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Análisis de fractura de un Muelle 2013
1 Técnicas de Análisis Estructural de materiales
Análisis de Fractura de un Muelle
FRACTOGRAFIA
Docente: Ing. Felix Mauricio Perez.
Alumnos: Julio M. Callupe S.
20091228D
2013-II
Análisis de fractura de un Muelle 2013
2 Técnicas de Análisis Estructural de materiales
FRACTOGRAFIA
I.- Antecedentes:
1.- Pieza Fracturada: Muelle
2.- Material: Acero
Composición en % del Acero para Muelles
P<0,03 S<0,03
# C Mn Si Cr V W
Aceros al Carbono
1 0,45-0,60
0,60-0,80
0,20-0,30 - - -
2 0,60-0,80
0,60-0,80
0,20-0,30 - - -
3 0,80-1,00
0,50-0,70
0,20-0,30 - - -
Existen aceros para muelles al manganeso-silicosos, al manganeso, al cromo manganeso,
cromo silicio, etc. pero en nuestro caso se trata de un muelle de un vehículo ligero.
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3.- Proceso de Fabricación:
Existen distintos procesos de fabricación de los muelles, dependiendo del tratamiento térmico
realizado al producto de acero recibido del proceso de laminación, como también de la
temperatura a la cual se encuentre el acero. Los distintos tipos de procesos dependen de la
característica del acero obtenido en el proceso primario:
Barras de acero recocido
Barras normalizadas
Alambres estirados
Alambre templado en aceite
Alambre “cuerda de piano”
4.- Tratamiento Térmico De Los Aceros Para Muelles
Recocido
El recocido de los aceros para muelles exige ciertas precauciones especiales, que a veces puede
inutilizar el material por efectuarse mal esta operación. El recocido tiene por objeto ablandar el
acero, quitarles tensiones que se han originado en la laminación y trefilado y hacer posible el
enrollado. En este proceso debe evitarse que el material se descarbure, pues luego en las zonas
descarburadas se inician fácilmente grietas de fatiga durante el trabajo del muelle y además,
con la descarburación, se disminuye la sección transversal útil de muelle, ya que el
comportamiento elástico de la zona descarburada es muy bajo. Sobre todo ha que tener
especial precaución con los aceros mangano-siliciosos, que se descarburan con mucha mayor
facilidad que los demás. Para evitar este contratiempo, se pueden hacer los recocidos en cajas
cerradas con bastante cantidad de viruta de fundición exenta de humedad o en hornos de
atmósfera controlada, procurando no elevar demasiado la temperatura, siendo preferible, a
veces, obtener durezas no muy bajas y tener seguridad de que no hay descarburaciones.
El recocido se suele efectuar a temperaturas comprendidas entre 750° y 800° y luego se enfría
lentamente en el horno a los 600°. De esa forma quedan los aceros con durezas comprendidas
entre 170° y 220° unidades Brinell.
Temple
Se realiza a temperaturas variables de 800° a 900° y no exige precauciones muy especiales. Se
obtienen muy buenos trabajos realizando el calentamiento en hornos de sales, ya que de esa
forma empleando sales de cianuro ligeramente carburantes no solo se evita la descarburación,
sino se consigue una ligera carburación superficial que es muy beneficiosa. Además se evita la
oxidación superficial y la presentación es muy buena. El enfriamiento se hará rápidamente en
agua o aceite, según el tipo de acero. Los aceros al carbono y de baja aleación se templan en
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agua y los aceros cromo-vanadio y algunos otros aleados, en aceite. El temple en aceite tiene la
ventaja de que produce menos deformaciones que el temple en agua, pero solo se puede
emplear para los aceros aleados o perfiles delgados de aceros de baja aleación.
La mejor forma de conocer si los aceros para muelles deben ser templados en agua o aceite, es
el estudio de las curvas de Jominy. En ellas se ven diferencias importantes a pesar de ser el
contenido en carbono de todos estos aceros casi el mismo.
Revenido
Se suele efectuar a temperaturas variables desde 200° a 500°, según el proceso de fabricación,
y luego se enfrían al aire. En algunos talleres que no tienen buenos aparatos para la medida de
la temperatura, al revenir los muelles gruesos y ballestas, para comprobar si el acero tiene la
temperatura conveniente, suele utilizar como pirometro un trozo de madera. Es un
procedimiento muy clásico, poniendo una madera en contacto con el acero a 400°
aproximadamente, desliza suavemente, a 450° la madera comienza a mera y a 500° se quema y
aparecen pequeñas llamas.
II. Esfuerzos relacionados en la dinámica de trabajo de la pieza.
La fuerza o esfuerzo principal que afecta en gran dimensión a la pieza es el esfuerzo de
flexión, pero también se presenta las esfuerzos de Torsión, comprensión tracción pero en
magnitudes medianamente pequeños. La pieza esta diseñada para soportar estos esfuerzos.
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En la figura se puede observar las zonas con más tendencia a fracturarse, justamente es la
zona donde la fatiga inicio en nuestra pieza de análisis.
II-Análisis de la fractura
Primero retiramos los
óxidos de la superficie
de la muestra,
preferentemente con
agua regia en una
proporción de 3 a 1 de
ácido clorhídrico y
ácido sulfúrico ( Q.P.)
respectivamente.
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La fractura principal que se observa en el muelle. Una zona grande fatiga se puede ver en el
centro, en los bordes que se muestran junto aquí. Esta zona creció a una longitud de sólo
aproximadamente 5 mm (0,2 pulgadas) y hasta una profundidad de poco más de 5cm (2
pulgadas) antes de que ocurriera fractura súbita final.
El resto de cada superficie de fractura muestra las características típicas del rápido lagrimeo.
Fig1. Muelle de acero fracturado
Origen
Se puede observar en la parte superior central de la foto donde se produjo la concentración de
la carga y es el inicio de la fractura. Esta pieza se observó en el microscopio estereoscópio y de
acuerdo a lo observado busque una foto semejante.
Fig2. Origen de la fractura
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III.- ANÁLISIS FRACTOGRAFICO
“La pieza analizada corresponde a una fractura por fatiga, por lo que fue sometida a
GRANDES ESFUERZOS DE FLEXION DURANTE UN TIEMPO PROLONGADO.”
La fotografía es muy parecida a una presente en el Metal handbook de fractografia
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La figura muestra la comparación de fractura con las del handbook. El esfuerzo que predomina
y la que genera la fatiga es el esfuerzo de flexión. La pieza formo líneas de fatiga Pequeños
durante un tiempo medianamente prolongado el cual lo llevo a la fractura súbita.
IV.- CONCLUSIONES
Se observa las líneas de fatiga después de una correcta limpieza de la superficie de fractura, para retirar los óxidos generados por la corrosión.
El inicio de la fractura se debió a la fatiga por esfuerzos de torsión y es visto a una fotografía del manual ASM Metal Handbook Volumen º12, estos esfuerzos son de gran magnitud debido a la pequeña área de líneas de fatiga del material, posteriormente se produjo la ruptura súbita de la pieza.
Los muelles son fabricados por laminación debido a ello presentan buenas propiedades mecánicas, para que resistan esfuerzos de tensión, compresión, torsión y trabajan en forma ciclada, es decir son expuestos a fatiga.
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V.- RECOMENDACIONES
Es indispensable que los aceros posean un alto límite elástico, es decir, que el coeficiente de trabajo no sobrepase el límite de elasticidad.
Es importante que los muelles, posean resistencia a la fatiga, pues muchos de los muelles, en vida útil, reciben los esfuerzos en forma cíclica y repetitiva.
Hay que cuidar la presencia de grietas, defectos que pueda tener el muelle.
Observada la fractura por fatiga del material de acero se encuentra deformada en 70% lo cual se recomienda Ensayos No Destructivos para detectar las fallas desde sus inicios y así evitar que se rompa. (mantenimiento preventivo)
VI.- BIBLIOGRAFÍA
Apuntes de Clase.
ASM Metal Handbook Nª12: Fractography
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