MECANISMOS DE FALLA DE COMPONENTES ESTRUCTURALES

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA

ANTONIO JOSE DE SUCRE VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

DEPARTAMENTO DE METALURGIA

ASIGNATURA: ANLISIS DE FALLA

Prof. Miriam Romero

INTRODUCCION

Qu entendemos por falla en un

componente estructural?

Definimos como elemento estructural a

cualquier elemento o componente cuya

funcin esencial sea la transmisin de

esfuerzos mecnicos o la retencin de

fluidos a presin. Esta definicin es muy

general e incluye por ejemplo desde una

biela en un motor de combustin interna

hasta una tubera de presin para

conduccin de fluidos a larga distancia.

Es necesario tener en cuenta que si bien la funcin

primaria de un elemento estructural es la transmisin

de esfuerzos o la retencin de presin, existirn en

general requerimientos adicionales que el elemento

deber satisfacer.

Por ejemplo, el elemento puede tener que cumplir su

funcin en un ambiente qumicamente agresivo o a

alta temperatura, bajo condiciones de desgaste

abrasivo o bajo flujo neutrnico, etc.

Estos requerimientos limitan en general el rango de

materiales que ser posible emplear para cumplir la

funcin estructural primaria.

Definiremos como falla de un elemento estructural a

cualquier situacin que impida que el elemento cumpla

su funcin de transmisin de esfuerzos o de retencin de

presin como se encuentra previsto en el diseo del

elemento es decir, la falla se produce cuando el

elemento se torna incapaz de resistir los esfuerzos

previstos en el diseo.

Esta definicin es muy general e implica por lo tanto

situaciones muy diversas.

Por ejemplo, la presencia de defectos en una soldadura

de un tubera que impide que la misma opere a la

presin de diseo, constituye una condicin de falla.

Un alabe de una turbina falla si el alabe se rompe o se

deforma excesivamente.

Estadstica mundial de fallas en equipos

conducentes a grandes prdidas (D. Mahoney

1992)

Esta tabla nos dice que el 60% de las mismas

corresponden a sistemas de tuberas, tanques y

reactores.

Obviamente una de las razones de esta elevada

proporcin es que estos componentes son los ms

comnmente empleados en las industrias de proceso,

pero una segunda razn la constituye el hecho de que

estos elementos comparten el atributo de representar

contenedores de presin.

Una caracterstica de todo recipiente o contenedor de

presin es que el mismo se encuentra sometido a un

estado esencialmente uniforme de tensiones. En otras

palabras, las tensiones varan poco de un punto a otro del

elemento. Esto implica que si en un punto del elemento se

inicia una rotura, la misma tender a propagarse a lo

largo del componente siendo muy baja la probabilidad

que se den las condiciones para una interrupcin de esta

propagacin.

Por otra parte, mientras muchos componentes

estructurales presentan elementos redundantes que

hacen que la falla de uno de ellos no implique

necesariamente el colapso del componente, los

contenedores de presin constituyen elementos crticos

sin redundancia lo que hace que una rotura se convierta

con alta probabilidad en una falla catastrfica.

Descripcin de los Modos de Falla.

Llamamos modo de falla al fenmeno o mecanismo responsable del

evento o condicin de falla. En este sentido, los modo de falla que en

general pueden afectar a un componente estructural, son:

Inestabilidad elstica (pandeo local o generalizado)

Excesiva deformacin elstica

Excesiva deformacin plstica (fluencia generalizada)

Inestabilidad plstica (estriccin, pandeo plstico)

Fatiga de alto ciclo y bajo ciclo

Corrosin, erosin, corrosin-fatiga, corrosin bajo

tensiones, etc.

Creep y creep-fatiga

Fractura rpida (frgil, dctil, mixta)

Los cuatro primeros modos de falla pueden ser

atribuidos fundamentalmente a falencias en el

diseo del elemento estructural (excepto en el

caso en que la falla se produzca como

consecuencia de una carga superior a las

mximas previstas en el diseo).

Los cuatro modos mencionados en ltimo

trmino, si bien pueden ser causados por un

diseo incorrecto, obedecen muchas veces a

factores introducidos durante las etapas de

fabricacin del elemento o a condiciones de

servicio.

Excesiva Deformacin e Inestabilidad

Elstica.

El modo de falla por excesiva

deformacin elstica se produce por

ejemplo cada vez que una pieza que debe

mantener sus dimensiones dentro de

ciertos lmites, sufre una deformacin

elstica que hace que aquellas excedan el

valor admisible, conduciendo a problemas

de interferencia tales como atascamiento

o a deflexiones excesivas.

En el caso de uniones soldadas por

ejemplo, la recuperacin elstica que

sigue a la liberacin de una pieza

inmovilizada durante la soldadura, puede

conducir a cambios dimensionales o

distorsiones inadmisibles. La forma ms

comn del modo de falla por inestabilidad

elstica es la constituida por el fenmeno

de pandeo.

Este se produce cuando un elemento estructural

esbelto tal como una columna es sometido a una

carga de compresin suficientemente alta segn

su eje longitudinal. Puede demostrarse que existe

una carga que depende del momento de inercia

de la seccin resistente, del mdulo elstico del

material, y de la forma de sujecin del elemento,

por encima de la cual las deflexiones laterales

crecen sin lmite conduciendo a la destruccin del

componente.

El fenmeno de pandeo puede adoptar una forma

global, es decir afectar a todo el componente

como en el caso de una columna, o ser local

afectando slo una parte de la estructura como

ocurrira en el caso de una fabricacin con paneles

en compresin donde slo alguno de tales paneles

sufre pandeo.

Excesiva Deformacin Plstica

La excesiva deformacin plstica constituye sin duda el

modo de falla mejor comprendido, y es la base del diseo

clsico de componentes estructurales.

Dicho diseo tiene como objetivo fundamental establecer

las dimensiones de las secciones resistentes necesarias

para asegurar un comportamiento elstico de las mismas.

Esto significa en teora que en ningn punto de una seccin

resistente se alcance una condicin de fluencia, es decir de

deformacin plstica.

Sin embargo, en las estructuras reales, y muy

particularmente en las estructuras soldadas, la presencia

de concentradores de tensin mas o menos severos es

inevitable.

De todos modos, en la medida que el tamao

de tales zonas plsticas sea pequeo en

relacin con las dimensiones caractersticas

de la seccin resistente, puede considerarse

que la seccin se comportar, al menos

desde un punto de vista ingenieril, de

manera elstica.

En cambio, si por un incremento en las

cargas las zonas plsticas se propagan hasta

alcanzar una fraccin significativa de la

seccin, nos encontramos ante una falla por

excesiva deformacin plstica.

En el caso extremo, la seccin completa

puede llegar a plastificarse y en tal caso

hablamos de una condicin de fluencia

generalizada.

Inestabilidad plstica

Bajo ciertas condiciones, un material que ha alcanzado la condicin plstica puede inestabilizarse

y conducir rpidamente a un colapso plstico. Un

ejemplo conocido de este fenmeno es la estriccin

que precede a la rotura en el ensayo de traccin de

un material dctil.

La inestabilidad plstica puede ser responsable

en otros casos de la propagacin rpida de una

fisura, dando as origen a un fenmeno de

fractura dctil rpida.

Hoy se sabe que muchas fallas catastrficas que

en el pasado fueron atribuidas a fracturas

frgiles, tuvieron su origen como inestabilidades

dctiles. El incremento logrado en las ltimas

dcadas en la resistencia y tenacidad de los

materiales, hace que el fenmeno de falla por

inestabilidad dctil sea objeto de especial

atencin por parte de ingenieros e

investigadores.

Fatiga

El fenmeno de fatiga es considerado responsable

aproximadamente de mas del 90% de las fallas

por rotura de uniones soldadas y precede muchas

veces a la fractura rpida.

Una discontinuidad que acta como concentrador

de tensiones puede iniciar bajo cargas cclicas una

fisura por fatiga que puede propagarse lentamente

hasta alcanzar un tamao crtico, a partir del cual

crece de manera rpida pudiendo conducir al

colapso casi instantneo de la estructura afectada.

La concentracin de esfuerzos se define como un pico en la

intensidad del esfuerzo que ocurre en un punto de

discontinuidad geomtrica de un elemento sometido a carga.

Ejemplos de tales discontinuidades geomtricas son: entallas,

taladros, roscas, reducciones de espesor, etc.

Los efectos de la concentracin de esfuerzos dependen de la

intensidad y tipo de carga (esttica o cclica), material,

geometra del elemento y geometra de la discontinuidad.

Se define el factor de concentracin de esfuerzos k como la

relacin entre el esfuerzo mximo o pico y el esfuerzo

nominal en la seccin neta, ambos en el rango elstico de

carga. Este factor k es aplicado al esfuerzo nominal presente

en el elemento para obtener el esfuerzo mximo de entalla,

que ser el que nos d finalmente el Factor de Seguridad en

el elemento.

La Fig. 3 muestra la superficie de fractura de un eje

en el que se inici una fisura por fatiga a partir del

concentrador de tensiones representado por el

alojamiento de la chaveta.

Recomendaciones Prcticas de

Diseo a Fatiga

La mejor prctica es tratar de reducir al mximo

el riesgo de fallos por fatiga en el diseo de

piezas sometidas a cargas cclicas. Se

recomienda:

Reducir/eliminar cargas cclicas.

Reducir operaciones - usar velocidades de rotacin ms

bajas, reemplazar piezas de forma regular.

Seleccionar materiales tolerantes a cargas cclicas.

Reducir/eliminar concentraciones de tensiones severas --

no permitir esquinas vivas o cambios de seccin bruscos.

Especificar procesos de fabricacin que den resistencia

a la fatiga -- trabajo en fro, granallado.

Especifican tratamientos trmicos que aumenten la

resistencia a fatiga -- Nitruracin/Carburizacin.

Sobredimensionar las piezas para reducir niveles de

tensin.

Precargar las piezas para convertir cargas cclicas en

cargas permanentes (precarga de tornillos).

Creep

Las deformaciones elsticas y plsticas que sufre un

material se suelen idealizar asumiendo que las

mismas se producen de manera instantnea al

aplicarse la fuerza que las origina. La deformacin

que puede desarrollarse posteriormente en algunas

situaciones y que progresa en general con el tiempo,

se conoce con el nombre de creep.

Para los materiales metlicos y los cermicos, la

deformacin por creep se torna significativa por

encima del rango de temperaturas 0.3/0.6 Tf, donde

Tf es la temperatura absoluta de fusin del material.

La adecuada seleccin de materiales

para servicio a alta temperatura es un

factor esencial en el diseo resistente al

creep.

En general, las aleaciones metlicas

empleadas contienen elementos tales

como Cr, Ni, y Co en distintas

proporciones segn las caractersticas

especficas buscadas. El fenmeno de

creep puede conducir a excesivas

deformaciones plsticas o culminar en la

rotura de un elemento estructural.

Fractura rpida

Algunos metales sometidos a un ensayo de traccin

presentarn una estriccin en la zona central de la probeta

para romper finalmente con valores de reduccin de rea que

pueden llegar en algunos casos al 100%.

Este tipo de fractura se denomina dctil y es caracterstica

de materiales del sistema cubico de caras centradas (fcc) en

estado de alta pureza. Por el contrario, muchos slidos,

particularmente metales cbicos de cuerpo centrado (bcc) y

cristales inicos, presentan fracturas precedidas por

cantidades muy pequeas de deformacin plstica, con una

fisura propagndose rpidamente a lo largo de planos

cristalogrficos bien definidos, llamados planos de clivaje,

que poseen baja energa superficial. Este tipo de fractura se

denomina frgil.

Si bien la diferenciacin anterior es de gran importancia

conceptual y prctica, desde el punto de vista ingenieril es

tambin importante caracterizar el proceso de fractura

segn la velocidad con que se desarrolla.

Desde este punto de vista la fractura rpida se caracteriza

por la propagacin inestable de una fisura en una

estructura; en otras palabras, una vez que la fisura

comienza a crecer el sistema de cargas de por s produce

una propagacin acelerada de aquella.

Las velocidades de propagacin pueden ser desde unos

centenares a algunos miles de metros por segundo. Este

tipo de fractura rpida puede o no estar precedida por una

extensin lenta de la fisura. La extensin lenta de una

fisura, en cambio, es una propagacin estable y que

requiere para su mantenimiento un incremento continuo de

las cargas aplicadas.

La fractura rpida constituye el modo de falla

ms catastrfico y letal de todos los

mencionados.

La misma se produce en general bajo cargas

normales de servicio, muchas veces inferiores a

las de diseo.

Por tal motivo, la fractura rpida no es precedida

por deformaciones macroscpicas que permitan

tomar medidas para evitarla o para reducir la

gravedad de sus consecuencias.

Una vez iniciada, pocas veces se detiene antes

de producir la rotura completa de componente.