Análisis De Materiales Ferrosos: Curso

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Análisis de materiales ferrosos Línea de carrera

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MODULO IV : FRACTOGRAFIA. 1.- FRACTURA FRÁGIL. 2.- FRACTURA DÚCTIL. 3.-FRACTURA POR FATIGA.

FRACTOGRAFIA: TIPOS Y MODOS DE FRACTURA

FRACTOGRAFIA Análisis fractografico

Caracteres mofologicos de superficie de rotura

Mecanismo de la rotura

Causas de la rotura

Mal mantenimiento o reparación Diseño inadecuado

Defectos de fabricacion Causas de la rotura

Sobrecargas en operacion

Ambiente agresivo

FRACTOGRAFIA Identificacion del tipo de fractura Depende de: Tipos y condiciones de los esfuerzos mecanicos Condiciones del medio ambiente (Temperatura, humedad, corrosion etc) Comportamiento del material Identificación a través de:

Superficie de Fractura Apariencia micro y macroscopica

TIPOS DE FRACTURA Y TIPOS DE CARGA Identificacion del tipo de fractura TIPOS DE FRACTURA

Tipos de carga

MODOS DE FRACTURA

Condiciones de carga

Fractura por Tracción

F. por sobrecarga

Fractura dúctil

Fractura por Flexión

F. por impacto

Fractura frágil

Fractura por Torsión

F. por carga estática

Fractura por fatiga

Fractura por Fuerza combinada

F. por carga cíclica F. por corrosión

TIPOS DE FRACTURA Y TIPOS DE CARGA LOS TIPOS DE CARGA TIENEN UN EFECTO IMPORTANTE EN EL MODO DE FRACTURA

FALLAS POR CARGA SIMPLE

TIPOS DE CARGA

MODO DE FRACTURA

FRACTURA Y CONDICIONES DE CARGA Condiciones de carga Fractura por sobrecarga Se origina como consecuencia del lento o moderado incremento de los esfuerzos mecánicos en una pieza.

Fractura por carga estática Ocurre como consecuencia de la aplicación sostenida de esfuerzos mecánicos bajo condiciones de carga estática a lo largo de un periodo de tiempo.

FRACTURA Y CONDICIONES DE CARGA

Condiciones de carga Fractura por impacto Se origina por el incremento de los esfuerzos mecánicos a velocidades muy altas. Esta fractura puede ser por colapso plástico o por fractura frágil Fractura por fatiga

Se produce por la acción de esfuerzos cíclicos. Los esfuerzos de fatiga que originan la fractura pueden ser o estar debajo del esfuerzo de fluencia.

FRACTURA Y CONDICIONES DE CARGA

FRACTURA DUCTIL Apreciable deformación plástica considerable consumo de energía.

y

Lenta propagación de la grieta (< 6 m/s). Apariencia macroscópica de la fractura: fibrosa, grisácea. Puede presentar una superficie plana o una superficie inclinada (respecto a la dirección de aplicación de los esfuerzos máximos). Apariencia microscópica de la fractura: micro cavidades

FRACTURA DUCTIL Superficie plana

Estado triaxial de tensiones  deformación plana  elementos de gran espesor Formación de un cuello o estricción antes de la fractura . El plano de rotura es normal a la dirección de los esfuerzos máximos aplicados. Carga en condiciones  esfuerzos planos  elementos de sección delgada Superficie de fractura forma un angulo de aprox. 45° respecto al eje de esfuerzos rotura es normal a la direccion de los esfuerzos maximos. Puede o no presentar estriccion.

Superficie inclinada

FRACTURA DUCTIL CAUSAS DE LAS FRACTURAS DÚCTILES

Escasamente se presenta en servicio. Una fractura dúctil se origina como resultado de una sobrecarga, producto de los siguientes condiciones:

Subdimensionamiento del componente Propiedades mecánicas del material Fabricación inadecuado

Material defectuoso Sobreesfuerzos mecánicos

FRACTURA DUCTIL Fractura dúctil por carga estática. Fractura por tracción

FRACTURA DUCTIL Fractura dúctil plana por carga estática. Fractura por cizalladura.

FRACTURA FRAGIL

Metal frágil resiste la deformación permanente cuando esta sujeto a una carga. Rápida propagación de la grieta sin apreciable deformación plástica. Menor consumo de energía comparada con la fractura dúctil Fractura de apariencia brillante, granular con poca o ninguna estricción. El plano de fractura es perpendicular a la dirección de los máximos esfuerzos de tracción.

FRACTURA FRAGIL De acuerdo al mecanismo a nivel microscópico que provoca la fractura frágil esta puede ser: Fractura frágil por clivaje Fractura frágil Intergranular.

Imagen SEM de una fractura por clivaje

Imagen SEM de una fractura intergranular

SEM: (microscopia electrónica de barrido)

FRACTURA FRAGIL Fractura frágil por clivaje Es una fractura de baja energía que se propaga a lo largo de planos cristalográficos conocidos como planos de clivaje Aleaciones de ingeniería son policristalinas contienen granos, subgranos, inclusiones, dislocaciones y otras imperfecciones. Fractura por clivaje se propaga cambiando su orientación de grano a grano y aparecen escalones que tratan de acomodar estas diferencias.

FRACTURA FRAGIL Fractura frágil por clivaje

Es el mecanismo de la fractura frágil transgranular y se fractura a bajas temperaturas. Los "patrones de río" se forman cuando la fractura de clivaje es forzado a reiniciar en el límite de un grano y en diferente orientación. Estas crestas tienden a combinarse en la dirección de crecimiento de grietas, y puede ser utilizado para identificar el inicio de la grieta y crecimiento.

FRACTURA FRAGIL Fractura frágil por clivaje La Fig. muestra un ejemplo interesante de la fractura de clivaje en cromado duro en un eje de acero. El cromo tiene una red cúbicos centrado cuerpo (BCC) en la estructura.

FRACTURA FRAGIL Fractura frágil intergranular

Es una fractura Descohesiva en la cual la grieta se mueve por los limites de grano

FRACTURA FRAGIL Marcas macrografías

Crestas radiales Son observadas en una fractura frágil permite orientarnos en la búsqueda del origen y de la dirección de propagación de la grieta. Las crestas radiales están orientadas de forma que el punto de origen de la grieta es justamente desde donde se irradian estas marcas. Las crestas radiales no siempre están presentes en la superficie de fractura y muchas veces son poco perceptibles.

FRACTURA FRAGIL direction

Marcas macrograficas Marcas de Chevron O marcas de espina de pescado que apuntan hacia el origen de la fractura, donde hay algún tipo de concentración de esfuerzos, como defecto de soldadura, grietas de fatiga o grietas de corrosión bajo tensión. El plano de la fractura es perpendicular a la tensión de tracción que provocó la fractura. Resulta de un crecimiento discontinuo de superficies de fractura por clivaje. El frente de propagación fractura tiende a ser curvado.

de

Origin

direction

FRACTURA FRAGIL Marcas macrograficas

Direccion Fractura

Origen

Fractura fragil

Marcas de Chevron Si la fractura frágil sigue completamente alrededor de la pieza, las dos fracturas separadas puede constituir una etapa donde se superponen, frente al origen. El interior, o núcleo, es probable que tenga una fractura dúctil. Un caso de fractura de eje endurecido mostrando las marcas de Chevron apuntan de nuevo hacia el origen de la fractura.

Fin de fractura

Origen

FRACTURA FRAGIL Marcas macrograficas Picos de rotura de corte Los picos de rotura de corte en los bordes de la superficie orienta el origen de fractura. Estos picos se presentan en la región final de fractura, en la periferia y nunca en el origen. Marcas (crestas radiales, chevron) Su tamaño esta influenciada por:

La temperatura Resistencia del material El tamaño del grano.

Si T es > marcas son mas evidentes Si T es <, σ es > y G es < marcas disminuyen o desaparecen

Picos de rotura de corte

FRACTURA FRAGIL Fractura frágil por tracción

Fractura frágil por torsión

FRACTURA FRAGIL

CAUSAS DE LA FRACTURAS FRAGIL Entalles: discontinuidades por cambios de sección, defectos de mecanizado o daños en servicio (rayado) Defectos del material: pliegues, laminaciones, grandes inclusiones no metálicas, defectos de forja, etc.

Segregaciones, inclusiones, microestructuras indeseables, etc. Por tratamiento térmico, presencia de hidrogeno y corrosión.

FRACTURA FRAGIL

FRACTURA FRAGIL Frágil plana por carga estática. Fractura a tracción

FRACTURA FRAGIL Fracturas por impacto

Las "fracturas por impacto" son ocasionadas por una carga de choque grave o bien por un objeto extraño que pasa a través del enbonamiento de los engranes. Todo el engranaje de la transmisión se debe inspeccionar en relación a posibles daños ocasionados por el diente roto .

FRACTURA POR FATIGA

¿Qué es la Fatiga? Fatiga es el debilitamiento progresivo de la parte que se presenta como resultado de una carga fluctuante y cíclica que excede la resistencia a la fatiga del material. La fatiga origina la formación de fisuras que se propagan por la acción de una carga hasta que la pieza llega a debilitarse demasiado por la acción misma de la carga. La fractura final ocurre en este punto. En aplicaciones de servicio, las fallas por fatiga involucran deformaciones y esfuerzos cíclicos impuestos en el componente un período de tiempo prolongado. Dependiendo de la aplicación, el número de ciclos o la aplicación y remoción de una carga, generalmente es en rangos de millones.

FRACTURA POR FATIGA Mecanismo de falla por fatiga Etapa 1 Inicio

Micro deformación plástica: Provocan movimiento de planos de deslizamiento a través de planos de dislocaciones.

Iniciación de micro fisuras: Se originan en : bandas de deslizamiento, limites de granos, en partículas de 2da fase, en inclusiones o interfaces matriz/fase secundaria Espaciamiento entre las estriaciones es una medida del lento avance de la fisura de fatiga (por ciclo de deformacion)

FRACTURA POR FATIGA Mecanismo de falla por fatiga Etapa 2 Propagación

FRACTURA POR FATIGA Mecanismo de falla por fatiga Etapa 3 Fractura Final

Fractura Final La macro grieta reduce la sección efectiva que soporta los esfuerzos y provoca la fractura del componente

Fractura Final El mecanismo de fractura es similar al de la fractura por carga simple. Aunque algunos eventos que conducen a la fractura son el resultado de una carga cíclica, la última aplicación de la carga que excede la resistencia última del material, genera en efecto, la fractura final por carga simple

FRACTURA POR FATIGA

Factores que afectan la vida en la fatiga son: resistencia del material concentraciones de esfuerzos temperatura de operación tamaño y forma de la parte condiciones superficiales de la parte historia previa referente a cargas Esfuerzos aplicados Esfuerzos residuales

Las cargas cíclicas que pueden causar fatiga son: Flexión por giro Torsión Tensión

FRACTURA POR FATIGA Fractura por Fatiga en Flechas ¿Cuáles son los tipos de carga y sus efectos en fisuras en flechas de metal? El tipo y magnitud de la carga son factores importantes a considerar cuando analiza fracturas por fatiga. Cuando una flecha de metal con sección transversal uniforme está sujeta a flexión pura, las fisuras por fatiga pueden iniciar en cualquier punto a lo largo de la superficie convexa de la flecha.

FRACTURA POR FATIGA

Marcas macrograficas Se muestra tres orígenes (etapa 1) en (O); estrechamente espaciados las estrías de fatiga (etapa 2) en (S), marcas de playa, en (B), y dos marcas ratchet (R) donde las grietas por fatiga desde los orígenes se unen tal como las grietas se convierten más profundas. El n° de marcas ratchet es igual a uno menos que el n° de orígenes, las marcas ratchet es importante para determinar el n° de orígenes. Las marcas de playa y estrías no aparecen en regiones donde ocurre la rotura rápida. La rotura final puede ser dúctil o frágil

FRACTURA POR FATIGA Marcas macrograficas marcas de playa marcas de playa, indican la posición del extremo de la grieta en algún instante de tiempo y tienen el aspecto de crestas concéntricas que se expanden desde origen de las grietas, en forma circular o semicircular. Las marcas de playa son macroscópicas y pueden verse a simple vista. Estas marcas se encuentran en componentes que experimentan interrupciones en la propagación, ejemplo, una maquina que funciona durante las horas normales de trabajo. Cada banda de marca de playa representa un periodo de tiempo en el cual ocurrió la propagación de la grieta.

FRACTURA POR FATIGA

Marcas macrograficas Estrías

Las estrías son microscópicas, se forman de intrusiones y extrusiones. Se cree que cada estría es la distancia de la grieta durante un ciclo de carga. La anchura de la estría aumenta con el intervalo de la tensión. Las estrías y marcas de playa tiene apariencia similar, pero son diferentes, puede haber miles de estrías en una marca de playa. Las estrías no se presentan en metales muy duros o muy suave. Aceros endurecidos sobre 50 HRC se desarrollan sin estrías, probable a su falta de ductilidad. A medida que aumenta la dureza, las estrías son más difíciles de observar. En metales extremadamente suave no forman estrías, es probable porque su baja fuerza los hace vulnerables al daño.

FRACTURA POR FATIGA Área Pulida

Marcas macrograficas Superficie lisa En algunos casos, el cierre y apertura repetitiva de la fisura durante la operación pule la superficie anterior fisurada y aumenta la fisura para originar finalmente la falla. Cuando es visible el área pulida en la superficie fracturada, es común que el punto de inicio de la fractura esté en la misma área.

FRACTURA POR FATIGA

Marcas macrograficas Marcas Ratchet: Estas marcas son perpendiculares a la superficie desde el cual se originan las fracturas. En piezas circulares, o ejes, las marcas ratchet son radiales, apuntan hacia el centro, en piezas planas (muelle), es perpendicular a la superficie, pero se curvan si la flexión es unidireccional. Si los orígenes son en el mismo plano, el crecimiento de la grieta desde un origen comenzará a superponerse a la de otro origen. Crea una fractura en una esquina de ángulo perpendicular a la superficie de la pieza. Las grietas se hacen más profundas, en cada origen tienden a propagarse y hacerse una fractura con numerosos orígenes.

FRACTURA POR FATIGA Marcas macrograficas

Marcas Ratchet: (a) Formación de las marcas ratchet en filete de paso del eje bajo cargas de flexión rotativa uniforme, (b) Esquema de la superficie de fractura que muestran las marcas ratchet, cerca de la periferia y la ruptura final del centro (etapa 3).

FRACTURA POR FATIGA

(a) Inicio de la Fractura Interna (b) El inicio de la fractura por fatiga también puede ocurrir por debajo de la superficie de la pieza. Se puede presentar fatiga interna cuando hay concentración de esfuerzos alrededor de una inclusión sub superficial de la parte. (c) La escama interna denominada ojo de pescado también genera el inicio de la fractura desde el interior de la parte.

Inclusión Subsuperficial

Ojo de Pescado

SUPERFICIE FRACTURADA - SEÑALES

Fractura Fatiga por flexión plana

SUPERFICIE FRACTURADA - SEÑALES Fractura Fatiga flexo rotativa

SUPERFICIE FRACTURADA - SEÑALES

SUPERFICIE FRACTURADA - SEÑALES

Fractura por fatiga de eje caja reductora

SUPERFICIE FRACTURADA - SEÑALES

Fractura por fatiga

SUPERFICIE FRACTURADA - SEÑALES Fracturas por Fatiga Por esfuerzos extremadamente elevada en el diente del engrane por un período de tiempo. Las causas posibles podrían ser: Cargas de choque ocasionando una grieta pequeña en el diente. Daños en el diente por objetos que entran al endentamiento del engrane. Condición de sobrecarga Imperfecciones de forja, marcas de maquinado excesivo o tratamiento de calor inadecuado. Picaduras graves o fatiga de la superficie.

SUPERFICIE FRACTURADA - SEÑALES Fractura Fatiga

FRACTURA FRAGIL Modos de fractura mixto

Origen

Fractura por fatiga

Fractura inducida por fatiga, esta fractura puede tener un origen en un mecanismo de fatiga, pero puede propagarse finalmente a través de otros mecanismos.

Fractura fragil

Fractura ductil

GRACIAS POR SU ATENCIÓN