPTURA Mónuro oe plExtóN

24

22 23

Elemplo ilustrativo EspunRzo vERDADERo vs. DEFoRMACIóN vr,noa¡ERa DuRe,za

25

26 26

27 28

Ensayo de dureza Brinell (BIIN)

28

Dtreza Vickers (VIIN) Dureza Rockwell

29 29

ENsevo DE IMPACTo Propiedades obtenidas a partir del ensayo de impacto Uso de las propiedades de impacto

32

MscÁNrce DE LA FRACTURA Tenacidad a la fractura Importancia de la mecánica de la fractura Selección de un material Diseño de un componente Diseño de un método de manufactura o de ensayo

36

35 36

40 40 40 41

4l

Ejemplo ilustrativo ENs,qvo DE

JJ

41

FATTGA

Resultados de1 ensayo de fatiga

Ejemplo ilustrativo ENs,qvo DE ckEEP o FLUENCIA LENTA

44 46

47 49

Ejemplo ilustrativo

51

Rnpnnnrucr,qs

3. Introducción a los ensayos no destructivos a los métodos de inspección DeprNrcroNps TMPoRTANTES

53

Usos o¡ r.os NDT

54

Detección y evaluación de fugas

54

Metrología

54 55

Caractertzación de la estructura o de la microestructura

-l

Contenido ix

Determinación de la respuesta esfu erzo-deformación y de la respuesta dinámica Identificación rápida de metales y aleaciones

bmp.cn

55

55

56 57

4. Inspección visual

Bcsconos

60 62

Selección

hov

62

nrsoluclóN Iluminación Magnificación y campo de visión Distancia de trabajo Dirección de la visión Ambiente Aplicaciones

Smss

órrcos

62 62 63 63 63 64

64

Sistemas de magnificación Comparadores ópticos

65 65

tmnnrcn

66

5. Inspección con líquidos penetrantes

hctc

DEL PRocESo

68 69

Ss¡anrs oe psr.¡¡rRAclóN

70

Sistemas de lavado con agua del penetrante Sistema posemulsionable Sistema de remoción por solventes I¡n¡r¡¡s pARA DETECCTóN pon rÍeuroos pENETRANTES

70 72 72

r'Íslcos

DsarcIoN

Penetrantes de lavado en agua Penehantes posemulsificantes lipofilicos e hidrofilicos Penetrantes removibles por solvente C.r¿cterísticas fisicas y químicas

h-*rc¡rronps Lr¡rmes DE soLVENTE Ernou¡oonrs

76 77

Desarrolladores húmedos en agua

Desarrolladores no acuosos suspendibles en solvente Selección del desarrollador Requerimientos de equipo Prrelimpieza

tn'uOx

74 74 74 75 '75

Desarrolladores secos

Ilsarrolladores solubles

IJ 73

DEL SISTEMA .L,NEI'RAN,E

77 78 78

79 80

8l 83

x

Fundamentos del análisis de falla 83

Sensibilidad Y costo TÉcNtcas coN EQUIPos PoRTÁTILES Kits o conjuntos Portátiles EsPecificaciones Y norrnas Especificaciones

85 85

85 86

86

DE coNTRoL

Stsrpues

8',7

RrpnnBNctR

6. Inspección con partícula§ magnéticas 89

ApltcactottEs

90

VsNr,c¡es

90

Lnttrnctouss

9l

DesczupclÓN DE Los cAMPos MAGNÉTICos

91

Anillo magnetizado

93

Bar::amagtetrzada

93

MacNBuz¡.clÓN cIRCULAR MacNsrzactÓN I-oNcttu»n'taI-

94

ErBcro DE LA DIRECCIÓN oB nluro MÉro»os DE MAGNETIZACIÓN

96

94 96

CoRRtetlrg DE MAGNETIzAcIoN Corriente directa Corriente alterna

97 91

FueNrBs DE PoTENCIA

98 98

EquiPo Portátil Unidades móviles EquiPo estacionario

Mrrooos

PARA GENTRAR

cAMPos v'qcNÉrtcos

Horquillas

Contactos de Punta Corrientes inducidas MAGNÉTICAS

v líqumos PARA SUSPENDERLAS

ProPiedades magnéticas Efecto del tamaño de la Partícula Efecto de la forma de la Partícula Visibilidad Y contraste Partículas secas Partículas húmedas Líquidos aceitosos para suspensión

Líquido de susPensión en agua Potencia del baño

Luz ulrR,qvlolrra

98

99 100 101

Bobinas Conductores centrales Método de contacto directo

PanrÍcuras

98

102 103 104 106

109 110

110 110 111 111 111

112

t12 l12 r13

... :

Contenido xi Di scontinuidades detectables Discontinuidades en la superficie

¡..¡'.

Discontinuidades subsuperfi ciales ... :.-X¡5 \O RELEVANTES

Ds,.l..cxET1z.LctóN DESpuÉs DE LA R

-..,.:\aLr

I t--

tt4 tt4

}IS

115

115

TNSpECCTóN

116 117

7. Inspección por corrientes de Eddy DE CORRIENTES OP EOOY VS. UÉTOOOS DE INSPECCIÓN MAGNÉTICA

*--. ,.-:-r,,S DE OPERACIóN

t2t t2t

Funciones de un sistema básico Elementos de un sistema de inspección típico

i ¡,i-I.3.:S

123

DE OPERACIÓN

t24

impedancia de la bobina Conductividad eléctrica Permeabilidad magnética Factor lft-off(de acercamiento entre bobina Factor de llenado

124 126

y

126

pieza)

Etecto de borde Efecto de piel

132 133 133

134 136

Tamaños y formas coRzuENTES DE EDDy

136

Instrumentos de lectura

D>. T;xuIo.{DES DETECTABLES PoR INSPECCIÓN \f uestras de referencia R=:.: rCt.r

D-c-:onrs lr-....

139 DE C'RRIENTES DE EDDY

-{ -':\TES DE ACOPLAMIENTO

\f-, ,:ts a.Áslcos DE TNSpECCTóN \f.. ,,:-, PLI-SO-ECO Principios de operación Presentación de datos

\Í:.

DE HAZ EN ÁNGULo

-,]-)S

139 140 141

8. Inspección ultrasónica uLrnasóNlcos DE DEFECTos

sDL CTORES

l=--..c¡.

128 129 129 130

Frecuencias de inspección Bobinas de inspección Bobinas de probeta y circundantes Bobinas múltiples

1...-.: rrEsros pARA

120

»r ¡ne¡SulsIóN

C.-;-r-!--RislcAs

GENERALES DE LAS ONDAS uLTRASóNICAS

Ondas longitudinales

144 145

t49 150 1s0 151 151

154 158 158 159

xii

Fundamenfos del análisis de falla

Ondas transversales (ondas de corte) Ondas de superficie (ondas Rayleigh) Ondas de Lamb (ondas de placa)

Facronss euE

,

INFLUENCTAN LA TNSrECcIóN

160

l6l 161

urrnasóNrc¿

Impedancia acústica

162 163

ANcur-o DE INCTDENCIA Ángulos críticos Absorción Dispersión

165

VENTAJIs, DESVENTAJAs Y APLICACIoNES

167

166 167 167

Ventajas Desventajas

167 168 168

Aplicaciones RBrsnsNcrR

169

9. Radiografía PRrNcrpros

nr

opBnecróN

172

Usos op re neorocna¡Íe

t'72 173 175 176

ApLlcacIoNes LrNlnacroNss Pnmcrptos os le n¡nrocne¡Íe FecroRBs c¡otrÉrRrcos FusNrps »B naonclóN PnoouccróN or nayos X PnoouccróN DE RAyos GAMMA Tusos os Rayos X EqurvLt-ENcra ReorocnÁr'lca PnrNcpros »r ronuectóN DE soMBRA CoNvpnsróN DE LA TMAGEN

177

r78 179 180 180 185

186 186

Película de rayos X Características de las películas de rayos

X

Tipos de película Selección de la película RprsRENcrA

_

t94

10. Corrosién, prevención y

control de la corrosión en la industria

Dprn¡rcróN ns re coRRoslóN Ar¿erpNrss coRRoslvos

FuNoalrnvros rrrcrnoquÍMrcos ConnosróN ConnosróN ConnosróN ConRostóN ConnosróN

188 188 189 190

uNTFoRME

cervÁNrce coN sRosróN poR REseurcros poR ptcADURAS

195 DE

le

coRnouóN

196 196 199 201 203

206 208

Contenido xiii

Lr¡orr,rcróN y sepenecróN

210

SELECTTvA

2tt

C :*-R.ostoN TNTERGRANULAR -\:r-rr.r-vrEuro poR coRRostóN coN ESFUEMoS

Er:rt'os og coRnoslóN

212 214

Ers.r'r'o oe pÉRnroes DE pESo

2ts

T=:TiC.T.S DE RESISTENCL{ ETÉCTP¡CA

217

P-,-ralzlcróN

2t7

\í..:;clorts

LINEAL

DE vELocIDADES DE coRRosIóN

pon porep¡zncIóN LINEAL

\¡entajas

Limitaciones y precauciones Pi:.:=r-.cról¡ DE LA coRRosIóN

220

Selección de materiales

-tlteración del medio Diseño Protección catódica y anódica Películas (pinturas) y revestimiento de protección poR FUENTES DE AGUAS NATURALES

C:¿acsror

219 219 219 220 221 222 224 226

227

))1

Prevención de la corrosión Películas protectoras de carbonato de calcio

228 229

RI--lE:ictAS

11. Películas de protección

=

231

=c-:RoDEposICIóN

.l.::*qzrc¡óN coN 1v-¡-r-p¡

LLAMA.

MrreuzeclóN

233

-TTAq-<;OS EN CALIENTE

):r..icros \--:.,:»

233

DE vApoR

)=-:os l:r-.=slór

233 quÍmce

DESARRoLLoS. INcsl.uBRÍe DE supERFICIE

h--¡c.:-rs

poR AroMtzACróN

rÉnurc¡. (TnanwL Spruy Cottt¡,¡cs, TSC)

-t¡eas de aplicación

\lateriales de capa Etapas básicas del proceso de atomización Procesos de atomización térmica

Selección del método de atomización o rociado térmico Parámetros del proceso de atomización Preparación de la superficie \élocidad de deposición Limitaciones del espesor de la película \lateriales de unión de la película \létodo de terminado de la película atomizada Pinruras de protección

J.==-¡¡crrs

232 232

233 234 235 235 235 236 236

240 240 240 240 241

24r 241 242

246

xiv

Fundamentos del análisis de falla

12. Fractografía y metalografía SurrccróN,

IRESERVACIóN

y

LIMeIEZA DE LAS supL,Rl.rctEs DE FRACTURA

Limpieza Corte MOoos DE FRACTURA PoR CARGA

SIMPLE

247 248 248 249

ExaN¿eN MACRoSCÓPICo DE LAS SUPERI'ICIES DE FRACTURA

2s0

Ex¿ITpN MICRoSCÓPICo DE LAS SUPERTICIES DE FRACTURA

253 2s3

Microscopia óptica Microscopio Electrónico de Transmisión Microscopio Electrónico de Barrido DsrsRlrrNaclóN o¡r- Trpo DE FRACTURA Fractura dúctil FnacruRa pnÁcrr Fractura intergranular

Agrietamiento cle corrosión con esfuerzos Fnacruna rnÁGrl TRANSANGULAR Fractografia de las fracturas frágiles intergranulares Fnacruna pnÁGrl INTERGRAN uLAR FnacruR¿. poR

FATTGA

poR cR¿¿p

y

254

257 258 263 273 276

277 278

278 219

Características generales de las fracturas de fatiga AcRr¡ravrpNTo DE coRRosróN coN ESFUERZos Canacr¡nÍsrrcAs GENERALps t¡r SCC FRecrlzecróN poR HrDRóGENo Fractografía de la fr agllización por hidró geno

Falles Farlls

253

RUpruRA poR ESFUERZo

coMpLEJAS

SslpccróN y pRnpaRacróN DE sECCToNES pARA METALoGRAFÍA ExeupN y eNÁlrsrs DE LAS MUESTRAS DE METALoGRAFÍA R¡ppnpNcias

280

284 284 287 288

288

290 291 294 295

[3. Esfuerzos residuales y defectos causados por el proceso de manufactura DsprNrcróN

Fecron¡s

FLTNDAMENTALES soBRE

297 Los ESFUERZoS RESTDUALES

Esfu erzos residuales térmicos

298 299

Esfu erzos residuales metalúrgicos

304

Esfu erzos residuales mecánicos

305

Erscros quÍmcos

308

D¡peclos

309 313

soBRE Los ESFUEMos RESTDUALES Defectos causados por el proceso de manufactura Defectos en la fundición PRoDUCIDoS DURANTE EL TRABAJo MECÁNICo DE METALES

308

Trabajo en caliente

314

Quemaduras o temperatura de trabajo excesiva

315

Contenido xv

Temperaturas bajas de trabajo Defectos preexistentes en el lingote Esfuerzos residuales Procedimientos de trabajo defectuoso

31s 315

316 316 317

Trabajo en frío EN EL pRocESo DE soLDADURA

Drrecros

DrrEcros

DE TRATAMTENTo rÉRMICo

317 319 319 319 319

DErectos

DE MECANIZADo

320

Falta de fusión y penetración Socavación

Agrietamiento por hidrógeno

R¡r¡r¡Ncras

321

14. Fallas Tpos os

por desgaste 324 324

DESGASTE

Descesrp

ADHESTvo

Medidas preventivas Drsc.c.srg ABRASTvo

Fr:tce

DE supERFrcrE

o

326

327 329

FATTcA poR coNTACTo

Picaduras de origen superficial Picaduras de origen subsuperficial Fatiga por debajo de las capas endurecidas D-
330 331 331

D:-rc.rs¡e coRRoslvo o qufuarco

332 332

Dg-:c.r.srs poR FRrccróN REpETTTIVA (rnorctN c)

JJJ

Prevención C,x.RosróN coN ERosróN Lrc.lsrs poR cHoeuE DE GorEo r-Íquno Variables signifrcativas en el choque por goteo líquido

\l»os o¡ LusRrcecróN l-:rc.rrr¡s Fallas de los lubricantes que conducen a desgaste

-tr-r:rsrs

DE FALLAS poR DESGASTE

335

336 337 337

338 339 340

340

lnformación sobre antecedentes

341

Examen

341 342

R.-.- - ?.E\CrAS

Casos históricos de análisis de falla C ¡-i¡:6 DE eNÁI-IsIs DE FALLA

343

Ejemplo 1: Falla por corrosión con esfuerzo de una abrazadera tipo correa, hecha de aleación 19-9 DL para resistencia al calor

343

Ejemplo 2: Fractura por fatiga de un eje para émbolo que se inició en un ñlete agudo

346

xvi

Fundamentos del análisi,s de falla

Ejemplo 3: Falla frágil del collar de f,¡ación fabricado en placa de laminación en acero grado 4140

348

Ejemplo 4:Fracttra de los vástagos de una válvula de disco debido a selección incorrecta del material

350

Ejemplo 5: Guardas para ejes rechazadas por inclusiones de escoria

352

Ejemplo ó: Cigüeñal de un motor diésel que se fracturó por fatiga debido a inclusiones subsuperfi ciales

3s4

Ejemplo 7: Fractura de un dado forjado causado por segregación

355

Ejemplo 8: Fractura del brazo de una horquilla de elevación debido a defi ciencias microestructurales

356

Ejemplo 9: Fractura frágil de los casquillos de un conjunto de rodillos debido a microestructura inadecuada

3s8

Ejemplo 10: Indicaciones de superf,rcie en barras de acero 4130 laminado en

caliente

Ejemplo

ll:Falla

360 de una tubería sin costura a causa de grietas de

temple

362

Ejemplo l2:Fallas en engranajes y piñones a causa de carburación

inapropiada

363

Ejemplo I 3: Fractura por tensión originada en porosidad por contracción de un conector fundido en arena en acero de baja aleación

365

Ejemplo 14: Cabezote de un secador de papel de fundición de hierro gris que se retiró de servicio

367

Ejemplo 15: Falla por fatiga de la carcasa para un eje moldeada en arena y fundida en acero, originada en una grieta de punto caliente

371

Ejemplo 16: Agrietamiento por fatiga del conjunto del codo de acero inoxidable en unajunta soldada en una región de esfuerzo alto

)tJ

Ejemplo 17: Fractura por fatiga del conjunto de la caja de la cámara de combustión interior de una turbina de gas debido a falta de fusión de la soldadura y a socavación

374

Ejemplo 18: Falla por fatiga de un cabezal de entrada debido atécnica de soldadura pobre y a diseño desfavorable de lajunta

376

Ejemplo 19: Falla por distorsión de un resorte para válvula automotriz

318

Ejemplo 20: Agarrotamiento de una válvula hidráulica tipo carrete

380

Ejemplo

2

l:

Dairo por rayadura causado por ruptura de la capa de cromo

en un cilindro

382

Ejemplo 22: Falla de un impulsor de bronce de una bomba por daño por cavitación

384

Ejemplo 23: Falla por fatiga de un cable de alambres de acero debido a carga de choque

386

Ejemplo 24: Falla de los piñones motores de acero carburado de un impulsor debido a picaduras y

desgaste

387

Contenido xvii

Ejemplo 25: Ruptura de los tubos de acero 1,25 Cr - 0,5 Mo del recalentador de una caldera por reaalentamiento localizado 389 Ejemplo 26: Falla de los filetes de la tuerca y de la contratuerca de los ejes de soporte de una prensa de separación de grasa de los sólidos 392 Ejemplo 27:Fallas de las placas de acero inoxidable de un intercambiador de calor parapasferización de un producto alimenticio, por corrosión por resquicios 3g7 Ejemplo 28: Falla por ruptura de tubería de calderas por deficiencias en el tratamiento del agua de alimentación y por recalentamiento por direccionamiento incorrecto de la llama de combustión

403

Ejemplo 29:Falla por soldadura del eje de la caja reductora de una

extrusora

Ejemplo 30: Falla de la tubería de alimentación de los productos para el tratamiento del agua de alimentación de una caldera

408

414

RgeneNCrAs

417

BTSUOGRAFÍA PARA LECTURA SI]PLEMENTARIA

418

ñorct

437

DE FTGURAS

ño¡ce ¡s irorcE

TABLAs

DE ForocRAFÍAS

ñorceaNerÍuco

444 445 449

Principios, causas y metodología en el análisis de falla

La palabrafalla es tn término general que se ttiliza para designar que una pieza, un componente, un equipo o una máquina ha fallado en servicio. Se considera que esto ocuffe cuando se cumple una de las tres condiciones siguientes:

l. Cuando se vuelve completamente inoperable. Por ejemplo, cuando a un automotor se le rompen los ejes delanteros, el vehículo se r,rrelve com-

pletamente inoperable y hay que conseguir una grt:a para llevarlo al taller para cambiar los ejes rotos. 2.

Cuando aún es operable pero no es capaz de cumplir su función satisfactoriamente. Por ejemplo, cuando por efecto de la corrosión de los

y de la erosión los pistones y los anillos del motor de un automóvil pierden sus tolerancias, el automóvil pierde potencia y consume el aceite de lubricación del motor. En este caso, el vehículo todavía es operable pero no es capaz de cumplir su función satisfactoriamente, se considera que ha fallado y es recomendable repararlo. Cuando el deterioro del componente o equipo ha sido tan serio que 1o hace poco confiable o inseguro para continuar su utilización o funcionamiento y se requiere sacarlo de servicio para repararlo o para gases calientes

J.

remplazarlo. Por ejemplo, cuando la tubería de una caldera se ha corroí-

do o se ha incrustado por deficiencias en el tratamiento del agua de alimentación, la operación de la caldera se r,uelve insegura porque se puede presentar falla o una explosión del equipo. Igualmente, en los automotores se presenta cuando las pastillas de los frenos se han desgastado severamente, por 1o que el vehículo se puede quedar sin frenos y puede ocurrir un accidente.

2

Fundamentos del análisis de falla

FUNNTnS FUNDAMENTALES DE FALLA Las fuentes fundamentales de falla en los componentes, en los equipos o en las

máquinas, se han estudiado

y

se han identificado a través de los años,

y

son

principalmente las siguientes:

1. DrsBño

Los diseños deflcientes pueden producir fallas, algunas veces catastróficas. Por ejemplo, uno de los primeros aviones de reacción para uso militar, de fabricación inglesa, presentó fallas catastróficas en luelo, hasta que el gobierno inglés ordenó suspender los luelos y efectuar una investigación sobre la caída de estas aeronaves. En la investigación se encontraron grietas en las esquinas de las ventanas, las cuales se habían diseñado en ángulo recto. En estos ángulos a escuadra se concentraron los esfuerzos producidos por las

vi-

y

se generaron las grietas que produjeron la despresurización del avión y la falla. Por tal razón,las ventanas actuales de las aeronaves se dise-

braciones

ñan con un radio de curvatura muy generoso (ovaladas), para evitar la concen-

tración de esfuerzos.

2. SprpccróN nraoBcueDA

DEL MATERTAL

La selección inadecuada del material puede conducir ala falla del componente. El autor recuerda el caso de un tráiler construido en el país, cuya capacidad era de 30 toneladas. Cuando este equipo inició su primer servicio, con 18 toneladas de grano, se

presentó la rotura de los ejes de dos de las ruedas traseras, por un montículo existente en la puerta de la fabricapara asegurar las dos hojas de las puertas.

El análisis del material reveló que el acero empleado para la construcción de estas piezas tenía un contenido de 0,1006 de carbono y una resistencia muy bajapara las cargas previstas.

Principios, causas y metodología en el análisis

de

falla

3

I

l:-... sfIENTo

rÉRMICo DEFECTUoso

:-:.1. recuerda la falla de los piñones de unos tractores, cuyos dientes se -:-:: al iniciar el arranque los tractores nuevos. El análisis de falla reveló :, =.encia de austenita, retenida por efecto del tratamiento térmico deficien:-::r¡e la manufactura de los piñones.

- '.1.'. - FACTURA

DEFECTUOSA

- . -: : ¡nalizó la falla de la fundición para un molino de yeso que presentó ': : --,:ro horas después de iniciar la operación de trituración. La observa- - = -" tractura de esta pieza mostró la presencia de porosidad y de rechupe -

-

-

=-

:

r-,::r\os. los cuales condujeron alaftacfixay ala falla del equipo.

].1.. :-\iZANO

DEFICIENTE

-,: --i-3:r-rs de los ejes deben mecanizarse con radios apropiados para evitar ' - :...i.'rn de grietas en el fondo del cuñero, su propagación y ruptura del - -:, ::te debida a falla prematura por fatiga. ...:-E

DEFICIENTE

: :e,-uerda el caso de un motor que se montó desalineado con el reduc::e produjo esfuerzos flectores anormales en el eje del motor y lo romcorrecto, pero la inspección del ':á1isis del material del eje se encontró : :.rosró la deficiencia que produjo la falla.

-

\.1..".:rI\flENTO

:,-

DEFICIENTE

;.=::.rit-r. el desgaste prematuro del eje central del tambor de una etique-

rs:-r: --::tribuido por los mecánicos

encargados del mantenimiento de los

:-- :,.: : Jue se había construido en el país. El análisis del material indicó :i : :-,ienal de construcción del eje era el apropiadopara el servicio. La :--;r-::.-:

del equipo evidenció que las graseras de lubricación estaban com-

: --'---::.i3

iapon?das

---:---:..

y que el desgaste prematuro del eje se debía a falta

de

4

Fundamentos del análisis defalla

8. Farlns DE coRRosróN Es una causa muy común de fallas en componentes y equipos. Las pérdidas por corrosión en Estados Unidos se estiman en la impresionante cifra de US$300

billones al año, lo cual equivale al 3oA del Producto Interno Bruto (pIB). En este mismo estudio se cuantificó que se habría evitado la pérdida de unos US$100 billones si se hubieran empleado los métodos de control de corrosión disponibles.

Pnocnso DE rNvESTrcACróN La causa exacta de una falla no es facil de descubrir y el problema puede resolverse después de una investigación cuidadosa. ocurre con frecuencia que la alta administración tiene poca comprensión de todos los factores y condiciones que conducen alafallade un equipo o de un componente. Por ejemplo, después de la ocurencia de unafalla, el componente engrasado, contaminado de mugre o de óxidos se lleva al Departamento

de Ingeniería o al laboratorio, y se espera una respuesta inmediata sobre la causa de la falla. Esta actitud es poco ruzonable y crea una presión indebida sobre el equipo encargado de la investigación. La solución es una educación paciente sobre las numerosas causas que producen las fallas y sobre los proce-

dimientos de investigación. Para el analista de fallas, el principio ocurre cuando se le llama

y se le presenta el caso. Sin embargo, hay que considerar que el componente del equipo se concibió, se diseñó

y

se fabricó durante un período previo que puede ir

desde horas hasta años. Esto significa que es importante estudiar el significado de determinar la historia previa a la falla y programar el curso de la inves-

tigación.

Ernpas DEL pRocESo

DE ANÁLrsIS DE LAS F,ALLAS

Aun cuando la secuencia de un análisis puede variar dependiendo de la naturaleza específica de la falla, las principales etapas que comprenden la investigación y el análisis de una falla son:

Principios, causas y metodología en el análisis

-. ErroercrA

defalla

J

DocuMENTAr.

Especificaciones del material o materiales. Condiciones operativas del diseño.

Tiempo de servicio. Temperatura

y presiones.

Condiciones de carga estática y dinámica. Condiciones de corosión y de erosión. Carga cíclica y vibraciones.

. . I

Ensayos, inspecciones

y programas de mantenimiento.

Ocurrencias inusuales. Garantías.

Cr-rrDtCIoNES REALES DE sERvrcro

\iveles de temperatura y presión. Datos de mantenimiento. ConcÍiciones ambientales.

. ' .

Fluidos que rodean al equipo. Humedad. Condiciones de Contaminantes.

ErrRrvrsrls \=8una investigación

es completa sin el testimonio de las personas que tierntbrmación sobre la falla. El entrevistador deberá usar los datos de las -- istas como una herramienta de análisis y no como conclusiones o diag=:er

lr:¡rcos

sobre las causas de la falla.

I Er+leN

pRELTMTNAR DEL coMpoNENTE

o Eeurpo euE FALLó

Inspección visual de la falla. Inspección de las superficies de fractura. a

Trayectoria de las grietas.

,-t

6

Fundamentos del análisis de falla

Desgastes severos. Presencia de corrosión.

Registros fotográficos.

5. SrrsccróN op

MUESTRAS pARA ENSAyos

Indicar y señalar los sitios de donde

se deben tomar muestras para ensayo.

Instrucciones sobre cómo se deben tomar las muestras y su tamaño.

6. ENsayos No

DESTRUCTTvos

Son muy útiles en la investigación de fallas. Inspeccionar con:

. . . . .

Líquidospenetrantes. Partículasmagnéticas. Corrientes de Eddy.

Ultrasonido. Radiografía.

7. SprBccróN y pRespnvecróN

DE LAS supERFICtES DE FRACTURA

La selección adecuada, la preservación y la limpieza de las superficies

de

fractura son claves para impedir que las evidencias importantes se destruyan u oscurezcan. Las superficies de fractura pueden sufrir daños mecánicos o quí-

micos.

8. ExaunN MACRoscóPrco

El examen visual y con ayuda del estereomicroscopio de las superficies fractura es fundamental para caracterizar y determinar:

. . . . .

Trayectoria de las grietas. Presencia de grietas secundarias. Presencia de corrosión. Desgastes severos.

Erosión.

de

Principios, causas y metodología en el análisis

EXewN

de

falla

Z

MICRoSCÓPICo DE LA ESTRUCTURA

úllizar el microscopio óptico (hasta 2000 X [auI o el microscopio electrónico (más de 2.000 X) de barrido (SEM) o de

este examen se puede

isión (TEM), (más de 2.000 X). Es necesario identiñcar las muestras y su ubicación, y seguir los procediconvencionales de corte, montaje, prepulido, pulido final y ataque, revelar la estructura del material metálico.

De'renunqacróN DEL Ttpo DE FRACTuRA las características de la fractura: .a

Fractura dúctil.

a

Fractura frágil.

-

Fractura combinada.

a

Fractura por fatiga.

AxÁrtsrs

DE coMposrcróN DEL MATERTAL

requiere determinar la composición del material en la investigación para los resultados con las especificaciones. En problemas de corrosión

iryortante

analizar, además del metal o aleación, la composición der pro-

de corrosión. Se puedenutilizar varios métodos:

. .

Espechográficos de arco o fluorescencia de rayos X. Espectrofotometría de absorción atómica. Fspectrofotometría de luz visible o ultravioleta, o infrarrojo. Análisis químico convencional.

ENsayos sIMULADos DE sERvrcro

h

etapas finales de la investigación, se puede requerir la realización de que simulen las condiciones que produjeron la ocurrencia de la falla.

demplo, probetas de corrosión para uso en planta con el fin de monitorear

mosión.

8

Fundamentos del análisis de falla

13. FonuuLACróN DE coNCLUSToNES E INFoRME Los resultados de los ensayos, el análisis de las evidencias y las conclusiones sobre la causa de la falla se deben consignar en un informe sobre toda la investtgadón.

14. RTcovBNDACioNES Finalmente, es deseable consignar algUnas recomendaciones para evitar en posible 7a ocunencia de fallas por la misma causa en el futuro.

1o

On,tmrtvos DE Los ¡NÁt'lsls DE FILLA Los análisis detallados de las fallas constituyen herramientas valiosas en muchos aspectos, entre los cuales se enumeran los siguientes:

. . . .

Para prevenir fallas futuras. Para establecer lavalidez de los diseños

y de la selección de los mate-

riales. Para descubrir defectos en el procesamiento de los materiales por me-

dio de la caracteúzación de los defectos. Para revelar problemas introducidos durante la manufactura o fabricación del componente.

Propiedades /. mecanlcas

bs

-

ingenieros van a seleccionar ros materiales para un componente, crlulpo o para una aplicación determinada, primero que todo piensan

t-si¡lenci¿ mecánica. :siqenci¿ mecánica

definir como la habilidad de un material r¡ifir cargas o esfuerzos mecánicos, sin deformarse ni romperse. vale r óservar que en muchas aplicaciones el material debe dejarse defor)lE no se debe romper durante el proceso de conformación. por ejemse puede

o h manufacfura

de cuerpos para automóviles el material debe dejarse ; sin romperse. En cambio, existen otras aplicaciones en ias cuares

h

no se debe deformar, ni mucho menos romperse durante su vida svicio, como sucede con los piñones de ra caja de transmisión del En este caso, los dientes de los piñones de la caja no se deben ; ni mucho menos romper durante la vida útil del vehículo. dargo, la resistencia mecánica no es el único factor en relación con red* mecánicas de un materiar que se debe evaluar para que el I desempeñe su función correctamente. Debemos preguntarnos si la requiere que el material sea, además de resistente, rígido o dúctil, É smetido ala aplicación de una fierza cícrica importante o a una ansa aplicada súbitamente, si va a estar sometido a un esfuerzo alto elevada, o a condiciones abrasivas. w conocidas las propiedades requeridas, se puede seleccionar un

gopiado, utilizando la información incluida

en manuales de inge-

se debe conocer cómo se llega a las propiedades incluidas en a través del ensayo de las propiedades mecánicas. Además, qué

10

Fundamentos del análisis defalla

significado tienen estas propiedades y en qué circunstancias se deben aplicar en el diseño o en la clasificación de los materiales respecto a las propiedades mecánicas.

ENseyo DE TENSróx - DracnaMA ESFUERZo -

Dnronulcróx

El ensayo de tensión mide la resistencia de un material a una fieruaestática o gradualmente aplicada. A continuación se muestra esquemáticamente un dispositivo de ensayo, el cual requiere para su realización los siguientes equipos y dispositivos (figura 2.1).

Figura 2.1 Mediante una cabeza móvil, en la prueba de tensión unidireccional a una probeta. Referencia I

se

aplica unafuerza

MÁQuTNa DE TENSIÓN Se emplea para aplicar

la

faerua durante el ensayo. puede ser hidráulica o mecánica. En el primer caso la faerza se aplica por medio de una bomba hidráulica y en el segundo caso por intermedio de un motor eléctrico y piñones.

La mayor parte de los equipos disponibles comercialmente permit en realizar

:liliil

Propiedades mecánicas I

I

I

Ecar I

ides

=r<7-' := ce tensión, de compresión

ra!

t

y de flexión, tazón por la que se denomi-

-;:Li -:nas universales.

Pr..-Ei.-_: -

I

bao

i..

dtsI

lpot

- -:'--is

para los ensayos están especificadas por los institutos de normai--'-r-r .r3 u-.da país, comoASTM, Icontec, DIN, Afnor, JIS, etc. Estas probetas a;..E .:e acuerdo con el producto que se desea ensayar: barras

redondas, lá-

rmn:^i-,-::nbres. fundiciones, etc.

I

)

C.J'r t

i -¡'

'-:::a debe tener un dispositivo para medir ra carga o ra fuerza. En las 'r -..-,:' ¡idráulicas, este dispositivo puede ser del tipo Bourbon, mientras & = = náquinas modemas se utilizan las celdas de carga que se basan en rEri-.: :! piezoeléctricos.

L-;-,.r..,ErRos

ir* =-*'--iti'os que se emplean para medir la deformación que ocurre en la = nedida que se va aplicand o ra carga. Los deformímetros pueden ser -tr= tF:rr-!-;\i. eléctricos, ópticos, de rayos infrarrojos, etc. Se:-:camente se muestran una máquina universal

de accionamiento mecá-

E ig'= 1'2), el esquema de un deformímetro tipo mecánico (flgura 2.3A) ! ¡u je:i-rrmimetro modemo para acoprar al comput ador (figtra 2.4).

ho lo,-

f.'. PU'

12

Fundamentos del análisis de falla

Figura 2"2 }.4.áqluína universal para ensayos de tensión-compresión y flexión. Referencia 6

Figura 2-3 Muestra tensil frjada a un extensómetro.

Propiedades mecánicas 13

Erlr - * -&

23A a) Esquema de un deformímetro mecánico tipo Moore. A, B, C, D: de fijación. G: barra espaciadora para calibrar la distancia entre marcas pulgadas con el botón H. V: punto de apoyo. M - L: carátula para medir la deformación. Referencia 8.

Figura 2.4 Deformímetros digitales. Referencia 6.

t4

Fundamentos del análisk de falla

y se mide la Durante el ensayo se aplica la cargaa una velocidad específica el efecto de la carga deformación coffespondiente. En la tabla 2.1, se muestra

enlalongitudcalibradadeunabarradealeacióndealuminio.

Tabla 2.1 Resultados de un ensayo de tensión en una probeta de aluminio de 0,505 Pulgadas de diámetro

Cálculos Deformación pulg/pulg

Esfuerzo

Mediciones de longitud entre marcas

Hbras/pulg'z

(pulgadas)

(psi)

2,000

0

0

2,001

5.000

0,0005

3.000

2,003

15.000

0,0015

5.000

2,005

25.000

0,0025

7.000

2,007

35.000

0,0035

7.500

2,030

37.s00

0,0150

7.900

2,080

39.500

0,0400

2,120

40.000

0,0600

7.950

2,160

39.700

0,0800

7.600 (fractura)

2,205

38.000

0,1025

Carga (libras)

0

1.000

8.000 (carga

máxima)

Nota: Referencia

l.

Esrusnzo Y DEFoRMACTÓN DE TNGENTERÍA para un material determinado, los resultados de un ensayo se aplican a muesy la tras de cualquier tamaño y forma, si se convierte la fuetza en esfuerzo distancia calibrada entre marcas en deformación' esfuerzo y la deformación se definen de acuerdo con las siguientes

El

ecuaciones: F

Esfuerzo de ingeniería:

Deformación de ingeniena =

Ao c-L-

l-l^ Io

Propiedades mecánicas 15

de la

srga

-, : :

es e1 área original de la sección transversal de la probeta antes

--:: :. ensayo; 1, es la distancia original entre marcas calibradas y / es -- : ;rire marcas después de haber aplicado lafuerza o carga F.La :

-

-=rztr

-:

-

deformación (o

-

e) se

ltllizapara registrar los resultados del

:=:sión (figura 2.5).

Resistencia Esfuerzo de cedencia

a la tensión

\ Esfueizo de ruptura

/i

\6

Ac)

#

0

= ,UOu,o de elasticidad

l'\-l

I

L

0.002 - 0.0004 0.020 0.060 0.100

0.140

Deformación (plg/plg)

,-:n

a

esfuerzo deformación correspondiente

a una aleación de aluminio.

.::::lo. fJCS-

lr

la

l

=:

para convertir los datos de carga vs. longitud calibrada de la esfuerzo y deformación de ingeniería para una carga de 1.000

:3mos:

F 1.000 libras - -{,r (nl+)(o,sos pule)'

E]tES

,

=',,0 1

=

1'000 libras 0,2 pulg2,001

= 5.000 libras/pulgz o psi

p.ul?:2,900 pulg 2,000 pulg

= 0,0005 pulg/pulg

16

Fundamentos del análisis defalla

En forma similar, se calculan los otros datos de esfuerzo - deformación de la tabla 2.I y con estos datos se construye la curva o * e (figura2.5).

Uxrnr»ps Se utilizan varias unidades diferentes para reportar los resultados de un ensa-

yo de tensión. Las más comunes en los sistemas de unidades inglesas y métricas son las siguientes: para el esfuerzo, libras por pulgada cuadrada (lb/pulg, o

psi:

pounds per square inch) y en el sistema métrico, megapascales (MPa).

Las unidades para la deformación son pulgadas de deformación por pulga-

da de longitud original (pulg /pulg) o metros de deformación por metro de longitud original (m /m). Como la deformación es adimensional, no se requieren factores de conversión para cambiar de sistema de unidades. En cambio, para el esfuerzo se utilizan los siguientes factores de conversión entre los sistemas inglés y métrico: 1

libra :

psi : 1 MPa : 1 MPa : 1 GPa : 1 Ksi i psi : 1 MPa : 1

4,448 newtons

§).

libra por pulgada cuadrada. meganewtons por metro cuadrado (MN / m,) newton por mm2 § / mm2)

:

megapascal

gigapascal: 1.000 MPa 1000

psi:

6,895 MPa

0,006895 MPa 0,145

Ksi:

145 psi

Pnoprnn.q.DEs oBTENTDAS DEL ENSAyo DE TENSróN

A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información sobre la resistencia, larigidez y la ductilidad de un material. ESTunnzo DE FLUENCIA o RESISTENCIA A LA FLUENCIA Es el esfuerzo al cual se presenta una deformación plástica especificada, nor-

malmente 0,2oA de la deformación total. La resistencia ala fluencia representa el esfuerzo que divide el comportamiento elástico del comportamiento plásti-

Propiedades mecánicas 17

I

meterial. La deformación elástica es recuperable, es decir, el material a zus dimensiones originales cuando se remuevé la fuerza que la pro-

i

cambio, la deformación plástica no es recuperable; es, por tanto, una

I

ión permanente. Por ende, si se desea diseñar un componente que no

l¿.

plásticamente; se debe seleccionar un material con una resistencia

I

F kriln*'

B

ia alta o fabricar el componente de un tamaño suf,rciente para que la plicada produzca un esfuerzo por debajo de la resistencia ala fluencia.

E

dgunos materiales, como el acero de bajo contenido de carbono, el del comportamiento elástico a plástico se detecta porque hay un camdcforrnación, sin que el esfuerzo cambie signif,rcativamente. A este

& esfuerzo que separa visualmente el comportamiento - h conoce con el nombre de esfuerzo de fluencia.

H

elástico del plás-

cmbargo, en la mayor parte de los materiales no se evidencia gráfica-

E-cn la curva o -

,hl" oa,

e el nivel de esfuerzo que separa los dos comportamien-

casos, 1a división entre el comportamiento elástico al plástico

ina por la resistencia a la fluencia, tal como se definió al iniciar este Para determinar la resistencia a la fluencia, se traza una línea para-

lrporción inicial recta en la curva o - t, pero

desplazada a 0,002 pulg/

OO2o/o) del origen, o 0,1%o, dependiendo de la aplicación. ia ala fluencia se obtiene cuando esta línea intercepta la curva - deformación. En la figura 2.6 (a),la resistencia a la fluencia 0,2oA itmo gris es 40.000 psi. La curva 6 (b) muestra el esfuerzo defluencia

aro de bajo carbono. Se espera que el material se deforme plásticaJ alcanzar el esfuerzo o,. Sin embargo, los átomos de carbono ides se agrupan alrededor de las dislocaciones con el deslizamiento, el lÍmite de fluencia hasta o, Só1o al aplicar un esfuerzo mayor que ial principia a deformarse plásticamente.

L

18

Fundamentos del análisis de

50.000 t_

:a

40.000

oN (¡) f

a

uJ

30 000

falla

Esfuezo de cedencia convencional 0.20,6

I

t

20.000 10.000

U

t___ 0.004

0.008

Deformación

Deformación (plg/plg) (a)

(b)

Figura 2.6 a) Determinación de la resistencia ala fluencia

0,2%o de deformación en el hierro fundido gris y b) esfuerzo de cedencia superior e inferior que describe el comportamiento mecánico de un acero al bajo carbono. Referencia 1.

RnsrsrnNcrA A LA TENSIóN La

carga máxima que se obtiene en el ensayo, dividida por el área original de

la muestra de ensayo, se denomina "resistencia ala tensión" y representa el esfuerzo máximo que resiste el material. En muchos materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme. En cierto momento, una región se deforma más que otras y ocuffe una reducción localizada en la sección recta que

"constricción" o adelgazamiento (f,gura 2.7). Como el área de la sección transversal en este punto se hace más pequeña, se requiere una fiJerza menor para continuar la deformación y se reduce el esfuerzo de ingeniería se denomina

calculado a partir del área original Ao.

La resistencia ala tensión interviene en muchas especiflcaciones de materiales y es una medida de la calidad del material, porque si éste tiene defectos, tales como inclusiones severas, porosidad, no dará la resistencia ala tensión especificada.

Propiedades mecánicas 19

-l .
Figura 2.7 Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil, produciendo una región de adelgazamiento o constricción de la sección. Referencia 1.

i:ED\DES ELÁSTICAS ide

¡el .

t-

Lla

,-

- - .ie elasticidad

o modulo de Young es la pendiente de la curva es- :;:ormación en la región elástica o recta. Esta relación se conoce con -:.: ie lev de Hooke:

.¡5

{ue

¡la

ia 831S, ir1fl

E_

o tF

::-: -' '¡ulo está íntimamente relacionado con la fterzade atracción y con - :' -- - : :e los átomos que constituyen el sólido. Una pendiente muy empi-

-'- :rr-ptá indica que se requieren grandes fuerzas para separar los áto- - .-:i que el material se deforme elásticamente. Por tanto, el material -.' - -- :-.,iulo de elasticidad alto. Las fuerzas de enlace y el módulo de : - - - .r iu-rn _seneralmente altos en materiales de punto de fusión alto. : - -rl:. el módulo es una medida de la "rigidez" de un material. Un --:-: -.:..io. con alto módulo de elasticidad, conserva su tamaño y su for--: :1 ser sometido a ufia catga en la región elástica. En la figura

20

Fundamentos del análisis de falla

siguiente se compara el compoftamiento elástico del acero y del aluminio. Si a un eje de acero se le aplica un esfuerzo de 30.000 psi, se defotma elástica-

mente 0,001 pulg pulg, y con el mismo esfuerzo, un eje de aluminio se deforma 0,003 pulg / pulg. El hierro tiene un módulo de elasticidad tres veces ma-

yor que el del aluminio (figura 2.8). 50.000

40.000

:a

o-

30.000

o N o f a

20.000

ul

10.000

0

0.001 0.002 0.003 0.004

0.005

Deformación (plg/plg)

Figura 2.8 Comparación del comportamiento elástico del acero y del aluminio. Referencia

1.

El módulo de resiliencia (Er) es el área de la curva que aparece bajo la porción elástica de la curua o - t y representa la energía elástica que un material absorbe o libera durante la aplicacióny la liberación de la carga aplicada. respectivamente. En el caso de un comportamiento elástico lineal, tendremos: .----.-,¡

Módulo de resiliencia: area triángulo OAB

fr

li

ti

li

MR=

base x altura

2

l1

li t" ii

li

Base OB =

t. =o' E

Altura AB

:

o

, -) xoy (or) =-=-2E 2E oy

Propiedades mecánicas 21

i'.

Si

tlcahtbr¡ ma-

-.:..^idad de un resorte o de una pelota de golf para desempeñar

-,

--::- -

su

>.::.sl-actoriamente depende de un módulo de resiliencia alto.

Rr-rcro\

DE PorssoN

- -::- :.' ia deformación elástica longitudinal producida por un esfuerzo

:::r : ' :::sión o compresión, con la defotmación lateral que ocuffe simultá- e lateral * - u loneitrdi*l

' -: . De los datos del ejemplo 1, calcule el módulo de elasticidad de la ;-=. ,,1 :: ¡luminiO. --

-

E

---::,

::

se aplica un esfuerzo de 35.000 psi, se produce una deformación

:-.rig pulg. Por tanto: E=

:-: ' -:.¡

:-.:

9 t,

35'ooo lbs/Pu1g2 0.0035 pulg / pulg

= 1ox1o6 psi

1.2 se relacionan las propiedades elásticas de algunos materiales.

Tabla2.2 ::¿des elásticas y temperaturas de fusión (Tf) de algunos materiales

tt¡r*::rl JZt 660 1.538

3.410

2.020

i:-i:- - : l:

x 106 x 106 30,0 x 106 59,2 x 106 55,0 x 106 44,0 x 106 2,0

13,8

0,45

10,0

69,0

o?q

206,9

o)1

408,3

0,28

379,3

0,26

303,4

0,24

= Temperatura de fusión.

I

22

Fundamentos del análisis de falla

Ducru-mRo La ductilidad mide el grado de deformación en el punto de ruptura. Se puede medir la distancia entre marcas en una probeta antes y después del ensayo. El porcentaje de elongación representa la distancia que la probeta se alarga pliísticamente antes de la fractura.

'uxl00 oAElongación= t"I - l^ lo

Donde

l,

es la distancia entre marcas después de la ruptura del material.

Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área de la sección transversal en el punto de fractura, antes y después del ensayo. Elporcentaje de reducción de área expresa la constricción plástica del material durante la prueba. % Reducción de Área =

Ao

-A' ,loo

Ao

Donde A, es el área de la sección transversal en la ruptura.

La ductilidad es importante tanto para los diseñadores como para los fabricantes. El diseñador de un componente preferirá un material que tenga cierta ductilidad, para que si el esfuerzo aplicado resulta muy alto, el componente se deforme antes de romperse. Los fabricantes también prefieren un material dúctil, porque pueden manufacturar formas complejas sin que se rompa durante el proceso de conformación.

Ejemplo: La aleación de aluminio que hemos mencionado como ejemplo para el ensayo de tensión tiene una longitud final entre marcas después de la ruptura de 2,195 pulgadas y un diámetro final de 0,398 pulgadas en la fractura. Calcule la ductilidad del material.

a) Porcentaje de elongación

I _t oáElmq='r: 'o xl00= lo

2,195

-2,000 x100 = 9,75o4

2,000

Propiedades mecánicas 23

-::::-:.rje de reducción de área puede

,?_\

D'o. El

=

t -Ar .{o

x,OO-

(n/4)(0,505)2 -rcl4(0'398)2

r plás-

--i

¡nal. orcen-

xpués plásti-

=3j.9%o

@14)(0,505),

,::-=:-::d t-rnal entre marcas es menor de2,205 pulgadas, debido a que

¡rsr.c! :: -:

tractura el esfuerzo elástico se ha recuperado.

f¡ui-rr-¡

L{

r -::

DE

TEMpERATURA

=-.jes de tensión en muchos metales, aleaciones y materiales orgá-

!¡-:-: -::::,

-: ásticos dependen de la temperafJra,

z - - t;ii-: =,eación

como se observa en la figu-

de aluminio.

:, :;:--:2.-r de fluencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticila: -,:-.:--\en a alta temperatura. Por 1o general, la ductilidad del material ,----- :ier arse la temperatura. Los fabricantes aprovechan la mayor duc-

'. E:.:¡: . .--. :emperatura para deformar el material en operaciones de confor-,.- :: :a'iente, lo cual se denominatrabajo en caliente porque requieren 3lr.rf i ¡abri-

==:;efZOS.

eerta

{e

se

¡erial

áa

¡

6

60- §

o 30.000

du-

C

c 20.000 o

40R

É.

zoú

o c

a 'ó o

=plo

o

10.000

¡e la f,L'tllTemperatura (oC) a)

F-r

(b)

l-9 :iicto de la temperatura a) en la curva esfuerzo-deformación y b) sobre las :r-.. =¿iies a tensión de una aleación de aluminio 3004 - Hl8. Referencia 1.

24

Fundamentos del análisis de

falla

ENS,tyo DE FLExIÓN PARA MATERIALES FRÁGILES En los materiales dúctiles, la curva esfuerzo - deformación de ingeniería generalmente pasa por un valor máximo que es la resistencia ala tensión del material. La falla sucede a un esfuerzo menor después de que ha ocurrido la estricción de la probeta y se ha reducido el área de la sección transversal que soporta

la

carga. En materiales con poca ductilidad la falla ocurre a

la

carga

máxima, donde la resistencia ala tensión y la resistencia ala ruptura son las mismas. En materiales muy frágiles, entre éstos muchos cerámicos, la resistencia a la fluencia, la resistencia ala tensión y la resistencia ala rotura tienen el mismo valor (figura2.l0).

Ductílidad moderada

N

(¡) f

a

uJ

Deformación

Figura 2.10 Comportamiento mecánico en el ensayo de tensión de materiales frágiles, en comparación con metales más dúctiles. Referencia

1.

En muchos materiales muy frágiles no se puede efectuar con facilidad el ensayo de tensión debido a la presencia de defectos en la superficie. puede ocurrir que al colocar el material frágil entre las mordazas de la máquina de tensión, éste se rompa. Este tipo de materiales se pueden probar utilizando el ensayo de flexión. En la figura 2.11 se muestran esquemáticamente la probeta 1' la aplicación de la carga. Al aplicar la cargaen tres puntos para causar la flexión. actúa una fuerza que provoca tensión sobre la superficie opuesta al punto medio

La fractura se iniciará en este punto. La resistencia a módulo de ruptura describe la resistencia del material. de la probeta.

la

flexión

o

illI

Propiedades mecánicas 25

:

áei

ir-¡ la

que arga ., t-_l\

'SIS-

-

rtLll

j

j.'

-:r :i.

r Lr

''i

de flexión utilizado para medir la resistencia de materiales

,.ro

6 obtenida durante ia nexi¿nae

l;;;;;"r.

FLEXróN o MóDULo DE RUpTURA

:

Referencia

1.

Fl, ;:3

¿w h' --:zi -rplicadaparuproducir la ruptura, z la distancia entre r,,'. .. ,r es el ancho de la probetay h es su altura. . :: .¿ prueba de flexión son similares

-

a las curvas esfuerzo _ esfilerzo se traza en función de deflexiones en la deformación (figura 2.1».

;::bargo, -:. ie

o

+=D-¡

- --

los

e1

oos o.o1o 0.015 a.oro

á.oru

- -:-. .: esluerzo de fl^exión para el MgO, obtenid a a partir de un ensayo de flexión. Referencia

l.

26

Fundamentos del análisis de falla

El módulo de elasticidad ala flexión, o módulo región elástica de la figura 2.12.

Móour,o

de

flexión,

se calcula

e:

¡

FL3

DE

' FLE'IoN:4*h'6

Donde 6 es la deflexión de la viga al aplicarle una fuerza F. Debido a que durante la aplicación de una fuerza de compresión las fis y los defectos en la superficie tienden a mantenerse cerrados, los materi frágiles se diseñan de modo que sobre el componente actuen solamente

es-

fuerzos de compresión. Por estarazónlos materiales frágiles exhiben resisr+ cias a la compresión mucho mayores que a la tensión. Esta situación se mue¡.

tra a continuación (tabla2.3).

Tabla2.3 Comparación de la resistencia ala tensión, a la compresión y a la flexión de materiales cerámicos y compuestos seleccionados

Material Poliéster 50% fibras de vidrio Poliéster 50% tejido de fibra de

Resistencia

Resistencia a

Resistench

tensión

la compresión

a la

a la

vidrio

flexiri

(psi)

(psi)

23.000

32.000

45.000 46.000

37.000

27.000 *

AIrO, (99% puro)

30.000

37s.000

50.000

SiC (sinterizado sin presión)

25.000

s60.000

80.000

* Algunos materiales compuestos son bastante deficientes

Emupro

a la compresión. Referencia 1.

LUSTRATTvo

La resistencia ala flexión de un material compuesto reforzado con frbras ,jc vidrio es de 45.000 psi y el módulo de flexión es de 1g x 106 psi. una mues¡r que tiene 0,5 pulgadas de ancho, 0,375 de altura y ocho pulgadas de longinx está apoyada sobre dos varillas separadas entre sí cinco pulgadas. Determir

Propiedadesmecánicas 27

rla

*Tr

Fquerida para fracturar el material y b) La deflexión de la ññ.aiLr de la fractura. Suponga que no hay deformación plástica. Lr ,#scripción de la muestra w: 0,5 pulgadas, h: 0,375 pul-

=

= -¡ F:igadas, aplicamos:

;¡

a ia t'lexión = 45.000

lrͧ

F_

rles

45.000 106,7

3FL^

= 2wh2

=

(3XFX5) (2X0,5X0,375)'?

= 422libras

esteD-

¡es-

aú=¡¡c' -

E¡in

calcula por:

ie t'lerión = r 8x ro"

6:

=

rfr,6

=

(422)6)3 (4X0,5X0,375)'z 6

0,0278 pulgadas

üa

rTD.{DERO vS. DEFORMACIÓN

VERDADERA

cl¡ I)N

)

de ingeniería se utiliza siempre el área original. Sin embargo, ¡¿:üadero hay que tener en cuenta eláreainstantánea,la cual es

h l*brmación

lateral en el diámetro de la sección transversal; a se modifica continuamente al aumentar la carga.

)

e. esfuerzo verdadero y la deformación verdadera por las

) )

F

o, =oi =-

A

.. =:i+ = 1, (1r /lo) = l, (Ao /Ar) sde sEa

itud Line:

rigura se comparan las curvas o - r de ingeniería y o'- e E cgr.mzo verdadero seguirá incrementándose después de la cons-

-Ee

nto), porque aun cuando la carga requerida se reduce, el :crür ia más (figura 2.13).

28

Fundamentos del análisis defalla

o N

o f o

l,tJ

Deformación

Figura 2.13 Relación entre el diagrama

de esfuerzo real -

deformación real y el diagrama esfuerzo - deformación ingenieril. Referencia 1.

El comportamiento mecánico verdadero en el ensayo de tensión

se

utiliza

en los procesos de manufactura, en los cuales el material se deforma plásticamente. Cuando Se excede la resistencia ala fluencia, el material se deforma.

El componente ha fallado polque ya no tiene la forma original. Además, sólo después de que se inicia el adelgazamiento se desarrolla una diferencia significativa entre ambas curvas. Fn este punto el componente está muy deformado y no satisface las condiciones de utilización requeridas.

Dunnzl La dt¡rezase define como la resistencia

de un material alapenetración. Se han

desarrollado varios métodos para ensayar la d'ueza, pero los más comunes y los más utilizados en las especif,rcaciones de materiales son el método Brinell,

el método Vickers y el método Rockwell, ENsevo DE DUREZA BnrNBrl

(B[IN)

La probeta se coloca en una prensa con la superficie superior plana y paralela a la superficie inferior, y se presiona con una esfera de acero endurecido o de carburo de tungsteno.

Propiedadesmecánicas 29

E ürsr de -§00 kilogramcs (para materiales blandos, como alu_ F r o & i.000 kilogramos (para materiales duros, como ace_ r plie-a por un tiempo de 30 segundos, al cabo de los cuales se Iee el diámetro de la huella producida con un microscopio El número de dureza Brinell se calcula con la siguiente

!t ir .'rsa h hslla

aplicada, D el diámetro de la bola de penetración y timpresión) en milímetros.

-E§ rh

ha encontrado una correlación entre ¡ensión en psi:

del

la durezaBrinell y

RT:5OO NDB

[:

csñencia a la tensión

t-u=s i

en psi y

NDB

es el número de sureza

I\TIN)

nlentador

pirámide de diamante de base cuadrada,ra ct.lDIrE la probeta con cargas desde t hasta 50 kilogramos, de i¡ dureza del material (las cargas menores se utilizan para

r¡¡aqc

es una

1 las altas para los más duros). se obtiene una impresión

¡tiagonales se miden con un microscopio.

larx¡:u ci .t c

me¡odo Rockwell es que ra dureza se ree en una escala o una pantalla de cristal líquido. En este método se utilizan dos : un cono de diamante de 120o llamado Brale y una bola de l/16 pulgadas de diámeho. El operario acciona primero presiona el indentador una pequeña distancia.

30

Fundamentos del analisis defalla

Esto se conoce como la precarga o aargamenor (3 kilogramos). En seguida se aplica la cargamayor, la cual depende de la escala Rockwell que se emplee y que puede ser, en el ensayo estándar, de 60, 100 o 150 kilogramos. Luego, con la misma pa\anca, se retira

la

y

catga mayor

Se

lee el número de dureza

Rockwell, el cual es la diferencia de dos indentaciones (la de la carga menor y la de la carga mayor). A continuación se resumen los tres pfocedimientos principales de ensayo de dureza (figura 2.14). En la figura 2.15 se muestla un equipo para determinación de dureza Rockwell y en la 2.16,un equipo para detelminación de microdureza. Forma de penetrac¡ón Penetrador

V¡sta en Planta

V¡sta lateral

Fórmula para el índice de dureza

Carga

Esfera de '10 mm de acero o carburo de wolfmmio

P¡rámide de d¡amante

------Gtr D

v--_\

-

1360

..._

dl a/)

.T

{qÜy-

d1

VHN

(D

- rlD'-d'

= ", ;'

di

lvl¡crodureza Pirám¡dede de

Knoop

diamante

xu*

ttb=7,1.t b/t = 4.00

t

1

cono de diamante

oJ

1 ti

Esfera de acero de 1/16 pulg. de diámetro

el I

Esfera de acero de tl8 pulg. de diámetro

B

I

E+o -'.., Q

J

60kgR^= 150 kg R6 = 100 kg R¡ =

100kgng= 60kgRp= 150kgR6=

t

Figura 2.14 Ensayos de dureza. Referencia

L

3.

=

14;2 P

t-

)

Propiedades mecán¡cas 3l

t

s

-c t

"'lngp

t -

(t '.*

"¿

,

Figura 2.15 Equipo para determinación m

icrodureza. ReFerencia 7.

¿

L,¡¡kii ell. Referencia

9.

de

3:

Fundamentos del análisis defalla

Las determinaciones de dureza se utilizan principalmente para confronir especificaciones de materiales paru la manufactura y el tratamiento térmi,.-rpara el control de calidad

y para efectuar correlaciones con otras propiedacis

de materiales.

Los métodos son baratos, consumen poco tiempo y por estarazón se rt_i& ampliamente en la manufactura y en el laboratorio.

La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que ic ttiliza para fragmentar o moler mineral debe ser muy duro para resistir -J desgaste. Otro ejemplo son los dientes de los piñones de la caja de transmr

sión de un automotor, que deberán ser lo suficientemente duros para que

D§

se desgasten.

Por 1o general se encuentra que los polímeros son blandos, los metales

wa

.Je

dureza intermedia y los cerámicos muy duros.

Ensayo de impacto Cuando un metal se somete a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidal de aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tencr

un comportamiento más frágil si se compara con el que se observa en el en-r* yo de tensión. Se utiliza entonces el ensayo de impacto para evaluar la fragl. dad de un material en estas condiciones. Se han diseñado varios procedimientos, entre los cuales los más comun

¡

son el de Charpy y el de Izod. Ett la figura 2.17 se muestra esquemáticamerrE

el péndulo y las probetas de estos dos ensayos.

El ensayo de Charpy se utiliza para materiales metálicos y el de Izod

=

emplea para materiales no metálicos, generalmente. La probeta puede tener o no, pero la que sí la tiene mide mejor la resistencia del material ala propa_sl-

ción de las grietas. Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde altura ho, describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llege r una altura hn menor. Si se conocen las alturas inicial

y final del péndulo. =

puede calcular la diferencia en energía potencial. Esta diferencia es la energfl

de impacto requerida para romper el material de la probeta.

Proptedades mecánicas 33

)ntar nico. ades

t§an .e se

ir

el

imi-

lno sde

dad

probetas típicas. Referencia t.

ffi

ner ls¿I-

:ili-

ryo

Jl

/

nes

nIe

Charpy la energía se expresa generalmente en libras pie (lbs. pie) i-a conversión de estas unidades es I libra.pie: 1.356 J. i &l ensayo Izod se expresan en libras.pie pulgada,o en J / m. de un materialpararesistir cargas a. irnpuato se conoce

2:

¡"¿lerial.

como

SC

ro

,IT.\IDAS A PARTIR DEL ENSAYO DE IMPACTO

lana

la

= na

de transición

E I I! -

presenta el comportamiento de tenacidad de un porímero la temperatura. Se observa una temperatura de transi_

I--: ¡ambia el comportamiento de dúctil a frágil. =-::,de definirse como la remperatura

promedio enrre rl,re las Tld: 1 rágil. un material sometido a cargas de impacto durante su =T deberá tener una temperatura de transición -TLT por debajo de ra E.t

rñr-¡

-n-icio.

34

Fundamentos del análisis defalla

s c

eoo

(:)

(ú

o-

tr '= (t, (ú

600

'o C o

4o

3oo

É.

Figura 2.18 Resultado de una serie de ensayos de impacto Izod para un polímero termoplástico de nylon supertenaz. Referencia

l.

No todos los materiales tienen una temperatura de transición bien definida. como se muestra en la figura 2.19. Los materiales BCC tienen temperatura de transición, pero la mayor parte de los FCC no la tienen. Los metales FCC absorben valores altos de energía durante las pruebas de impacto, la cual disminuye gradualmente e incluso a veces se aumenta al disminuir la temperatura.

.o

+

-o

=obu

p §

Figura 2.19 Resultados

€N .o o o

c

r.rJ

de

pruebas Charpy con muesca en V para un acero al carbo no CC y para un acero inoxi-

tt

dable CCC. La estructura

20

cristalina CCC generalmente absorbe más energía y no tiene temperatura de transicióo Temperatura (oF)

dúctil - frágil..Referencia l.

Propiedades mecánicas 35

a las muescas cansadas por

un mecanizado, una manufacfura o un diseño de_ como concentradores de esfuerzos y reducen la tenacidad de -¡ñ¡n I-a sensibilidad a las muescas de un material puede evaluarse bs energías absorbidas por las probetas con muescas y sin ellas,

merial

es sensible a las muescas, la tenacidad baja mucho respec-

srn muescas.

oo el diagrama esfuerzo - deformación rcrluerida para romper un material está relacionada con el área en verdadero vs. deformación verdadera (fi gura 2.20). Algunos resistencia y ductilidad altas tienen buena tenacidad, pero

no así

cerámicos y muchos compuestos, a pesar de su alta resistencia.

órctilidad.

(E (¡,

o N c)

= ¡t UJ

Deformación real

Fgura 2.20 El

de muesca

área debajo de la curva esfuerzo real _ deformación real está relacionada con la energía de impacto. Apesar de que el material B tiene un límite inferior, absorbe más energía que el material A. Referencia

l.

carbo-

inoxi-

fa

E L{S PROPIEDADES DE IMPACTO absorbida

y la temperatura de transición son muy sensibles a las

de carga. Por ejemplo, al aplicar

u na

cargaráprdamente a la muestra

h energía absorbida y se increm entaratemperatura

& Ias muestras afecta también los resultados

de transición.

El

debido a que es más

36

Fundamentos del análisis defalla

dificil que

se deforme un material con mayor espesor,

lo cual requiere ener-

gías más pequeñas para romperlas. Finalmente, la configuración de las muescas

afecta el comportamiento, ya que una grieta en la superficie permite la absor-

ción de menos energía que una muesca en V en el material" Como es muy dificil controlar todas estas condiciones, el ensayo de impacto se utiliza más para comparación y selección de materiales que para el diseño directamente.

MncÁNrcr

DE LA FRACTURA

Cuando los ingenieros diseñaron y construyeron componentes con materiales

dúctiles con esfuerzos por debajo del límite elástico, hubo pocas fallas. Pero cuando utilizaron materiales de alta resistencia y poca ductilidad, tales como las aleaciones de aluminio endurecibles por precipitación, se presentaron mu-

y su tecnología asociada, que se denominó la mecánica de la fractura, disciplina que estudia el comportamiento de un material con fisuras y otros defectos pequeños. Todos chas fallas. Se desarrolló entonces una nueva ciencia,

los materiales, en mayor o en menor grado, tienen algunos defectos. Lo que se desea saber es el esfuerzo máximo que puede soportar un material que contie-

ne defectos de determinado tamaño y geometría.

TsNecmao A LA

FRACTURA

Mide la capacidad de un material que contiene un defecto para resistir

en

A diferencia de los resultados del ensayo de imaIa fracíra es una propiedad cuantitativa del material.

tensión una carga aplicada. pacto, la tenacidad

Un ensayo típico de tenacidad ala fractura se realiza aplicando un esfuerzo de tensión a una probeta preparada con un defecto de tamaño y geometría conocidos (fig,ara 2.2Ia). El esfuerzo aplicado al material se intensifica por la presencia del defecto (figura 2.21b)). Para un ensayo simple, el factor de in-

tensificación del esfuerzo es:

K=f

o$i

t

Propiedades mecánicas 37

n y

ftctor geométrico que depende de la probeta y de la grieta, o

h pn una grieta interna)" Cuando se supone que la probeta * *infinito",f :1,0.

'en im-

lllrca

de aleación metálica bajo tensión uniaxial: a) con una grieta en arista grit*a en el centro 2a. c) Distribución de tensión respecto a la distancia del

& :la in-

d

la grieta. La tensión es máxima en el extremo de la grieta. Referencia 3.

ensayo se determina el valor de

ih

de la grieta

a la fractura

K":

y

K que causa el crecimiento o la la falla. Este esfuerzo crítico se define como la

Kc :

K requerido para que una grieta se propague.

38

Fundamentos del análisis de falla

La tenacidad a la fractura depende del espesor (e) de la probeta. A medida que se incrementa ei espesor, la tenacidad a la fractura K. disminuye hasta un valol constante (figura 2.22). Esta constante se conoce como tenacidad a la como profractura en deformación plana \.. Generalmente \. se reporta piedad de un material. El valor de K,. se compara con la resistencia a la fluencia para varios materiales (tabla 2.4).

llo lo

>

I

tso

o

:¿

K.

de un acero con esfuerzo de cedencia de 300.000 psi se reduce al incrementar el espesor, hasta alcanzar el valor de la tenacidad a la fractura en deformación plana K,.'

Figura 2.22 La tenacidad

a la fractura

Referencia

l.

Las unidades para la tenacidad a la fractura son: Ksi MPa

.,ñ

6"t*

= 1,0989

'

rf

lda T€aacidad a la fracrura

'ull

lla

".

o"a*::?u';f,uru q"

Materiat

loi.

de algunos mareriales

Tenacidad

Resistencia

a Ia fractura

a la fluencia

psi{pu

pra

Al-Cu -6yo

N-4%V

"ürc¡o Ni

-

Cr

ilnp" de mayor tenacidad por transformación

-

Metacrilato

Hiz¡bonato

(psi)

22.000

66.000

33.000

47.900

50.000

130.000

90.000

125.000

45.800

238.000

80.000

206.000

1.600

30.000

10.000

60.000

900

4.000

3.000

8.400

1.

r,a capacidad que tiene un material para resistir el crecimiento de una grie_

depende de varios factores:

I'

Los defectos más grandes reducen el esfuerzo permisible. se emplean técnicas especiales de manufactura, como retener impurezas filhando los metales líquidos y la compresión en caliente para producir componentes cerámicos, con miras a reducir el tamaño de ros defectos y mejorar la tenacidad a la fuactura. 2- La capacidad de deformación de un material es crítica. En ros metales dúctiles el material enlaraizde la grieta se puede deformar, redondean_ do la raíz de la grieta y reduciendo el factor de intensidad der esfuerzo, e impidiendo el crecimiento de la grieta. Al aumentar la resistencia de un material determinado, por lo general se disminuye la ductilidad y se reduce la tenacidad a la fractura (tabla 2.4). Los materiales frágiles, como los cerámicos y muchos polímeros, tienen tenacidad a la fracfura menor que los metales.

3'

Materiales más gruesos y más rígidos tienen una tenacid menor que los delgados.

ad,

alafractura

...-",dilillllll

r

40

Fundamentos del análisis de falla

4.

Al aumentar la velocidad de aplicación de la carga, como un ensayo de impacto, se reduce por

10 general la

en el caso de

tenacidad a la fractura

del material. aumentar la temperatura, norrnalmente se incrementa la tenacidad a la fractura, similar a 1o que ocuffe en el ensayo de impacto' 6. Por lo regular, una estructura de granos pequeños mejom la tenacidad a la fractura. Por ejemplo, un cerámico de grano fino puede tener mayor 5.

Al

resistencia al crecimiento de grietas.

IupoRTRNCIA DE LA MECÁNICA DE LA FRACTURA

La mecánica de la fractura permite diseñar y seleccionar materiales y, al mismo tiempo, tomar en consideración la presencia de defectos. Se deben considerar tres variables:

1. La propiedad del material (K. o K,.) 2. El esfuerzo o que debe resistir el material. 3. El tamaño de los defectos a Si se conocen dos de estas tres variables, se puede determinar la tercera.

SBlBcclóN DE uN MATERIAL Si se conoce el tamaño máximo a de los defectos en el material y la magnitud del esfuerzo aplicado, se puede seleccionar un material que tenga una tenacidad K. o K,. a la fractura, 1o suficientemente grande para que impida que ei defecto se propague.

DrsBño DE LIN coMPoNENTE

Si se conoce el tamaño máximo de los defectos y ya se ha seleccionado el material (y por tanto K" o K,"), se puede calcular el esfuerzo máximo qw puede soportar el componente. Con esta base se puede diseñar el tamaño aprc'

piado de lapieza,para asegurarse de que no exceda el esfuerzo máximo.

rI

Propiedades mecánicas

rde

ilra

-,::\O DE LIN METODO DE MANUFACTURA O DE ENSAYO : =. naterial ya se ha seleccionado, se conoce el esfuerzo :.-:=lnado

¡da ada ryor

onsi-

aplicado y está

el tamaño del componente, se puede calcular el tamaño máximo

de los defectos. Una técnica de ensayo no destructivo que detecte

-:-srble ; : :-.3r defecto mayor de este tamaño crítico puede ayudar a asegurarse de ¡i.tr -: rieza funcionatá con seguridad. Además, al seleccionar el proceso de :.:-- --.-rura coffecto, se puede lograr que los defectos resulten más pequeños r É .- -.naño crítico.

=E..,:_ m1s-

4l

--:

-

ILUSTRATIVO

: . ::\anente estructural de chapa para un diseño de ingeniería debe sopor-

= I \!Pa a la tensión. Si se utiliza una aleación de aluminio 2024 - T851 E -- =rlicación, ¿cuál es el mayor tamaño de una grieta intema que este E=rr:- :-ede soportar? (suponga y : 1).

\

= .. o:

J*

K,. parala

aleación de aluminio

- r {K,. I o,)',: (t I n) (26,4 l/Ipa Jn t

,-.

:26,4

207

MPa Jm

MPa):

0,00518 m

1::,-'. el tamaño de la grieta interna que la chapa puede soportar

es:

yritud

2a:

enaci-

2 (5.18 mm)

:

10.36 mm

que el

¡.' Df, F.{TIGA

-- :-'Íponente está sometido a la aplicación de una carga cíclica . . ::sistencía ala fluencia, puede presentar ruptura por fatiga. El

rado el

Jtr puede ocurrir como resultado de:

no que 0 apro-

i

i;-

:.

[o.

-:.ai

il'

42

Fundamentos del análisis de

falla

Aun cuando el esfuerzo esté por debajo del límite de fluencia, el compo' nente puede fallar después de un número de ciclos determinado. Lafalla por fatiga ocurre en tres etapas, generalmente: 1. Primero se inicia una grieta muy pequeña en la superficie del compo' nente, un tiempo después de haberse aplicado la carga cíclica. 2. A continuación la grieta se propaga gradualmente, conforme la carga continúa altemando.

3. Finalmente, cuando ya no hay suficiente metal sano para soportar la carga, ocuffe la ruptura súbita del componente.

La apariencia de la segunda etapa es la de una superficie pulida con marcas de playa (Beach marks), mientras que la tercera etapa ocurre en forma de fractura rugosa. Estas características se pueden observar en la figura 2.23, ex la cual se muestran con una flecha la iniciación de la grieta, la zona de propagación y la zona de ruptura final.

Figura 2.23Un eje grande de acero de medio contenido de carbono, que muestra la fractura por fatiga a través de la mayor parte de la sección transversal antes de la fractura final. Referencia 10.

iI

Propiedadesmecánicas 43

npo-

:

.

--

.

3rios métodos para ensayar la fatiga. En las figuras 2.24 y 2.25 se

=s: lemáticamente el ensayo de viga rotatoria en voladizo

-

y el ensa-

-:Jrina de Moore.

mpocarga

tar la

larcas

na de

li,

Carga

en

Propa-

§r

: . - :¡

1.2J Ensayo de fatiga de viga en voladizo rotatoria. Referencia

-: i l5

--,

:.

1

.,srama esquemático de una máquina de fatiga de flexión alternada de :. sesún H.W. Hayden, W.G. Moffaatt y J. Wúff, The Structure and P¡'operties of Materials, vol. I[, Wiley, I 965, p. 15).

>:. , de la viga rotatoria en voladizo, uno de los extremos de la -::.,-a mecanizada se sujeta al eje del motor, en tanto que en el -:lrrr Se suspende un peso. Inicialmente la probeta tiene una fietza -

-.: :ctú& sobre la superflcie superior, mientras que la superf,cie

44

Fundamentos del análisis de falla

inferior está sometida a compresión. Cuando la probeta gira 90o, los puntos que originalmente se hallaban bajo tensión y compresión no están sujetos a ningún esfuerzo. Después de una revolución de 180o, el material originalmente bajo tensión está ahora bajo compresión y el de compresión pasa a tensión. completándose un ciclo sinusoidal desde un esfuerzo máximo a tensión hasta un esfuerzo máximo de compresión.

El esfuerzo máximo en este tipo de probeta

está dado por:

32LF 7[ d3

Donde Z es la longitud de la barra, F la carga y d el diámetro. Después de un número suficiente de ciclos, la probeta puede fallar. Gene-

ralmente se prueba una serie de muestras a diferentes esfuerzos y se cuenta

e.

número de ciclos de falla con un contador. Los resultados se presentar graficando el esfuerzo en función del número de ciclos parula falla.

Rpsulr¿»os

DEL ENSAYo DE FATIGA

En la figura 2.26 se muestran dos curvas S * N (esfuerzo para un acero y paraDna aleación de aluminio. 120

:a

- número de ciclos,

100,000 ciclos de duración a la fatiga a un esfuezo aplicado de 90,000 psi.

IUU

Y

;80 E

Límite de resistencia a la fatiga = 60,000 psi

(E

.o

E60 o N

,:a {1)

40

uJ

106

Número de ciclos

Figura 2.26 Cuwas esfuerzo - número de ciclos parala falla de un acero grado herramienta y una aleación de aluminio. Referencia L

I

Propiedades mecánicas 45

mtos

ros a

: .--.. de fatiga indica el tiempo o número de ciclos que resistiráuna - 1-- - -::ga máxima permisible que se puede aplicar para prevenir la falla

ren-

--_Ll.

:

sión, ta

un

¡beta

:': --.rZi límite de fatiga, deflnido

como el esfuerzo por debajo del cual

: - r: --. ::¡,b,abilidad de 50% de que ocurrirá la falla por fatiga, es el criterio E - -:i ::¡ñrido. Para evitar que falle una pieza de acero grado para herra-

-

r'-

j--

- --

-: -

por = tl-qura 2.25,se debe asegurar que el esfuerzo aplicado esté rt,)()

psi.

-. :: f'atiga indica cuánto resiste un componente a un esfuerzo en a-.-- -- ? : ejemplo, si el grado de acero parahenamienta se somete en : .1 un esfuerzo de 90.000 psi, la vida de fatiga será de 100.000 Jenenta el

entan

iclos)

.tencia alafatiga es el esfuerzo máximo con el cual no ocurirá -- :- -- r.-rrrero particular de ciclos, como 500.000.000. -* -:- : ::-.-i3 ala fatiga es necesaria a[ diseñar con materiales como el ,¿-- s polímeros, porque éstos no tienen límite de fatiga.

:- -.-- : materiales, como los aceros, por ejemplo, el esfuerzo límite --- - - : r ,r t'atiga (límite de fatiga) es aproximadamente la mitad de su = :- - - : : Iensión. La relación se conoce como relación de fatiga. L:lación de fatiga =

-- -: :- aE_-;-

Límite de fatiga Resistencia a la tensión

=

0r5

de fatiga permite estimar las propiedades de fatiga a partir del

-= .:i.gzr son particularmente sensibles a los siguientes factores: - --r::.r.üiones de esfuerzo debido a radios de filetes, muescas o

I t -= ) ::d superficial, 1o cual indica que los resultados dependen del : -- r.canizado utilizado. : --::r,s residuales en la superficie. -

- - -:ies ambientales, tales como fatiga y corrosión simultáneas. -

i

-l¡d.

46

Fundamentos del análisis de falla

En los cerámicos, particularmente en ciertos vidrios y óxidos, oculTe un fenómeno conocido como fatiga estática. Estos materiales y algunas aleaciones de alta resistencia pueden resistir \na carga estática alta por un período largo de tiempo y luego fallan súbitamente. Dicha clase de falla no ocurre en presencia de aire seco o en vacío, porque está relacionada con una reacción química entre el agua de la atmósfera y la superficie sometida a altos esfuerzos.

E.lnvplo [usrRATIVo Una barra de polímero acetálico de 2 cm de diámetro y 20 cm de longitud

se

carga en un extremo y se espera que sobreviva 106 ciclos de carga con esfuerzos iguales de tensión y de compresión durante su vida

útil de servicio. ¿Cua1

es la máxima carga que se puede aplicar?

De la gráf,ca de esfuerzo

-

número de ciclos experimental de la frgura2,2-

para el poliacetal, encontramos que la resistencia alafatiga debe ser 22MPz para que elpolímero sobreviva 106 ciclos (1.000.000 de ciclos).

l l

(E

o-

o N

40

o)

lI

= a

o

6

30

I' g= q-

E

20

104

105

ioo

107

Ciclo para la falla

Figura 2,27 Curva amplitud de esfuerzo - número de ciclos por falla por fatigapara un polímero acetal. Referencia

1.

L

Propiedadesmecánicas 47

un io-

O=RF=

ls--=ros

LF

---=

d'

F y tendremos:

, = IYlg'_ 10,18

=

LF

*T)'

= rl? Yf?lÍ?o (10,18)(200 mm)

= 86,4 N

fs¡.ro DL cREEp o FLUENCIA LENTA (--¡: - :plica un esfuerzo a un metal o a un cerámico a alta temperatutl- ? -.:-.::al

2.27

MPa

puede elongarse y finalmente fallar por ruptura, aun cuando

G =i:-- aplicado esté por debajo del límite de fluencia del material. A e -: ::::::ción lenta y progresiva que ocurre con el tiempo con esfuerzo

! Etrt-:j:a constantes se la conoce con el nombre de creep o fluencia *'' :; rateriales poliméricos pueden presentat creep a temperatura

-r<:: l =:::minar las características del creep, se aplica un esfuerzo constanG I ;r:: --.':eta del material a la temperatura de interés (en un hormo) y se :e:¡:rnación del material en función del tiempo. Al principio del en-E ¿ :,:-::3re una elástica g0 que depende del esfuerzo aplicado -r:E -:,:ü--.', elásticodeformación del material a esa temperatura. ! - x : -5 :emperaturas permiten que los defectos o imperfecciones de lín- li=:t s dislocaciones en el metal, escalen en un proceso en que los Ln'5 - :ueven por difusión, causando el movimiento de las dislocaciones 3 rn: :-:=¡;ión perpendicular al plano de deslizamiento y produciendo de- wt¡.-,-¡ :: el COmpOnente. 1 i. :-.:'rras 2.28 y 2.29 se muestran las tres etapas del proceso de creep ta ¡si-*s Lr escalonamiento de las dislocaciones para producir la deformat-amente. -ea:rr

48

Fundamentos del análisis de falla

Esfueao nominal constante Temperatura constante C

'o 'o (§

E

o o)

o

Ae _

At

to = deformación elástica

I

'rimertj. etapa- i

-

Rapidez de la fluencia lenta

Segunda etapa (estado estable)

+

Tiempo de ruptura

Tiempo

Figura 2.28 Cuwa típica de creep o fluencia lenta mostrando la deformación producida en función del tiempo para un esfuerzo y una temperatura constantes. Referencia 1.

ifli i

r'f ii L\t: { { I I l I tr/ I I ,l (,g rt\r {

J,LI\!

(

(a)

(b)

Figura 2.29 Las dislocaciones pueden ascender y alejarse de los obstáculos, cuando

lc

átomos se apartan de la línea de dislocación para crear intersticios o para llenar vacancias: a) cuando los átomos se flrjan alalinea de dislocación creando vacancias c

b) eliminando intersticios. Referencia

l.

En la primera etapa del creep en los metales, muchas dislocaciones escalas y ocurre deslizamiento, todo 1o cual contribuye a la deformación decrecienr¿ En la segunda etapa del creep, la rapidez a la cual escalan las dislocacions

iguala a la rapidez que bloquea el movimiento de las dislocaciones por otr= imperfecciones y el creep se vuelve estable, situación que se representa FT

t

Propiedadesmecánicas 49

Lra :a-ta. La pendiente de esta porción del creep constante L ¡el:r-rüd o rapidez de la fluencia. Velocidad o rapidezde Creep =

L''re

o secundario

§

la tercera etapa principia la constricción, el esfuerzo se incrementa

tr¡¡¡=?

=

deforma a una rapidez acelerada, hasta que ocuffe la ruptura

El tiempo para que esto ocuffa es el tiempo de ruptura. Un es-

-':¡¡1c¡s alto o una mayor temperatura reducen el tiempo de ruptura (t.), la rapidez del creep. E¡ brnateriales cerámicos cristalinos son importantes otros factores, como de los límites de los granos y la nucleación de microgrietas.

L -ñís

o bordes de los granos está presente a menudo un material no - s decir vidrioso, y esto contribuye a la deformación del creep con Por la misma razón, el creep ocurre más rápido en vidrios -sdez. r en polímeros amorfos. _

*STR{TIVO

iu§lar el uso de las gráficas del ensayo de creep o fluencia

lenta en eI

5e .-omponentes a alta temperatura, se propone calcular el diámetro +.e debe tener una barra de una aleación de hierro, cromo y níquel :-!En§'r una carga de 1.500 libras a

760'C durante

seis años de servicio.

t¿ 5¡fta de esfuerzo vs. tiempo de ruptura se ilustra en la figura 2.30 para t 'Ttraruras, entre ellas la de 760 "C que se usará en el cálculo del propuesto.

fu

:niiizar la gráfica, calculamos la vida de servicio del componente en

E e h otras

serr icio

==a

sr

:

(6 años) (365 días laflo) (24 horas /día)

:

52.560 horas

r ida de servicio, encontramos que el esfuerzo debe ser menor de

Entonces:

50

Fundamentos del análisis defalla

20.000 10.000 O.UUU

áa

o_

o N 0)

4.000 3.000 2.000

f

(t

u

1.000 600 400 300

204 100

1

.000

10.000

100.000

Tiempo de ruptura (h)

Figura 2.30 Resultados de una serie de ensayos de fluencia lentaa diferentes temperaturas: curvas de esfuerzo - tiempo de ruptura para una aleación de hierro, cromo y níquel. Referencia 1.

FF ^-- A nd' 4

frd2 _

F

4A

-1 jTd'-d2= d

=

4F -xfi('

4F A

y d- @t\(F /o) = o,szpulgadas

Propiedades mecánicas 51

b¡¡rcrrs -:,-

-:> :

Editores.

'.-: --,: . de ingeniería y sus aplicaciones, 3" ed., Flinn-Trojan, McGraw Hill i..,r, -^ : -'-i-' =':it)s de la ciencia e ingeniería de materiales, 3u ed,., william F. Smith, -

-

- -'-'::.r Hill. --: -.

-

: t : a

t

I

:cience and engineering an introducÍion,

4th

ed.,

william D. callister,

l-=::.:e Hall. z . --,'.--¡i Testing, vol. 6, 9,h ed., ASM International. -:-: :'..i InStrOn.

-::- i,

Shimatzu.

"-r-: f -i.' Tesfing. Laboratory Text, Carl A. Keyser.

--:.' i- Il-ilson-roclo»el/, Hardness Testers. -'* - :;,:ding How Components Fail, Donald Wulpy, ASM.

F

Introducción a los ensayos no destructivos y a los métodos

a J

de inspección

1-'n l1-'¿ ' -.

§L- .-: i :: G:tr.-:,-=]

\o

Destructivos (ND! por su sigla en inglés) y las técnicas inspección se utilizan para detectar y paruevaluar defectos (irre: discontinuidades) o fugas en sistemas de ingeniería.

lq '' ::=rentes técnicas no destructivas que se usan en la industria, los F-¡'' :tr:3trantes y los ensayos con partículas magnéticas constituyen alreE'' = ' rirad de todas las técnicas no destructivas, los métodos de ultraM tr ' . :adiografía otro tercio y los ensayos con corrientes de Eddy := :: , ,:-,. mientras que los otros métodos constituyen solamente el k:rclo\Es -,! \r'

TMpoRTANTES

----:-'|. -

=

"Ensayo No Destructivo (NDT)" oolnspección e No Deskuctiva --.-'nsideran sinónimos. Ambos se refieren a "procesos,, o procedi-

ni<:--< --:s como la inspección ultrasónica o la radio grafrapara determinar ¡' ----: - ias características de un material, de wapieza o de un conjunto

-'::

.::,.

sin alterar el objeto o sus propiedades.

-i -'s métodos NDT o NDI se usan para encontrar anomalías internas 5=-.-: .: una estructura, sin degradar sus propiedades y sin demeritar sus .c-_= .:-,-as de servicio. --':=::.'" es un término general que se utiliza para significar -rr

-

cualquier imperfección o discontinuidad que contenga un materi al, pieza : r:r. --.:- ensamblado. una imperfección que se haya evaluado como recha3rc ñ :.-'rsidera un "defecto". El análisis cuantitativo de los hallazgos de ar "-- - \DI se realiza para determinar si el material, la pieza o el conjunto

e---r-:=i.

r

54

Fundamenfos del análisis de falla

ensamblado es aceptable para desempeñar su función, a pesar de la presencia de los defectos, se denomina Evaluación No Destructiva (NDE). Con la evaluación NDE, una imperfección se puede clasificar por su tamaño, forma, tipo

y localización, permitiéndole al investigador determinar si la imperfección es o no es aceptable. Los métodos de diseño tolerante se basan en la filosofia que garantice una operación segura en presencia de grietas o de imperfecciones.

Usos DE Los NDT Aunque la detección de defectos se considera generalmente el aspecto principal de los NDT, existen también otras áreas importantes de aplicación para tales métodos. Éstos incluyen detección de fugas, metrología, caracterización

de la estructura o de la microestructura, determinación de la respuesta al es-

fuerzoldeformación, e identiñcación rápida de metales y aleaciones. A continuación una breve descripción de cada una de estas aplicaciones.

DprnccróN Y

EVALUACTóN DE FUGAS

Como muchos objetos se someten a presión, la determinación no destructir-a

de fugas es muy importante. En el área que se conoce como detección no destructiva de fugas se utilizan varias técnicas. Cada técnica tiene un intervalo específico de aplicaciones y la técnica particular parala detección de fugas

se

debe seleccionar después de una consideración cuidadosa.

MBrnolocÍe La determinación de dimensiones referida como "metrología" es una de las actividades más utilizadas de los NDT. En los años recientes, las herramientas convencionales para metrología, tales como micrómetros, se han complemer tado con herramientas modernas de alta tecnología, como la inspección ccl láser, máquinas de medición de coordenadas y máquinas de visión y sistemas de inspección con robots.

La selección de un sistema de mekología depende en gran parte de los requerimientos específicos de la aplicación determinada. Par:a ello se deba

Introducción a los ensayos no destructivos y a los métodos de inspección 55

pia

rabajos específicos sobre estos temas. Además otros métodos de

va-

no destructiva, tales como las corrientes de Eddy, el ultrasonido, la

úpo

optica y la metrología de punto, encuentran aplicaciones en el cam-

h mología.

ICS que ES.

DE LA ESTRUCTI]RA O DE LA MICROESTRUCTURA

interesante de los

-prede Eso

NDT es la caracterización de la microeskuctura,

hacer en el sitio sin dañar el objeto utilizando microscopia de

pión

condición de una planta de potencia !'er componentes metálicos de plantas petroquímicas, o usando el io óptico convencional con equipos portátiles, el cual incluye equi-

it

plido,

ECl-

Pafa es-

PntiI

ii

' o

se emplea para establecer la

ataque y microscopia.

es posible caracterizar la microestructura por medio de la corre-

tipo de información no destructiva. Por ejemplo, la transde energía ultrasónica se ha correlacionado con la microestructura al-eún

I

sns.

imestructura ptiva ln no kvaio se Fas I )

se ha caracterizado a menudo

por intermedio de Ia de-

lh de las propiedades físicas o mecánicas con técnicas no destructivas qÉE normalmente una colrelación entre la microestructura, las pro1'lia respuesta al Ensayo No Deskuctivo. ización de la microestructura a partir de la respuesta a un Ensa-

Esurrctivo es un área relativamente reciente de la aplicación NDT, al F ocuren nuevos desarrollos con frecuencia.

I

[" u,

¡ DE LA RESPUESTA ESFUERZO-DEFORMACIÓN

I

[entas

fESPLESTA DINÁMICA

I

Emen-

localizada en una región específica de un objeto sometido

I

con ln I hemas I

'd. 1o, I d.u..,

a

específicas de carga se puede determinar utilizando métode la deformación, tales como películas fotoelásticas, películas y fforrrímetros. Si se conoce el comportamiento esfuerzo-deformaestos valores de deformación se pueden convertir en valores

-tri¿1,

56

Fundamentos del análisis defalla

Los esfuerzos residuales en los materiales se pueden medir por una variedad de técnicas no destructivas, entre éstas la difracción de rayos X, el ultrasonido y métodos electromagnéticos. En la técnica de difracción de rayos X se mide la distancia interplanar y se calcula el esfuerzo correspondiente. La profundidad de penetración de los rayos X es del orden de apenas 10 ¡rm (400 ¡r pulg) en los metales. Por tanto, la técnica está limitada allaboratorio, debido a la falta de equipos para uso en el campo y por razones de seguridad por la radiación. Con las técnicas de ultrasonido

se

mide la velocidad de las ondas ultrasóni-

y se correlaciona con el esfuerzo. Estas técnicas se basan en un pequeflo cambio de velocidad causado por la presencia de esfuerzos. que se conoce como efecto acustielástico. En principio, las técnicas ultrasónicas se pueden úilizar para medir esfuerzos en volumen y en la superficie, pero debido a la dificultadpara dif,erenciar los efectos del esfuerzo del efecto de la cas en los materiales

textura del material, las aplicaciones prácticas del ultrasonido no se han mate-

rializado. Con las técnicas electromagnéticas, una o más de las propiedades magnéticas de un material (tales como permeabilidad, magnetostricción, histéresis-

fierza coercitiva o movimiento de los dominios magnéticos durante la magnetización), se pueden sensibilizar y correlacionar con el esfuerzo. Estas técnicas, basadas en el cambio en propiedades magnéticas del material causadas por el esfuerzo, se conocen como efecto magnetoelástico

y

se aplican,

pcr

tanto, a materiales ferromagnéticos tales como el acero.

IoBNrIpIcRctóN nÁpmA DE METALES y ALEACToNES El aseguramiento de la calidad de artículos de uso doméstico, de subconjuntcr y de conjuntos ensamblados, requiere algunas veces la disponibilidad de r.u sistema confiable parala identificaciónrápida de los metales y de las aleacier nes. En razón de que los metales se pueden mezclar durante su almacenami

to o durante su uso y de que las longitudes de cintas, láminas, placas, alambres y de productos fabricados pueden perder sus marcas de identifi

ción, se hace necesario disponer de métodos de identificación de lotes clados. El mejor método de identificación de estos artículos es por anál

JI

iucción a los ensayos no destructivos y a los métodos de inspección 57

tvalleútraso)SXSE -a pro-

(400 ¡r

s comunes para la identificación rápida de metales incluyen i-\ r-rlss¡¿r, las propiedades magnéticas y el peso del metal, el

debido

.:a r el ensayo químico

-

de gota.

por la

t rasóni:

basan

lerzos,

¡¡.crr -

/ -. :':,.ti,e Evaluation and euality

Control, Metals Handbook,

gm

ed., vol

- :'.1 ^:.:ernationa'1.

asónie,

pero

odela mate-

tgnétiéresis,

nte la Estas causatn,

pof

juntos de un eaciounien)arras,

tifica'mezrálisis

I

Inspección visual

E¡ ¡u¿

de Inspección No Destructiva que suministra un medio para =--:i.-a -. a--r :raminar varios defectos superficiales, tales como corrosión, conErü¡.--.,r.:- terminado de la superficie y discontinuidades superf,rciales. Es el

-ñ.§:

:<

rnspección más utilizado para detectar

y examinar grietas en la

.-s;¡ffción se puede hacer a simple

vista, sin ayuda de aumentos, o =ez -L-_< e *':zación de microscopios de interferenciapara medir la profundidad -aÉa-. en el terminado de superficies finamente pulidas. El equipo usa- ¡ q;.rdar en la inspección visual incluye:

i:n-,: : opios. Tanto flexibles como rígidos, para iluminar y observar

H¿s

áreas

cerradas e inaccesibles.

-t---.-,-¿i de imagen. Utilizados como sensores remotos y para desarro-;r :egistros visuales permanentes en forma de fotografias, videocintas ; ==bién imágenes mejoradas por computador. i-:=-z¿s de magnificación. Para evaluar terminado y formas de superfi:s , calibración de perf,les y contornos), así como microestructuras de

ss::-:cie.

i-:;: --:,

:olorantes de penetración

o

fluorescentes, y partículas magnéti-

P:--a resaltar la observación de grietas de la superficie y, en algunas

rr:ai.tr:]€S. cerca de la superficie en el caso de las inspecciones con par-

:r.:-.:.-i ma_méticas.

60

Fundamentos del análisis de falla

Bonoscopros Un boroscopio (f,rgura 4.1) es un dispositivo óptico de forma tubular que ilumina y permite la inspección de superficies internas de tubos estrechos y de cámaras de

dificil

acceso.

Lentes oculares

(a)

Lentes oculares

Manijas de control de cuatro vías para artlculación de punta

Guía para luz

Anillo para dioptrías

Cubierta protectora

g"''ffi Proyector para

lámpara

Campo de

..-

vis¡ón

\

Fuente de luz ¡

ru

E--

Control

de

Control

Eje de rotación

pará pesquisa orbital

Longitud oe trabajo

*---**--l Conector para guía de luz (manija interior) A la fuente

(c)

Gufa para luz (integral o separada)

de luz

Figura 4.1 Tres diseños típicos de boroscopios: a) boroscopio rígido con una lámpara distal; b) boroscopio flexible con fuente de luz; c) boroscopio rígidó con haz deluz en el eje. Referencia l.

en el extremo

,il

Inspección

e ilu-

iyde

visual 6l

= :-r:. que puede ser rígido o flexlble, de longitud y diámetro variables, r-r¡rñ=? -a conexión óptica requerida entre el extremo de visión y los lentes & :o<:'..' a la distancia de la punta del boroscopio. Hay tres formas de :.¡:ierión óptica:

-r;

-: :-:bo rígido, con una serie de lentes relevo. - -: :-:bo normalmente flexible (tambiéndepuede ser rígido), con un ma:- : ie fibras ópticas. ¿ _-,,qen del

E *sa =s-:

sensor de imagen desde un dispositivo de acoplamiento

(Coupled charge Device,

ccD)

hasta la distancia de la punta.

diseños básicos del tubo pueden tener focos f,rjos o ajustables

de Fr- =3s :. objetivo en la distancia de la punta. Esta punta distal tiene tam-

r --<=-i r espejos que def,rnen las direcciones y el campo de visión (figu¿i. t]-eralmente se utilizan unaluz guia de ñbra ópticay una lámpara :r:r:i-'3 luz blanca para el sistema de iluminación, aunque también

se

--r,.: luz ultravioleta para inspeccionar superficies que se tratan con -:etrantes fluorescentes. Algunas veces se emplean diodos emiso-

.- 'i:::

la punta parala iluminación en videoscopios con longifudes de --:'. trres de quince metros.

pmDe profundidad

;-'F+ _é ante

Retrospectivo

Figura 4.2 Direcciones típicas y campo de visión boroscopios rígidos. Referencia

l.

en

62

Fundamentos del análisis de falla

Snr,sccróN Los factores que influencian la selección de un boroscopio rígido o flexibi: para ttllizarlo en una aplicación específica son foco, iluminación, magnificación, longitud de trabajo, dirección de la visión y medio ambiente.

Foco Y RESoLUCTóN En general, la calidad óptica de un boroscopio rígido se incrementa a medic¿ que se aumenta el tamaño de los lentes. Por tanto, la mejor selección es u¡ boroscopio con el tamaño más grande posible de los lentes. Para los fibroscopior

la resolución depende de la exactitud del alineamiento y del diámetro de ¡r fibra en el manejo de la imagen. Las fibras de diámetro pequeño suministrr más resolución y contraste cuando se combinan con un buen alineamiento ü las fibras.

IruvrNrcróN La intensidad requerida de la fuente

deltz

se determina por la

la superficie, por el área de la superficie que

se

reflectividad

va a iluminar y por las pérdi

de transmisión a través de la longitud del boroscopio. Para longitudes de

bajo mayores de seis metros, los boroscopios rígidos con una lámpara en extremo distal suministran la máxima cantidad de iluminación sobre el á más ancha. La iluminación con fibra óptica en boroscopios con longitudes

trabajo menores de seis metros es siempre más brillante y resulta apropi para aplicaciones sensibles al calor, porque los filtros pueden iluminar frecuencias infrarroj

r

as,

MacNmrcacróN Y cAMPo DE vrsróN Estos parárnetros están interrelacionados: el campo de visión disminule medida que aumenta la magnificación (los aumentos). La relación precisa

e

magniflcación y campo de visión la especifica el fabricante. El grado magnificación para una aplicación determinada se logra por el campo de r sión y la distancia de los lentes del objetivo al objeto. La magnificación

Inspección

&

visual

63

cuando se reduce el campo de visión o cuando disminuye la dis¡os lentes al objeto.

lexible I

hagni-

X:T

Faie

DE TRABAJO

dictaminar algunas veces la utllización de un tipo particular de ? Por ejemplo, un boroscopio rígido con una distancia grande de

F&i

I

estar limitado por la necesidad de instalar soportes adicionales. los videoscopios permiten una mayor distancia de trabajo que los

hedida

lesun popios

Ddela

l.

DE LA vrsróN

htsffan

l

¡nto de t

fto':copios flexibles y los videoscopios son adecuados frecuentemente

¡

g¡ punta artictlada, con punta de visión lateral o hacia delante. Las ;:rcunferenciales y panorámicas se diseñan para inspeccionar tubos y

i

la.,ru-

GÉnlturas cilíndricas. un espejo localizado en el centro permite la vim ángulo recto para visión panorámica. E dezote de visión hacia delante permite inspeccionar el érea directah¡a delante del cabezote de visión. se emplea cuando se examinan o t-ondos de huecos ciegos y cavidades.

fenet

L¡

had de

hotou,

[el área

o" fdes Spiada

=bezotes delanteros-oblicuos desvían la dirección de la visión en un del eje del boroscopio, lo cual permite la inspección de rincones al &i r-.riñcio perforado. El cabezote de visión retrospectiva desvía el cono

w

en ángulo retrospectivo al eje del boroscopio, suministrando una {it{ área que pasa justamente delante del boroscopio. sirve saber todo

ns+-cionar el cuello de cilindros y

il F:::: pron

se

hroecopios flexibles y rígidos

&

de botellas.

se pueden

fabricar para resistir una varie-

¡rnbientes. Aunque éstos pueden operar a temperaturas desde -34 hasalgunos boroscopios diseñados especialmente pueden utilizarse a

f t-

--n'ras --.rhos

de 1.925 oc. Además,

liquidos.

se

pueden construir boroscopios para usarlos

64

Fundamentos del anólisis defalla

Se requieren boroscopios especiales para

utilizarlos a presiones por encima de la presión ambiental y en atmósferas expuestas a radiaciones. Los boroscopios que se usan en ambientes gaseosos deben construirse a prueba de explosión.

ApuclcroNBs Los boroscopios se emplean principalmente en programas de mantenimiento de equipos, donde pueden ayudar a reducir o a eliminar la necesidad de paradas costosas. Algunos tipos de equipos, tales como turbinas, tienen puertas de acceso diseñadas especialmente para boroscopios. Los boroscopios suminis-

tran medios para verificar en servicio defectos en varios equipos, tales como componentes automotores, turbinas y tuberías de procesos.

SpNsonns óprrcos

Laluz

que puede detectarse a simple vista

y con sensores ópticos tiene algu-

nas ventajas sobre los métodos de inspección basados en radiación nuclear, de

microondas y ultrasónica. Por ejemplo, una de las ventajas delaluz visible es su capacidad de enfocar el haz de prueba sobre la superficie de inspección Puede resultar una resolución altamente especial de este enfoque definido. Io

cual es útil en aplicaciones de calibración y perfilado. Los tipos de sensores de imagen empleados en inspección visual incluyer

1. Tubos de televisión de videcon o plumbicon

2. Videcones de Acoplamiento Secundario de Electrones 3. Orticones de imagen e isocones de imagen. 4. Dispositivos de sensores de acoplamiento de carga. 5. Placas holográficas.

(SEC)

Las cámaras de televisión con tubos videcon son útiles en niveles altos luz (aproximadamente 0,2 ]l¡ulrfi), mientras que los orticones, los isocone-los SEC son útiles en niveles de iluminación menores. Los dispositivos de acoplamiento de carga son apropiados para emp en muchas aplicaciones en procesamiento de información, como sensor imagen en la tecnología de cámara de televisión. Los dispositivos de acop

Inspección

visual

65

enci-

son mejores que los sensores de imagen de fubo de vacío por

Los

de su tecnología de estado sólido, su operación a bajos voltajes,

de

de potencia, su amplio intervalo dinámico, su respuesta a la

y al cercano infrarrojo, y su reproducibilidad geométrica de la loca-

- h imagen. h to

de la imagen (o retroalimentación visual en sistemas de robots) milización de ccs como sensor óptico o el empleo de señal de

$¡e

se convierten en forma digital.

as(res ópticos

parade

se usan también en aplicaciones de inspección que no

imágenes. Sin embargo, en algunas aplicaciones las fuentes de luz

son muy efectivas en aplicaciones de inspecciones sin imagen sensores ópticos.

DE MAGNIFICACIÓN

hs

de magnificación se ntilizan en calibración de referencia visual. tolerancias son muy estrechas para determinarras al ojo, se usan

ópticos o los microscopios para lograr magniflcaciones que

5a500X. nicroscopio para hacer herramientas consta de un microscopio montauna base que soporta una mesa ajustable, un mecanismo de transporh mesa y una iluminación suplementaria. varios lentes de objetivo suel intervalo de magnificación que va de 10 a20OX.

OPTICOS

altos de

v

-spositivos de magnificación que proyectan la silueta de piezas peque'ma pantalla grande. La silueta aumentada se coteja luego contra una de comparación óptica,la cual es un dibujo o plano aumentado de la (Pe se va a callbrar. Los comparadores ópticos están disponibles con que van desde 5 hasta 500 X.

Ls de

piezas que poseen contornos con nichos se pueden calibrar también en comparadores ópticos que utilizan un pantógrafo. Un brazo

acopla-

¡mtografo es una aguja que traza el contomo del hueco de la pieza y el

66

Fundamentos del análisis defalla

otro brazo transporta un seguidor que es visible en la trayectoria de la luz. A medida que la aguja se mueve, el seguidor proyecta un contorno sobre la pantalla.

RrrnnnNcu 1.

Non Destructive Evaluation and Quality Control, Metals Handbook,9ft ed., vol 17, ASM International.

uz.

A

Inspección con líquidos

pan-

penetrantes

ú...

vol.

ai- =. -- :.etodo no destructivo, utilizado para encontrar discontinuidades !i¡.--: :- : superflcie de un sólido, sobre todo en materiales no porosos. Las

!'.:-_* -=. üe los defectos se pueden encontrar independientemente de su E-' :: :- conflguración, de la estructura interna y de la composición qui tr- --: : :.eza de trabajo, así como también de la orientación del defecto. -i,= :- :,,s pueden penetrar dentro de varios tipos de aberfuras diminutas

c '-.:=:-..:ie. tan finas como 0,1pm a4¡tm de espesor, por acción de capilaE: : : :::ro. el proceso es apropiado para detectar todos los tipos de grie& .-t=- :,ries. juntas, porosidad, rechupe, laminaciones y discontinuidades '- -::, S: emplea ampliamente para inspeccionar metales ferrosos y no F'- : :r r,,rrrriá de productos trabajados, o en productos fundidos, en piezas E r= ---_:..l de polvos, en objetos cerámicos, plásticos y de vidrio. : -: :.. de inspección por líquidos penetrantes es relativamente flácil de !=---:-- - -;.r QUe existen pocas limitaciones de material y de geometría y es - :.-: El equipo es muy simple y la inspección se puede rcalizar en

r': : jr3S en la manufactura de una pieza, y también después de que la '- >: :. ¡uesto en servicio. Se requiere relativamente poco entrenamiento :- ' -'¡r--r poro efectuar la inspección. En algunos casos, la sensibilidad E : - : ie penetración es mayor en aceros ferromagnéticos que la inspec=Ér :, :.rículas magnéticas. . r-.-,:lpal limitación de la inspección por líquidos penetrantes es que --:-;J¡ar únicamente imperfecciones abiertas en la superf,rcie. Se deben .c.. -' - :: ¡s métodos para hallar defectos y discontinuidades por debajo de la

--1--

-

:

otro factor que puede inhibir la efectividad de la inspección por : :-letrantes es la rugosidad de la superficie del objeto. Las superfi-

-

D

68

Fundamentos del análisis defalla

cies extremadamente rugosas y porosas son propensas a producir indicaciones falsas.

Aunque el método de inspección por 1íquidos penetrantes se utiliza cor frecuencia para inspeccionar algunos tipos de piezas de metalurgia de polvosel proceso generalmente no es el más apropiado para inspeccionar piezas de metalurgia de polvos de baja densidad, porque el penetrante entra en los poros

y regisfia cada poro como un defecto.

PmNcrpros rÍslcos La inspección por líquido penetrante depende principalmente de la habilidai del líquido para humectar la superficie de lapieza o de la muesÍa, para flurr sobre la superficie para formar una películarazonablemente uniforme y pars migrar dentro de la cavidad abierta de la superficie. Las cavidades de intere*t son generalmente tan pequeñas, que con frecuencia no se pueden observar ¡ sirnple vista. La habilidad de un líquido determinado para fluir sobre la superficie y de penetrar en las cavidades de la superficie depende en especial de:

l.

La limpi eza de la superflcie. 2. La configuración de la cavidad. 3. El tamaño de la cavidad. 4. La tensión superficial del líquido. 5. La habilidad del líquido para humectar la superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido causan tenstcl superficial. Un ejemplo de la influencia de la tensión de la superficie es tendencia de un líquido libre, tal como gota de agua, a contraerse en forma esfera. En una gota,latensión superficial está conkabalanceada por la pres hidrostática interna del líquido. Cuando el líquido

se pone en

contacto con

superficie sólida, lafaerzacohesiva responsable de la tensión superficial pite con lafircrza de adhesión entre las moléculas del líquido y la supe

del sólido. Estas fuerzas asociadas determinan el ángulo de contacto entre líquido y la superficie. Si el ángulo es menos de 90o, el líquido tiene habilidad para humectar.

Inspección con líquidos penetrantes 69

DEL PROCESO

)lones

2

COn

ai

;jlco

olvos, zas de

poros

.:emente del tipo de penetrante que se utilice y de otras variacio:-.r-eso básico, la inspección con líquidos penetrantes requiere por etapas esenciales:

Itgaración

1-'*

de la superficie. Todas las superficies de la pieza de trabajo

que limpiarse completamente y secarse muy bien antes de la inspec-

s:c I ¡s discontinuidades expuestas en la superficie deben estar libres de l=li- de agua y de otros contaminantes, por 1o menos 25 mmmás allá del bilidad

n fluir y pata interés efvar a super-

r€a .Tle se va a inspeccionar para aumentar la probabilidad de detección. -f¡Icación del penetrante. Se aplica el líquido penetrante de manera 4r+eiada para formar una película del penetrante sobre la superficie fr.r ,t-r menos 13 mm más allá del área que se va a inspeccionar. Se deja = :quido sobre la superficie por un tiempo suficiente para que penetre = ..s defectos. Este tiempo está basado en la experiencia. SeguidamenE s riuesffan algunos tiempos típicos para diferentes materiales y tipos ¡: &ttctos (tabla 5.1).

al de: Tabla 5.1 Tiempos típicos de penetración para un penetrante coloreado

-¡.rficie

bajo examen

Tipo de defecto

Grietas de tratamiento

Rectificado

tensión I

ie es la

rma de Preslon DOn

Una

en aluminio en acero

l:r.}]as

al comnerficie r entre el

a preslon

t

¡ i

i

buena

en molde permanente

-

--arburo para corte de metal ;¡s de corte

Grietas Grietas Porosidad Grietas y poros Grietas y poros Grietas Pliegues Costuras Porosidad superficial Pliegues fríos Porosidad por rechupe Bronce pobre Grietas en acero Grietas en la punta

Tiempo de penetración (min)

térmico

2 10 10

2-5 2-5 t0-20 t0-20 20 20

10-20

3-10 l0-20 3-10

2t0

2-t0 2-t0

::s tiempos deben determinarse experimentalmente en cada caso. Referencia

l.

70

Fundamentos del análisis defaÜa

Remover el exceso de penetrante. La remoción uniforme del exceso de penetrante es necesaria para una inspección efectiva, pero debe evi-

tarse la limpieza excesiva. Los penetrantes pueden lavarse utilizando

primero agua, que se trata previamente con emulsificador y luego lavado con agua, o removerlos usando un solvente.

Aplicación del desarrollador. El desarrollador puede aplicarse en forma de polvo (polvo seco), por inmersión y en spray (desarrolladores ec agüa).El desarrollador ha de permanecer sobre la superficie durante ur tiempo suficiente (diez minutos, como mínimo) para permitir que extraiga el penetrante de los defectos de la superficie, con el fin de que forme indicaciones de estos defectos. Para grietas estrechas pueder requerirse tiempos más largos. El desarrollador suministra también ur trasfondo uniforme para ayrdar en la inspección visual. Inspección. Después de tener un desarrollo suficiente, se examina l: superficie visualmente para detectar las indicaciones de la extraccicr del penetrante de las aberturas de la superficie. Este examen ha de rea. lizarse en un ambiente de inspección apropiado. La inspección visibi.: del penetrante se realiza con luz blanca de buena calidad. Cuando s utilizan penetrantes fluorescentes, la inspección se efectúa en un árer oscura apropiada utilizando l:uz negra (ultravioleta), la cual hace que d penetrante emitaluz visible. En la figura 5.1 se muestran el penetrante ¡ el desarrollador.

Srsrnlras DE

PENETRACTóN

Las aplicaciones con inspección de líquidos penetrantes se han desarrol para manejar una amplia variación en tres sistemas básicos de penetra Éstos se clasifican en general en: a) sistemas de lavado con agua; b) si posemulsionables; c) sistemas de remoción con solventes.

Srsruuas DE LAVADo coN AGUA DEL

pENETRANTE

Están diseñados de tal manera que el penetrante se lava directamente de superficie con agua. Se pueden utilizar para procesar piezas de trabajo ráp

Inspección con líquidos penetrantes

.

exceso be

No obstante, es impofante controlar el lavado con cuidado,

rs fenetrantes

evi-

'uando

-Ehra

71

de lavado con agua son sensibles al lavado en exceso.

v la velocidad de la remoción dependen de las condiciones del

i¡r-
tales como las características de la pistola de aspersión, de la 3sua y de la temperatwa, de la duración del ciclo de lavado, de las

o lava-

de la superficie de trabajo y de las características del penetrante

en forDres en

tnte un

lue exde que pueden

¡ién un

nina la racción de rea-

visible rndo

se

un área

I que el trante y

nollado ttrantes. ristemas

!

5-l -\cciones del penetrante y del desarrollador. a) El líquido penetra dentro de álena por acción de capilaridad. b) El exceso de penetrante en la superficie e por frotado con bayetilla, por lavado con agua, tratándolo con un

-¡e\ o removiéndolo con un solvente. c) Se aplica el desarrollador en la xra absorber el penetrante líquido que está dentro de la grieta para formar -si:¿dor r o-acrón de la grieta superficial. Al penetrante líquido se le ha agregado un -a

úe de la o rápida

rca

:¡n compuesto fluorescente. Dependiendo de la cantidad de penetrante que ei desarrollador, el ancho de la grieta puede parecer cien veces más grande de su tamaño real. Referencia 1.

...*-

'

offi'",

72

Fundamentos del análisis de falla

Srsrsua

PosEMULSIoNABLE

Los penetrantes de alta sensibilidad que no son solubles en agua se utilizar para asegurar la detección de defectos diminutos en algunos materiales. Comt' no son solubles en agua, el peligro de retirarlos fuera de los defectos se redt¡' ce. Estos penetrantes requieren una operación adicional en el proceso de in-ipección. Se debe aplicar un emulsif,tcador después de la aplicación del penetrante y después del tiempo de penetración. El emulsificador hace que el

pen*

trante sea soluble en agua, de tal forma que el exceso de penetrante se puedr

remover por lavado con agua. Por tanto, el tiempo de emulsificación debc controlarse cuidadosamente, de modo que el penetrante en la superficie s¿r soluble en agua pero no el penetrante dentro de los defectos. Los penetrantes posemulsificables incluyen los lipofilicos (de base aceite) y los hidrofílic,r (de base agua).

SrsrpIr¿a DE REMocIóN poR SoLVENTES

En ocasiones es necesario inspeccionar sólo un área pequeña de la pieza inspeccionat urfia pieza en su sitio en lugar de una estación regular de im'

pección. En estas situaciones, se utilizan los penetrantes de remocrón solventes. Normalmente, el mismo tipo de solvente se emplea para prelimpieza y para remover el exceso de penetrante. Este proceso de trante es conveniente y amplía el intervalo de aplicaciones de la inspecc

por penetrantes. Los penetrantes de remoción por solventes tienen una base de remoción óptima del solvente se hace eliminando la mayor parte del te que sea posible con una toalla apropiada o con una bayetilla libre de pe y luego mojando ligeramente la toalla limpia con solvente y frotando remover el penetrante remanente. Finalmente, hay que frotar con una toalla papel seco o con bayetilla limpia.

El penetrante puede removerse también echándole solvente a la su ficie, en la misma forma que con los penetrantes solubles en agua. La nica de solvente es particularmente útil para piezas grandes, pero utilizarse con cuidado para prevenir la remoción del penetrante de los fectos.

Inspeccién con líquidos penetrantes 73

&

utiliza principalmente en aplicaciom es práctico para aplicaciones de producción porque requie-

ü

remoción por solvente

se

extensiva.

PARA DETECCIÓN POR LÍQUIDOS PENETRANTES de líquidos penehantes: fluorescentes y visibles. Cada tipo

pa cada uno de los tres sistemas (de lavado con agua, posy de remoción por solvente). ión por líquidos fluorescentes se utilizan líquidos penekantes

cm brillo bajo luz ultravioleta. La sensibilidad

de un penetran-

depende de su habilidad para formar indicaciones que parez-

frerrtes dehv en un área oscura. Los niveles de sensibilidad de tuescentes son ultrabajo (nivel Y),bajo (nivel 1), alto (nivel 4) 5).

ifo con penetrantes visibles

o

lns-

pof Ia pene-

ton

utiliza un penetrante que normaly que produce indicaciones de color rojo vivo que contrastan Uúco del desarrollador aplicado bajo la iuz visible. Estas indiobservarse bajo luz blanca adectada. La sensibilidad de los se conoce como nivel 1 y es adecuada para muchas apli-

it

An penetrante y su uso dependen de Iá'calidad de la inspeción de la superficie de trabajo, del tipo de procesamiento y deseada.

lusa,

para

IE

LAVADO EN AGUA

de

rsmoyer el exceso de penetrante supe(f,cial aon agua directadel tiempo de penetración adecuado. El emulsificador está in-

super-

cl penetrante de lavado con agua. Cuando se utiliza este tipo de c¡ muy importante que se controle adecuadamente la remoción

técdebe

los de-

penetrante de la superficie para impedir el sobrelavado, el cual

el penetrante dentro de 1os defectos.

74

Fundamentos del análisis defalla

PBNBTRaNTES PoSEMULSIFICANTES LIPoFÍLICoS E HIDRoFÍLICoS

Son insolubles en agray, por tanto, no son removibles por lavado con agua. Se diseñan para removerlos selectivamente de la superficie utilizando un

emulsificador separado. La aplicación adecuada del emulsificador, y por el tiempo adecuado, se combina con el exceso de penetrante de la superficie. para formar unamezcla lavable con agua

y pararemoverlo de la superficie. El

penetrante que pefinanece dentro de los defectos no está sujeto a sobrelavado.

si el emulsificador está confinado a la superficie y cuando la discontinuidad está cerrada.

PENnTRRNTES REMoVIBLES PoR SoLVENTE

Se utilizan principalmente cuando se requiere portación

y

para inspeccionr

fin de minimizar la posibilidad de remover el penetrante de las discontinuidades, se debe evitar lartllización de cantidades exceáreas localizadas. Con el

sivas de solvente.

CANacTBÚSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS Los penetrantes fluorescentes y visibles, de lavado con agua, pcsemulsificables o los de remoción por solvente, deben tener cieftas características físicas pa.n

cumplir adecuadamente sus funciones. Los principales requerimientos de irx penetrantes son:

1. Estabilidad química y consistencia fisica uniforme. 2. Un punto encendido (flash point) no menor de 95 oC, pues los que F nen puntos de encendido menores constituyen un peligro potencia- ,r incendio. 3. Alto grado de humectabilidad. 4. Baja viscosidad, para permitir mejor cobertura y minimizar el nú de pérdidas.

5. Habilidad

para penetrar rápidamente las discontinuidades

completa.

6. Brillantez suficiente y permanencia de color.

y

en

Inspección con líquidos penetrantes 75

Z hcia gua.

Dun »r el Ecie, b.

El

I

química con los materiales que se están inspeccionando y con

Ls reipientes.

a Ba3a toricidadpara proteger al personal. t- Sa:ado lento. L Fril remoción. IL

O§or inofensivo.

E- Bqo

lado,

costo.

Resistencia ala luz ultravioletay a la degradación por calor.

.{DORES

iticadores son líquidos utilizados para poder lavar con agua el exceFetrante aceitoso de la superficie. Pueden ser de base aceite o de base cmulsif,rcadores de base aceite funcionan por difusión. El emulsificador dentro de la película del penetrante y 1o vuelve soluble espontánea-

difunde dentro del penetrante detetmtna su de emulsificación. Debido a que el emulsificador actaaconrapidez,la rn de lavado se ha de hacer velozmente para evitar sobreemulsificación. emulsificadores de base agua se suministran generalmente como líqui-

.n asua. La tasa ala ctal

I¡ pata

se

anrnUados, los cuales se diluyen en agua en concentraciones del 5 al aplicaciones de inmersión en tanques y del 0,05 al5%o paru aplicapor aspersión. Funcionan por desplazamiento del exceso de penetrante

¡ra q

fisig delapiezapor acción detergente. Lafuetza del chorro de agua con aire de los tanques abiertos suministran la acción de lavado, el detergente desplaza el exceso de penetrante de la superficie.

-iáción

irx

DE SOLVENTE

@iadores

ctso

de solvente difieren de los emulsificadores en que remueven

de penetrante de la superficie a través de la acción directa del sol-

El penetrante se disuelve por el Solvente. Los limpiadores de solvente ¡ -f,am¿bles y no inflamables. Los primeros no tienen halógenos pero rer-¡!*Em peligro de incendio, mientras que los segundos contienen por 1o

76

Fundamentos del análisis de falla

regular solventes halogenados, los cuales los hacen inapropiados para algunas aplicaciones, debido generalmente a su alta toxicidad o porque son indeseables por los efectos que tienen sobre algunos materiales.

DrsrnnoLLADoRES

A

causa de que el penetrante que emerge desde una pequeña abertura en la

superficie es diminuto, la evidencia visual de su presencia debe resaltarse. Los

utilizanparu esparcir el penetrante disponible en el defecto. para incrementar por tanto la cantidad de luz emitida o la cantidad de contraste que haga el defecto visible para el ojo. desarrolladores

se

Los desarrolladores deben tener las siguientes propiedades y características para funcionalidad óptima:

1. Debe absorberse para maximizar la mancha. 2. Debe tener un tamaño de grano fino y una forma de partícula para dispersar y exponer el penetrante dentro de un defecto,para producir indicaciones fuertes y bien definidas del defecto.

3. Debe

ser capaz de suministrar un trasfondo de contraste para las indica-

ciones cuando se utilicen penetrantes coloreados de contraste.

4. Debe ser facil de aplicar. 5. Debe formar una película delgada y uniforme sobre la superficie. 6. Debe ser fácilmente humectable por el penekante en el defecto (el liquido debe permitir que se esparza sobre las superficies de las partícu Ias).

7. No debe ser fluorescente cuando se utiliza conpenetrantes fluorescentes 8. Debe ser fácil de remover después de la inspección. 9. No debe contener ingredientes perjudiciales para las piezas de inspección ni para el equipo utilizado en la operación de inspección. 10. No debe contener ingredientes perjudiciales o tóxicos para el operador.

Cuatro formas de desarrolladores se utilizan comúnmente: polvo seco (forma A), soluble en agua (forma B), suspendible en agua (forma C) y suspendible

en solvente (forma D).

Inspe:cción con líquidos

penetrantes

77

SECOS

de polvo seco se utllizan ampliamente con penetrantes pero no se pueden usar con colorantes de luz visible porque no

satisfactorio en la superficie de habajo. Éstos deben ser para permitir aplicación fácrl,y adherirse a superficies secas peHcula fna. La adherencia del polvo no deberá ser excesiva, de penetrante en las grietas finas es insuficiente para salir

en la

n

fina. Para propósitos de almacenamiento, manejo y aplicación deberán ser higroscópicos y tendrán que pelmanecer secos. La ita su habilidad para fluir porque se aglomeran.

y rcmoción ¡rocesamiento manual incluye generalmente una estación para en un tanque abierto. Las piezas se sumergen dentro del polse recoge con una cuchara o con las manos y se vacía sobre la de polvo se remueve por agitación o golpeando ligeramente la

ién se pueden aplicar con pistolas de aspersión o con pistola Los operarios tendrán que usar guantes de caucho y respiradores. modernos incluyen un sistema de exhosto.

uÚtvtEpos

suspensiones del polvo desarrollador en agua (el más ílcuosas de sales apropiadas

lr

y

utlliza'

suspensiones de polvo en sol-

suspendibles en agua permiten altas velocidades de inspección de piezas pequeñas y se deben aplicar inmediata-

y antes del secado. se suministran como concenffado de polvo seco para diluir-

de que se lave el exceso de penetrante recomendadas (de 0,04

a0,l2kg/litro).

Se debe man-

cuidadosa. Mucho o poco desarrollador sobre la superficie de

afectar seriamente la sensibilidad.

-r

78

Fundamentos del análisis de falla

DBsannorrADoRES soLUBLES EN AGUA Se pueden

ttihzar penetrantes fluorescentes y visibles posemulsionables. No se recomienda usarlos con penetrantes de lavado con agua por la posibilidad de lavar los penetrantes dentro de los defectos cuando el desarrollador no se controla adecuadamente. Se suministran como polvo seco concentrado para dispersar en agua en las proporciones recomendadas, por lo general de 0,r2 a 0,24 kg por litro. Las ventajas de estos desarrolladores son: 1. El baño preparado es completamente soluble y no requiere agitación. 2. El desarrollador se aplica antes de secar, disminuyendo el tiempo de desar:rollo.

3. La película del desarrollador

seco sobre la pieza es completamente so-

luble en agüay se remueve con facilidad con agua después de la inspección.

DBsannonADoRES No ACUosos suspENDtBLES EN soLVENTE Se emplean en los procesos de penetrantes fluorescentes

y visibles. Esta for-

ma de desarrollador produce una película blanca sobre la superficie de la pieza,la oual da la máxima indicación de color de contraste blanco con el rojo del penetrante

y

genera indicaciones fluorescentes muy brillantes.

Los desamolladores suspendibles de solvente no poroso se suministran listos para su utilización y contienen las partículas del desarrollador suspendidas en

wa

mezcla de solventes volátiles. Estos solventes se seleccionan cuidadosamente para compatibilidad con el penetrante. También contienen surfactantes en un dispersante que reviste las partículas y reduce su propensión a aglomerarse. Esta forma de desarrollador es la más sensitiva cuando se usa con penetrantes fluorescentes porque la acción del solvente contribuye a la adsorción 1 a sus mecanismos. En muchos casos en los cuales hay grietas muy estrechas ¡ pequeñas, el polvo seco, y los desarrolladores solubles en agua y suspendibles

en agua, no hacen contacto con el penetrante entrapado, lo cual resulta en la falla del desarrollador para qear la acción capilar y la tensión superficial para sacar el penetrante de la falla.

Inspección con líquidos penetrantes 79

E

-

roiiador

.-=o

.No lidad

to se pafa ,12 a

iel

ft i

de solvente suspendible no acuoso entra en el defecto y se

del penetrante. Esta acción aumenta el volumen y reduce la

penetrante.

.rs:ipos

de desarrolladores basados en solventes: no inflamables (sol-

;cr:ados) e inflamables (solventes no clorinados). Ambos tipos se r:iramente. La selección se basa en la naturaleza de la aplicación y :ru ie aleación que se vaya a inspeccionar. La aplicación de estos se hace por pistola de aspersión.

ión.

rcde

fEL

DESARROLLADOR

: ie que los desarrolladores cumplen un papel importante en la ins:e penetrantes, resulta fundamental seleccionar el desarrollador para

le so§pec-

-:'rado trabajo, Por ejemplo, en superficies muy planas o pulidas, el :B-.a Do se adhiere de manera satisfactoria y los desarrolladores húme-

t¡r'.

:rn trabajo mejor. Inversamente, en superficies muy rugosas el pol-

E for-

mucho más efectivo. -h = s.eccionar el desarrollador

la pie-

-

hay que seguir estas reglas generales:

- s* un desarrollador húmedo en lugar de uno seco en superficies muy

rjo del

an lispendicionan

ltienen ropen-

-

'=¡lear un desarrollador

jiza -

seco en superficies muy rugosas.

desarrolladores húmedos para la inspección de alta producción

ie piezas pequeñas por

su mejor facilidad de aplicación y velocidad de

-
l-er

cuidado al usar desarrolladores húmedos donde existan filetes -:dos. porque allí se acumula el desarrollador que puede enmascarar ,:-¡ indicaciones de los defectos.

l penerción y echas y ndibles

henla ial para

I .x desarrolladores de solvente son efectivos para revelar grietas finas 1 profundas, pero no son satisfactorios para defectos anchos y poco pro:::ldos.

i.i

limpieza y la inspección de las superficies rugosas son dificiles cuando

s

ha utilizado un desarrollador húmedo en inspecciones previas.

= ssarrollador no produce indicaciones

-E-te

que está presente en los defectos

sino que absorbe simplemente el

y lo hace más visible.

B0

Fundamenfos del análisis de falla

RnqunrunuENTos DE Eeurpo con excepción de la fuente de ltz ultravioleta (luz negra) para uso con penetrantes fluorescentes, no hay equipos especiales que sean absolutamente esenciales para la inspección con líquidos penetrantes. Una inspección efectiva se

puede rcalizar con equipos mínimos relativamente simples, pero este método se debe considerar sólo cuando: a) No se tienen muchas piezas. b) se van a inspeccionar regiones específicas de piezas grandes. c) No se requiere sensibilidad máxima. d) La inspección debe realizarse en el campo. Por tanto, la mayor parte de las inspecciones con líquido penetrante se hace con equipos diseñados específicamente para un fin concreto. Se dispone de varios equipos o "unidades de paquete", las cuales incorpo-

ran todas las estaciones y controles necesarios, especialmente cuando se van a inspeccionar piezas pequeñas de varias formas y tamaños. A continuación se muestra una unidad de paquete para un sistema de penetrante fluorescente lavable con agua.

Estación 1 Aplicación del penetrante líquido

Estación 3 Lavado con agua

Estación 4 lnspección con luz ultravioleta

Estación 5 Secado Estación 6

Estación 2 Escurrido

Tabloide de control

Figura 5.2 Equipo típico de siete

estaciones para inspección de piezas que utiliza un sistema de penetración fluorescente de lavado con agua. Referencia 1.

Inspección con líquidos penetrantes 81

*ma

un flujo constante de piezas que a través de siete estaciones: aplicación del penetrante, drenaje del penetrante, lavado con agua, inspección bajo fuz ultravioleta para

-

estiá diseñado para procesar

d

hvado completo, secado, aplicación del desarrollador e inspeccon lámpara ultravioleta para detección de los defectos. La unidad estaciones par a la limpieza preliminar ni p ar a po slimpieza, las cuaen áreas separadas. Este equipo está disponible en varios tama-

pede modificar para requerimientos específicos. El tamaño de las y h forma son los factores que influyen en la selección del equipo. A

-

lh

se mueska el arreglo utilizado en una fundición para procesar

(figura 5.3).

5.3 Arreglo del equipo utilizado en una fundición parala inspección de gran piezas fundidas de especificaciones rígidas. Las piezas se mueven con polea diferencial y transportadoras de rodillos. Referencia 1.

&

de las piezas es absolutamente indispensable en la inspección por

Peaefantes para obtener resultados exactos. La remoción inadecuada outaminantes de la superficie puede resultar en indicaciones erróneas

82

Fundamentos del análisis de fallo

1. El penetrante no entra en el defecto.

2. El penetrante

pierde su habilidad para revelar el defecto porque reaccio-

na con el contaminante contenido en

3. La superficie

é1.

adyacente al defecto retiene demasiado penetrante, lo cual

enmascara la verdadera apariencia del defecto.

Los métodos de limpieza se clasifican en general en métodos químicos, mecánicos, con solventes y combinaciones de estos procedimientos. Los métodos más comunes de limpieza y sus principales usos se resumen seguidamente (tabla 5 .2): Tabla 5.2 Aplicaciones de los diferentes métodos de prelimpieza para inspección por líquidos penetrantes Uso

Método 1. Mecánico

. Granallado en tambor

Remueve costra ligera, rebabas, fundente de soldadura. Óxido, material de fusión y de corazones. No debe

utilizarse en metales suaves como aluminio, magnesio

y titanio.

. Chorro abrasivo

de metal

Remoción de costra gruesa y ligera, firndente, óxido. material de moldeo y de corazones, pintura y depósitos de carbono, en general cualquier depósito desmenuzable. Puede trabajarse en portátil o en frjo.

. Abrasivo de chorro húmedo

Lo mismo que para el seco, excepto cuando los depo sitos son ligeros; se requiere mejor control de dimensiones.

. Cepillo de alambre

Remoción de costras ligeras, fundente.

. Alta presión de agua y vapor

Se usa normalmente con detergente

alcalino o limpia-

dor. Remoción de contaminantes de taller como acei-

te de corte, compuestos de pulido, grasa, viruta y depósitos de maquinaria de descarga eléctrica. Se utiliza cuando se deben mantener las dimensiones. Barato.

. Limpieza ultrasónica

Se usa normalmente con detergente

y agua o con ur

solvente. Remoción de contaminantes de taller par: grandes cantidades de piezas pequeñas.

Inspección con líquidos penetrantes 83

Remueve oxidación, costra, aceites, grasas, material de pulido y depósitos de carbón. Se utiliza para artícu-

0-

los grandes en los que los métodos manuales son muy

ral

exigentes en mano de obra. También se emplea en alu-

minio para remover costras superficiales. Soluciones fuertes para remover costra gruesa, solu-

DS,

ciones para costra ligera, ataque débil, soluciones para

remover manchas en metal.

leN i

sal fundida

Acondicionamiento y remoción de costra gruesa.

am vapor

Remoción de aceite de mecanizado y grasa. Generalmente se emplean solventes clorinados. No es apropiado para titanio.

Lo mismo que el vapor de solvente para desengrasar,

mhente

excepto que es una operación manual. Se pueden em¡du-

plear solventes no clorinados. Se usa para limpieza de

leb€

bajo volumen.

Esio

údo,

Éri-

FeI Fp"

DEL SISTEMA PENETRANTE

[r

f,mma y el peso de las piezas, como también el número de piezas

¡ra

inspección, pueden influenciar la selección del sistema de pe-

Peni

I

Y

COSTO

FPiu-

ircei¡

I dei

liliza

F.

h"" lpu* i

de sensibilidad y el costo son generalmente los factores

al seleccionar un sistema. Los métodos más sensibles son b rnás costosos. Hay muchas operaciones de inspección que remáxima sensibilidad, pero también hay otras en las cuales no se rcha sensibilidad pero que pueden producir resultados equrvo-

84

Fundamentos del análisis de falla

En una base práctica, los tres sistemas de penetrante principales se clasifican en seis sistemas o variaciones de sistemas. Los seis sistemas en orden de sensibilidad decreciente y de costo decreciente son:

1. Fluorescente posemulsif,rcable. 2. Fluorescente removible con solvente. 3. Fluorescente lavable con agua. 4. Visible posemulsificable. 5. Visible de remoción con solvente. 6. Visible de lavado con agua.

A continuación

se comparan las sensibilidades

y los usos de estos seis sis-

temas (tabla 5.3). Tabla 5.3 Comparación de sistemas penetrantes

.

Lavables con agua

Posemulsificables

De remoción en solvente

Tintas penetrantes visibles.

Mayor sensibilidad que los

La más baja sensibilidad.

lavables con agua.

Cuando el lavado con agua no es posible o deseable.

. Apropiados para áreas

de

Apropiado para áreas grandes

y para cantidades grandes de

superficies grandes.

piezas similares.

Para inspección específica. Recomendado para áreas pequeñas y geometrías simples.

PENETRANTES FLUORESCENTES

. Menor sensibilidad de los penetrantes fluorescentes.

. Apropiado para áreas de gran superficie.

. Apropiado para

grandes

Mayor sensibilidad que

los

de remoción por solvente. Visibles.

Apropiado para grandes cantidades de piezas similares.

Donde el lavado con agBa no es posible o no deseable

Adecuado para defectos

Para inspección por gota.

cantidades de piezas

anchos y poco profundos

similares.'

grietas poco anchas.

y

. Apropiado para

Los contaminantes deben discontinuidades estrechas removerse antes de la y profundas. inspección.

.- Recomendado para

Apropiado para grietas por superficies rugosas esfuerzos, intergranulares y (piezas fundidas en arena) de rectificado.

Referencia

1

Mayor sensibilidad que los

lavables con agua.

Recomendado para áreas pequeñas y geometrías simples.

Inspección con líquidos penetrantes 85

úfitde

Itr razones ambientales, los sistemas penetrantes de lavado con agua se -ia uulizar aunque el sistema de solvente sea preferible. tcrrc-.rs

coN Eeurpos roRTÁTTLES

L ir ms-pección

con líquidos penetrantes los materiales para el ensayo pue-

Esrarse al sitio de trabajo, cuando las piezas no pueden llevarse aI ítrea de

rn. La inspección portátil de penetrante por el sistema de remoción :nir-Ente se utiliza extensamente para revisar puntos de soldadura en las solo interesa inspeccionar áreas limitadas y en las cuales la inmersión

i ¡ie la soldadura no

SIS-

es práctica. En general, los métodos

y los procedi-

rc

utilizados con equipos portátiles son esencialmente los mismos usacsn la inmersión f,rja.

O CO\JIJNTOS PORTATILES

Ite agua

dtsponibles equipos para inspección fluorescente y visible por el siste-

le.

& rmoción

ülca. ¡as ¡

"*

por solvente. Los tres componentes: limpiador, penehante y , se empacan en recipientes de volumen y en tarros de aspersión ). La selección entre atomización y frotado depende del tipo y del del defecto, del tamaño del área de ensayo y del grado de prelimpieza ¡slrmpi eza qlre se vaya a realizar . La limpieza y la remoción del pene- realizan con bayetillas libres de hilazas y con toallas de papel.

Ft.' ¡gua

=IC.\CIONES

eable.

*

pta.

bas

§ i

I

L

Y NORMAS

práctico establecer ningún tipo de normatividad universal debido a la rariedad de componentes y de conjuntos sometidos a inspección por tes. a las diferencias en los tipos de discontinuidades comunes a i a las diferencias en el grado de integridad requerido. Generalmente

¿srndares de calidad para los tipos de discontinuidades reportados por ry----ión con penetrantes se establecen por uno o más de los siguientes

--ürs.

86

Fundamentos del análisis defalla

1. Adopción de estándares que

se han

utilizado con éxito para piezas simi-

lares.

2. Evaluación

de los resultados de la inspección de penetrantes por exa-

men no destructivo.

3. Análisis experimental y teórico de esfuerzos. EspBcrrrcecroNES

Una especificación es un documento que delinea en forma típica el diseño y los requisitos de funcionalidad. La especificación deberá incluir los métodos

y los requerimientos basados en el procedimiento de inspección y de ensayo, pero esto es dificil con la inspección de penetrantes, porque la terminologíaparatrabajar con especificaciones de calidad es a menudo ambide inspección

gua en este campo.

Las especificaciones aplicables a la inspección por penetrantes generalmente se dividen en dos categorías amplias: aquellas que involucran materiales y equipos, y aquellas que se relacionan con los métodos y con las nonnasHay varias noÍnas'y especificaciones de uso común. Por ejemplo: ASTM

- E165

Práctica normativa para el método de inspección por penetrantes.

ASTM

-E270

Definiciones normativas de los términos relacionados con la inspección por penetrantes.

ASME

- SEC,- V

Código Asme, sección V, artículo 6. Calderas y recipientes de presión.

Además, existen norrnas ASTM para cada uno de los sistemas de

ción. Ver ASTM E 1208, 1209, 1210, 1219, 1220, E 1135, D 2512.

Srsrnnms DE coNTRoL utilizan varios métodos y tipos Normas para verificar la efectividad de los penetrantes líquidos. Uno de métodos más antiguos y más utilizados frecuentemente involucra los ta Junto con las especificaciones anteriores,

se

Inspección con líquidos penetrantes 87

,je cromo, los cuales están disponibles en conjuntos que contienen

3=isas. medianas y f,nas. Adicionalmente, se han producido otros tie inspección para indicaciones específicas requeridas para una s-ODCfet2.

l¡:s¡¿rlares

-

de aceptación

y

rechazo parala inspección de colorantes de

establecen generalmente para cada articulo individual o para

áe aniculos por el diseñador. En muchos casos, la aceptación y el - ;undamentan en la experiencia que se tiene con artículos similares,

rr^-rpal

factor es el grado de integridad requerido.

-l¡r Isrn¡cf ive Evaluation ---¡-iOnal.

and Quality Control, Metals Handbook,9'h ed., ASM