ANÁLISIS DE LA ROTURA DEL EXTREMO DE UN EJE MOTOR

G. Atxaga y A. M. Irisarri

PINASMET – Tecnalia. Mikeletegi Pasealekua 2. 20009 DONOSTIA-SAN SEBASTIÁN airisar@inasmet.es

RESUMEN

El objetivo del presente trabajo es analizar las causas de la rotura prematura del extremo de un eje motor teóricamente fabricado en un acero C45. Este eje presentaba un chavetero dañado, que fue reparado por soldadura, mecanizando uno nuevo en otro punto de su circunferencia. Ni el contenido en carbono ni las características mecánicas del acero concuerdan con las especificadas en el pedido de compra, ofreciendo una resistencia sensiblemente menor que la esperada. El examen de la superficie de fractura reveló que el origen del fallo se encontraba situado en un ángulo vivo del primer chavetero que no había sido reparado correctamente. A partir de este origen el agrietamiento progresó por fatiga hasta que la sección unida fue insuficiente para soportar las cargas, provocando la rotura. El fuerte deterioro sufrido por dicha superficie de fractura impidió valorar la relación existente entre las áreas de propagación de la grieta por fatiga y de fractura final y dictaminar si el nivel de tensiones había sido alto. La observación de las probetas metalográficas confirmó la falta de unión, prácticamente total, existente entre la chaveta utilizada para la reparación del daño previo y el eje lo que ha promovido que el agrietamiento haya sido más rápido. En consecuencia, el fallo del eje se debe a la suma de una serie de factores (resistencia insuficiente, mal diseño y ejecución de la reparación) que han promovido el mismo.

ABSTRACT

The aim of this paper is to analyse the root causes of the premature failure of the end of the shaft of an engine, which was theoretically manufactured using a C45 steel. This shaft presented a keyway which was damaged and repaired by welding, machining a new one in another zone of its periphery. Neither the carbon content nor the mechanical properties of the steel agreed with those specified in the purchase order, having strength significantly lower than the envisaged one. Examination of the fracture surface revealed that the origin of the failure was sited in one corner y of the first keyway which was incorrectly repaired. From this origin, cracking progressed by fatigue until the area which remained joined was not enough for bearing the applied loading, inducing the failure. The marked damage suffered by the fracture surface precluded evaluating the existing ratio between fatigue crack growth and final fracture and determining if the stress level was high. Observation of the metallographic samples confirmed the deficient union between the key used for repairing the previous damage and the shaft promoting a faster cracking. Consequently, the failure of the shaft was attributed to the sum of various factors (lack of strength, incorrect design and execution of the repair) which have promoted the failure. PALABRAS CLAVE: Reparación, fatiga, defectos de soldadura, falta de resistencia.

1. INTRODUCCIÓN En el análisis de muchos fallos la identificación del origen del mismo va ligada a la consecución de indemnizaciones más o menos cuantiosas, que pueden variar desde la simple reposición de los componentes dañados hasta alcanzar unas cifras importantes por los gastos originados por la parda de máquinas o equipos, sin contar los costes sociales producidos como consecuencia de algunas roturas [1]. Esta labor resulta sencilla en algunas ocasiones, ya que el origen puede ser inequívocamente determinado, pero, en otras, el fallo se produce como suma de una serie de factores que por si solos quizás no hubieran sido lo suficientemente graves para haber provocado

la rotura pero cuya acción sinérgica conduce al fallo. En esta situación la labor del analista se ha de centrar en exponer claramente cada uno de los factores que han contribuido a la rotura y valorar la relativa importancia que poseen a su juicio pero sin poder culpar a uno sólo del fallo. Este es el caso del extremo del eje de un motor que falló tras un periodo muy breve de su vuelta al servicio del cual había sido retirado para que el acusado agrietamiento que presentaba pudiera ser reparado. Se debe recalcar que estos datos fueron suministrados por el usuario del motor sin que hubiera ninguna constancia documental de ninguna de estas operaciones. De acuerdo con la información obtenida cuando se produjo

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el primer fallo se envió el eje al fabricante del mismo para que procediera a su reparación. Esta reparación consistió en insertar una chaveta en este primer chavetero y fijarla al eje mediante soldadura. Realizada esta reparación se procedió a mecanizar un nuevo chavetero en otro punto de la circunferencia del eje, a la misma altura del anterior, y el eje retornó al servicio. Tras un periodo muy breve se produjo un nuevo fallo, que, en este caso, provocó la rotura del eje en dos partes, así como serios daños en otros equipos. Al objeto de determinar las causas del fallo una de estas partes fue enviada para que se efectuara un análisis del fallo. En el presente trabajo se presenta el estudio realizado y expone las conclusiones alcanzadas tras el análisis de los resultados obtenidos.

2. TÉCNICA EXPERIMENTAL En este apartado se describe la metodología empleada en el análisis de las causas de rotura del eje.

2.1. Historial previo

Figura 1. Vista lateral de la muestra analizada.

En primer lugar se recabó información acerca del historial previo del eje, con vistas a disponer de más datos sobre su funcionamiento. Como se ha comentado en el apartado anterior apenas se obtuvo ninguna información reseñable ni ningún documento que mostrará un control de calidad del material recibido, ni del posterior trabajo de reparación del daño sufrido, salvo los datos que se han incluido en la introducción. Tan sólo se señaló que de acuerdo con el pedido de compra el acero debía pertenecer a la calidad antigua F114N, prácticamente equivalente a la actual C45. Éste es un acero al carbono con un contenido medio de este elemento que se puede utilizar en estado bruto de laminación o tras ser normalizado o templado y revenido. Dado que

se añade la letra N a la designación del material el estado de recepción debería ser normalizado.

2.2. Examen visual El primer trabajo experimental consistió en una observación de la superficie de fractura del eje y de los laterales del mismo. Esta labor se llevó a cabo a simple vista y, una vez efectuado el corte que permitió una manipulación más fácil de las muestras, acudiendo a la ayuda de un pequeño microscopio estereoscópico para detectar alguna faceta que hubiera podido pasar inadvertida. La figura 2 presenta una vista de la superficie de fractura del eje. En la parte superior se observa el chavetero reparado, con el trozo de chaveta insertado, en tanto que en la inferior se halla el nuevo chavetero mecanizado.

Figura 2. Vista superior de la superficie de fractura de uno de los dos trozos en que se

fracturó la herramienta.

2.3. Composición química. Se efectuó el análisis químico de una muestra del material del eje con objeto de comprobar si el material utilizado concordaba con el pedido (F114N). Asimismo se comprobó la presencia de elementos residuales que pudieran haber dificultado el proceso de reparación.

2.4. Caracterización mecánica Se mecanizó una probeta de tracción del acero del eje. Tanto en el mecanizado de esta probeta como en su ensayo a temperatura ambiente se siguieron las indicaciones de la norma europea EN10002.1 [2].

2.5. Estudio metalográfico. Finalizada la observación visual de la superficie de fractura se procedió a la extracción de las probetas metalográficas para su observación en el microscopio óptico. Se debe recalcar que pese a efectuar los cortes con el máximo cuidado se

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produjo la fractura en dos partes, hecho que no se debió a esta operación sino a la deficiente unión entre la chaveta insertada para reparar el daño y el eje. Posteriormente se comenta con mayor detalle este punto. Las probetas así preparadas fueron examinadas en el microscopio óptico, primero sin ataque, ya que éste puede enmascarar agrietamientos o inclusiones y, posteriormente, una vez atacadas para revelar su microestructura. 3. RESULTADOS Una observación a simple vista del eje revela las siguientes evidencias acerca de su rotura. En primer lugar se comprobó que el origen de la grieta que ocasionó la rotura del eje se sitúa en un ángulo vivo existente en el fondo del primer chavetero aquél que estuvo en el origen del fallo anterior y fue reparado antes de mecanizar el segundo. La macrografía de la figura 3 exhibe dicha zona, apreciándose también la aparición de otra grieta a partir del ángulo vivo opuesto.

Figura 3. Zona de inicio del fallo. Además, se observa una grieta cuyo origen se sitúa en el ángulo vivo del segundo chavetero, pero cuya longitud es apreciablemente menor ya que se originó con posterioridad a la que indujo el fallo del eje. La progresión de ambas grietas se produjo por un mecanismo de fatiga como atestiguan las denominadas marcas de playa, típicas de la actuación del mismo. Asimismo, se observan otras grietas secundarias, cuyo origen se encuentra también en el mencionado primer chavetero y que se aprecian mejor una vez que se efectúa el corte necesario para poder extraer las probetas metalográficas Se aprecia que una zona amplia de la superficie de fractura se encuentra muy deteriorada con claros signos de haber sufrido un rozamiento muy acentuado contra la otra parte del eje, bien durante el propio proceso de fractura o en la posterior manipulación de la pieza ya rota. Este

deterioro aconseja no intentar revelar las facetas fractográficas en el microscopio electrónico de barrido, pues con toda seguridad habrán sido eliminadas y tan sólo se observará el fuerte daño producido en esta superficie de fractura. En la macrografía de la figura 4 se ofrece una vista de algunas grietas secundarias y se pueden apreciar los claros signos de los golpes y roces que ha sufrido la pieza.

Figura 4. Daño sufrido por la superficie de fractura y agrietamientos secundarios.

Esta observación visual condujo a requerir la preparación de probetas metalográficas de la zona donde, en base al examen visual, se situó el inicio del fallo y a tanto efectuar el análisis químico del material como el ensayo de tracción de una probeta extraída del mismo con el fin de comprobar si concordaba con el solicitado. El análisis químico conduce a un porcentaje de carbono (0.21%) muy inferior al valor mínimo establecido tanto para la antigua calidad F114 como para la actual C45. Como muestra la tabla 1, tampoco se alcanza el mínimo de resistencia mecánica exigido para la citada calidad de acero en estado normalizado. Esta discordancia tanto de composición como de propiedades permite afirmar que el acero no satisface las condiciones establecidas en el pedido de compra y, por tanto, el suministrador del material debe afrontar el coste de las indemnizaciones correspondientes a los daños causados. Sin embargo, este punto que ha sido ahora constatado en el análisis del fallo del eje no fue comprobado en el momento de la compra del acero, acción que hubiera ahorrado muchos problemas.

L. E. (MPa)

R. T (MPa)

Alarg. (%)

muestra 336 553 29.2 norma > 305 > 580 > 16.0

Tabla 1. Resultados del ensayo de tracción a

temperatura ambiente de una probeta extraída del eje fracturado,

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Desde el punto de vista de las indemnizaciones esta conclusión es suficiente y no se requería en principio proseguir en el estudio. No obstante, se optó por profundizar en esta labor efectuando un estudio metalográfico de probetas extraídas de la zona de la rotura. Este análisis adicional reveló que el fallo había sido promovido no sólo por la falta de resistencia del acero sino que se vio ayudado por la existencia de otros defectos tal y como se comenta a continuación. Antes de efectuar el estudio metalográfico se procedió a cortar la superficie de fractura del eje al objeto de poder observarla en el microscopio estereoscópico. Este corte reveló la existencia de grietas secundarias, situadas por debajo de la superficie de fractura, y cuyo origen también se halla en un ángulo del chavatero, sin casi radio de acuerdo, como atestigua la figura 5.

Figura 5. Grietas secundarias iniciadas en el ángulo vivo del chivetero.

Se debe recalcar que esta operación de corte se efectuó con la máxima precaución, utilizando una cortadora de precisión, a baja velocidad, y con una adecuada refrigeración en un intento de evitar generar daños adicionales que pudieran conducir a conclusiones erróneas. Pese a ello, al intentar extraer una probeta metalográfica del origen de la fractura, incluyendo la chaveta insertada para efectuar la reparación y una parte del eje, al cual se suponía se hallaba soldada se comprobó que ambas piezas no tenían cohesión en esa zona, por lo que la soldadura había sido inefectiva. La observación de la probeta metalográfica en el microscopio óptico, antes de ser atacada, pone de manifiesto la existencia de una considerable cantidad de sulfuros de manganeso, orientados en la dirección longitudinal del eje. La figura 6 presenta un claro ejemplo de estas inclusiones, pudiéndose apreciar tanto su número como su orientación. Estas inclusiones no se pueden considerar como el origen del fallo que tiene otras causas pero disminuyen la tenacidad del

acero y facilitan la progresión de las grietas con el consiguiente acortamiento del tiempo de vida en servicio del eje

Figura 6. Inclusiones de sulfuro de manganeso

y grieta secundaria ramificada del eje. Además, en el lado derecho de la citada figura 6 se puede observar una de las grietas secundarias, situada por debajo de la superficie de fractura del eje. Esta observación apunta claramente a que no sólo no se consiguió unir la chaveta al eje sino que tampoco se reparó el agrietamiento existente en el momento de intentar esta labor, lo que indica que la misma se efectuó sin llevar a cabo una inspección posterior del estado en el que se encuentra el eje tras su realización. Por su parte, la figura 7 ofrece otro claro ejemplo del acentuado agrietamiento sufrido por el eje y que no sólo se hallaba presenta la grieta que condujo a la fractura sino un gran numero de grietas secundarias de mayor o menor longitud.

Figura 7. Grietas secundarias. Finalizada esta observación sin ataque de las probetas se procedió a revelar la microestructura del acero, aplicando el reactivo adecuado. Este ataque confirmó la falta de unión entre el acero del eje y el de la chaveta, empleada para intentar reparar el daño causado. En la micrografía de la figura 8 se puede comprobar que únicamente existen restos del material aportado en zonas muy localizadas de la teórica junta soldada y tan

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sólo en uno de los materiales a unir. Ello supone que, además de las grietas previas que quedaron sin reparar existían las discontinuidades debidas a esta defectuosa unión. Esto implica que la vida a fatiga del eje se vio sensiblemente acortada ya que el tiempo de nucleación de las grietas fue nulo, puesto que se hallaban ya presentes en el momento de la vuelta a servicio del eje.

Figura 8. Falta de unión entre las dos partes de

la reparación del eje. El examen de la microestructura del acero del eje puso de manifiesto que ésta se encontraba constituida fundamentalmente por ferrita, tal y como se aprecia en la micrografía de la figura 9. Este resultado se halla totalmente de acuerdo con el obtenido en el análisis químico del acero de este eje que condujo a un valor de 0.21% de carbono, muy inferior al que debería poseer en el caso de haber cumplido las especificaciones de compra.

Figura 9. Microestructura bandeada del acero

constituida principalmente por ferrita. Además, se observa en esta figura el acentuado bandeado del acero, con algunas formadas por ferrita exclusivamente en tanto que en otras, en que la segregación del carbono ha conducido a su enriquecimiento en este elemento, se detecta una cierta presencia de perlita. Un examen más detallado de la microestructura reveló agujas de

ferrita Widmanstätten, apuntando claramente a que el acero empleado en la fabricación del eje no se hallaba normalizado realmente, sino que había sido enfriado más o menos lentamente tras el proceso de laminación. En la mencionada micrografía de la figura 9 se observa también la presencia de algunas inclusiones de sulfuro de manganeso, que están situadas preferentemente en las bandas más ricas en perlita. Ya se ha comentado previamente que no se considera que estas inclusiones hayan sido responsables del fallo, aunque si han acelerado su progresión al generarse pequeñas cavidades (por su fractura o descohesión con la matriz) por delante del frente de avance de la grieta, uniéndose a ésta con la consiguiente aceleración en su creciemiento.

Figura 10. Microestructura del acero empleado

para la chaveta. Por su parte, el acero de la chaveta tampoco parece poseer el contenido en carbono requerido puesto que, como muestra la micrografía de la figura 10, se halla constituido principalmente por ferrita con sólo algunos pequeños islotes de perlita o bainita.

Figura 11. Microestructura del material depositado por soldadura para unir el eje con

la chaveta. Finalmente, la figura 11 exhibe una micrografía obtenida en el metal depositado en el extremo de la chaveta. El aspecto más reseñable es el

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constatar que la superficie exterior es recta, sin la más mínima rugosidad, indicando que no se ha producido ningún desgarro. Esto implica que no ha llegado a estar unida al eje en ningún momento, hecho que se halla en consonancia con el desprendimiento de la misma en el corte metalográfico. El segundo aspecto a comentar es la diferente microestructura de este metal fundido que parece poseer un contenido más alto de carbono. Aunque este punto no ha sido confirmado por el análisis químico del mismo, la medida de durezas que conduce a valores sensiblemente más elevados que los del acero base (256 frente a 156HV10) apoya la validez de esta hipótesis. 4. CONCLUSIONES El estudio realizado permite llegar a una serie de conclusiones que se presentan a continuación y que pueden ser clasificadas en dos grupos: las que conducen a definir las responsabilidades y quien debe pagar las indemnizaciones y aquellas otras que apuntan a una serie de factores que han contribuido a la aparición del fallo. Entre las primeras se hallan las siguientes:

a. La composición química del acero empleado en la fabricación del eje no concuerda con la establecida para la calidad F114 (actual C45) requerida en el pedido de compra.

b. La resistencia mecánica se halla por

debajo del valor mínimo admisible para la citada calidad.

c. El acero se encuentra en estado bruto

de laminación, habiéndose enfriado, como mucho a velocidades más o menos lentas pero sin haber sido sometido a un tratamiento real de normalizado.

Estas conclusiones permiten responsabilizar del fallo al suministrador del acero al no haber cumplido los requisitos. No obstante se pueden señalar otros aspectos que han contribuido al fallo.

a. El mecanismo responsable del fallo es uno de fatiga, iniciado a partir del ángulo vivo existente en el primer chavetero, que no fue reparado adecuadamente.

b. A partir de ese punto se generó un

gran número de grietas de fatiga, que

progresaron hacia el núcleo del eje y una de las cuales provocó la rotura.

c. El acentuado deterioro sufrido por la

superficie de fractura impidió valorar la relación existente entre las zonas de progresión de la grieta y fractura final. No obstante, en la evaluación del nivel de tensiones aplicado hay que tener en cuenta que la resistencia del eje es inferior a la prevista en su diseño.

d. El mecanizado de los chaveteros,

tanto del primero, que fue reparado, como del segundo presenta ángulos vivos, sin radio de acuerdo, lo que supone que en esos puntos exista una notable concentración de tensiones que promueva el fallo.

e. La reparación por soldadura del daño

observado en el primer chavetero ha sido defectuosa puesto que no se ha conseguido una unión real entre la chaveta insertada y el eje. Además, algunas grietas preexistentes no han sido reparadas en esta operación.

5. REFERENCIAS [1] Herrera E. J., Soria L. y Gallardo J. M.

Ingeniería Forense (Diagnosis de fallos). Anales de Mecánica de la Fractura. Vol. 21 (2004); 21-27

[2] UNE-EN 10002-1 Materiales metálicos. Ensayo de tracción. Parte 1. Método de ensayo a temperatura ambiente.

[3] UNE-EN 10083-1; 1997. Aceros para temple y revenido. Parte 1. Condiciones técnicas de suministro de aceros especiales.

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