CONAMET/SAM-SIMPOSIO MATERIA 2002

EVALUACIÓN DE LA FALLA DE UNA BIELA DE AUTOMOTOR

C.Cravino, G. Cardús, H. Svoboda, H. De Rosa

Departamento de Ingeniería Mecánica y Naval, Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires, Paseo Colón 850, (1406), Ciudad de Buenos Aires, Argentina

e-mail: hsvobd@fi.uba.ar, hderosa@fi.uba.ar

RESUMEN Se analizó una biela de motor Peugeot 306 Equinoxe fracturada en el tercio medio de su longitud sobre la que se realizaron análisis químico, metalográfico, de dureza y fractográfico. Según los resultados obtenidos el material de la biela corresponde a un acero del tipo SAE1141, que no concuerda con el requerido por el fabricante. No se encontraron defectos del microestructurales o superficiales en el material asociados con la falla. La superficie de fractura presenta un comienzo frágil que finaliza con características fibrosas de un proceso dúctil. A partir de los resultados obtenidos se concluye que la biela superó la tensión de fluencia del material y falló por pandeo plástico que dio lugar a una notable deformación plástica macroscópica que devino en la rotura del componente. Se considera que la falla se debió a que el componente estuvo sometido a un esfuerzo mayor al que corresponde a las condiciones normales de funcionamiento. Palabras claves: biela, pandeo, acero al C-Mn 1. INTRODUCCIÓN Desde hace mucho tiempo se viene desarrollando el análisis metalúrgico y mecánico de los componentes fallados en servicio. En este sentido, últimamente se ha sistematizado este trabajo y se han ido incorporado nuevas técnicas de evaluación a las tradicionales ya existentes. En cuanto a la falla de componentes como el estudiado en este caso, se ha encontrado como crítica la calidad superficial que se obtiene del proceso de fabricación del mismo, ya sea por forjado o por fundición, siendo que defectos superficiales como pliegues o fisuras podrían producir la falla del mismo. A su vez, el contenido de ciertos elementos de aleación que promuevan la fragilidad en caliente también se ha limitado. En cuanto al aspecto mecánico, dado que las mayores solicitaciones son de compresión, durante el ciclo de expansión, se tiene en cuenta en el diseño el fenómeno de pandeo, junto con la vida a la fatiga del componente. El objetivo de este trabajo es analizar la falla de una biela de automotor desde el punto de vista dimensional, metalúrgico y mecánico a fin de determinar una causa probable de esta falla. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1. Material Se recibió un conjunto armado, identificado como pistón, perno y biela correspondiente al

motor de un automóvil Peugeot 306 Equinoxe. Dicho conjunto presentaba la rotura de la biela en su tercio medio, como se observa en la figura 1. A su vez, se recibió para este estudio la documentación de referencia provista por el fabricante, identificada como B53-1320. 2.2. Inspección visual y análisis dimensional

A partir del material recibido, mostrado en la figura 1, se realizó el desarme del conjunto biela, perno y pistón. Sobre todo el conjunto y en particular sobre la biela fallada se realizó una observación visual detallada a fin de obtener información sobre el estado general de los componentes y del proceso de falla en estudio. Se verificaron que las dimensiones y la geometría de los componentes estuviera de acuerdo a lo especificado en la norma de fabricación. Sobre la sección fallada se determinó el área de dicha sección y el momento de inercia de la misma respecto de ambos ejes de simetría.

Figura 1.- Conjunto con biela fallada.

2.3 Ensayo de tintas penetrantes

Sobre la biela se realizó el ensayo de tintas penetrantes a fin de determinar la existencia de algún defecto superficial que pudiera haber promovido la falla del componente. 2.4. Caracterización microestructural Para determinar el material utilizado en la construcción de la biela y a su vez verificar el cumplimiento de la composición química requerida por el fabricante en su especificación se realizó el análisis químico del material en estudio. A fin de caracterizar la microestructura del material, se extrajeron muestras representativas del componente fallado y se prepararon probetas metalográficas. A su vez, se verificó si la microestructura del material se correspondía con lo establecido en la especificación del fabricante. Sobre cortes transversales y longitudinales de la biela se determinó la dureza tipo Vickers (HV1kg) como parte de la caracterización del material y a fin de verificar el cumplimiento de la dureza establecida por el fabricante. Además, sobre una de las superficies de fractura de la sección fallada, que se encontraba en buen estado de conservación, se realizó análisis fractográfico por microscopía óptica (LM) y microscopía electrónica de barrido (SEM) a fin de determinar características de la falla en estudio. 3. RESULTADOS

3.1. Inspección visual y análisis dimensional Se pudo observar que la biela se encuentra deformada plásticamente en el plano XY

Figura 2.- Representación esquemática de la biela.

perpendicular al eje de giro (ver figura 2). En la figura 3 se observa la configuración deformada que adquirió el componente posteriormente a la falla. A su vez, se determinaron las dimensiones de la sección del componente, comprobándose que se encuentran dentro de las tolerancias indicadas por el fabricante en la especificación técnica. Esta verificación se realizó haciendo salvedad de

las discrepancias posibles, atribuibles a la distorsión sufrida a consecuencia de la falla. Del cálculo del área de la sección y de los momentos de inercia se obtuvieron los siguientes

Figura 3.- Deformación macroscópica de la biela

fallada. resultados: A=165mm2, Iz=14.575 mm4, Ix=1.308 mm4. En la figura 4 se puede ver la sección de la biela y la superficie de fractura.

Figura 4.- Sección fallada de la biela.

3.2. Ensayo de tintas penetrantes Se realizó el ensayo de tintas penetrantes sobre la superficie de la biela según la norma ASTM sección 3, utilizando un juego de removedor, tinta y revelador. Como resultado de este ensayo no se detectaron fisuras superficiales. Este resultado indica que el componente no presentaba defectos superficiales apreciables de origen, que puedan haber actuado como concentradores de tensión que hayan disminuido la capacidad de carga del mismo por debajo de las condiciones de diseño. 3.3. Caracterización microestructural

El análisis químico que se efectuó por espectroscopía de emisión por chispa con un equipo ARL 3520 OES. El resultado de dicho análisis se observa en la Tabla 1, como composición porcentual en peso. Los valores de composición de los elementos indicados con un asterisco son de cumplimiento imperativo según la norma interna B53-1320. Este material corresponde a un acero de la norma SAE1141, identificado como acero resulfurado

Y

X

Z

sección de fractura

superficie B

superficie A

para ser tratado térmicamente por temple y revenido. C 0,425 Ni 0,090 Mn 1,366 Mo 0,015 Si* 0,286 Cu* 0,47 S* 0,083 Ti <0,005 P* 0,018 Al* 0,036 Cr 0,144

Tabla I.- Composición química del componente en estudio(% en peso).

Este material no cumple con el especificado por el fabricante, debido a que presenta un exceso en el contenido de azufre y cobre, cuyos límites máximos permitidos por el fabricante son 0,045 y 0,40, respectivamente. El análisis metalográfico efectuado por microscopía óptica (LM), permitió caracterizar la estructura como formada por ferrita y perlita con un tamaño de grano 6-7 (ASTM). En la figura 5 se puede observar la microestructura del material. En la norma interna B53-1320, según la cual este componente debe fabricarse, se indica que el material debe encontrarse en estado normalizado. El estado microestructural observado es consistente con lo requerido.

Figura 5.- Corte Transversal. Escala 10

micrones. El estado superficial de la muestra es bueno, encontrándose en algunas zonas pliegues de material de poca profundidad, propios del proceso de conformado, que debido a su escasa longitud no constituyen defectos severos. A su vez, se observa en la superficie cierta deformación plástica, que podría deberse a un proceso de granallado posterior al conformado. La medición de dureza se realizó sobre la superficie de la biela en distintos puntos y en un corte trasversal de la misma. Las determinaciones (6 mediciones) realizadas sobre la superficie lateral de la biela, cercana al pie de la misma, dieron como resultado una dureza que se encontró entre 250 -265HV, mientras que el valor promedio fue de 255HV. A su vez, las mediciones realizadas sobre un corte transversal (6 mediciones) cercano a la sección de la falla

dieron como resultado valores de dureza de entre 260-285HV, cuyo valor promedio fue 275 HV. El rango de dureza establecido por el fabricante es de 217-255 HV, con un límite de fluencia mínimo de 470 Mpa y una resistencia a la tracción de entre 720-850 MPa. La fractura se caracterizó a través de estereomicroscopía óptica y microscopía electrónica de barrido (SEM). En la figura 6 se observa un esquema de las distintas zonas identificadas sobre la superficie de rotura.

Figura 6.- Descripción esquemática de la

superficie de fractura. Sobre una amplia zona de la sección de falla se observó una superficie de fractura del tipo frágil donde la rotura se produjo por clivaje [1,2]. En la figura 7 se puede ver una fractografía SEM característica de dicha zona.

Figura 7.- Superficie de fractura frágil.

Figura 8.- Superficie de fractura dúctil.

En la figura 8 se ve una fractografía SEM de la superficie de fractura del tipo dúctil, correspondiente a la zona indicada como tal en la figura 6, observándose la presencia de microhuecos. En esta región también se detectaron

labios de corte en la periferia del perfil, asociados a una rotura por tensiones tangenciales, es decir del tipo dúctil [1]. En la figura 9 se puede ver una zona de posible comienzo de la fractura, localizada según lo indicado en la figura 6.

Figura 9.- Zona de posible inicio de la fractura.

4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN Analizando los requerimientos establecidos por el fabricante de la biela se observa que la microestructura es correcta, como se puede ver en la figura 5, correspondiéndose con un tratamiento térmico acorde a lo especificado. Por otro lado, en cuanto a la dureza, se detectó que la misma es levemente superior a lo requerido por el fabricante, considerándose que esta leve diferencia podría deberse a un efecto de endurecimiento por la deformación plástica sufrida en el proceso de deformación y rotura posterior a la falla del material. La dureza determinada tiene asociada una resistencia a la tracción de alrededor de 900 Mpa [1]. En relación a la composición química, se determinó un exceso en el contenido de azufre y de cobre respecto de los valores especificados, donde se indica como imperativo el cumplimiento de estos valores. El exceso de S y Cu podría generar defectos en el proceso de fabricación que conducirían a la reducción de la ductilidad y resistencia al impacto [2,3], sin embargo, en la falla del elemento en estudio no se detectaron fisuras o defectos de conformado, que podría haber producido el exceso de S y Cu. Sobre la superficie de fractura se observaron fisuras intergranulares, que se generaron durante el proceso de fractura posterior a la falla, que pueden deberse al exceso de los elementos mencionados, pero no se considera que dicho exceso haya sido la causa de la falla del componente. De acuerdo a las características de funcionamiento del mecanismo de biela-manivela, el elemento en estudio se encuentra sometido a ciclos de carga, donde las solicitaciones más significativas son de

compresión combinadas con flexión. Este tipo de combinación de cargas lleva a que un modo probable de falla de estos componentes sea el pandeo, fenómeno que es tenido en cuenta en el diseño de una biela. De acuerdo a la inspección visual, como se observa en la figura 3, la distorsión sufrida por la pieza indica que la misma colapsó por pandeo en el plano X-Y (figura 2), debido a una carga de compresión según su eje longitudinal, evidenciándose una configuración deformada asociada a una condición de vínculo de doble empotramiento, que es consistente con la condición de trabajo del componente en ese plano. Para que este fenómeno tenga lugar se debe superar la carga crítica de pandeo, PCR. Esta carga es función de la geometría de la pieza (momento de inercia I y longitud L) y del módulo de elasticidad del material, E. A partir del cálculo del área y del momento de inercia de la sección, en el plano de interés, se puede calcular la carga crítica de pandeo para esa configuración de vínculo, según la ecuación (1)[4].

Pcr = 4 π2 E I (1) L2

Pcr = 4 π2 210.000 N/mm2 1.308 mm4 (115mm)2

Pcr =819 KN Esta carga es mucho mayor que los 78 KN que producen la fluencia del material, para esa sección. Esto indica que el componente superó la tensión de fluencia del material, y posteriormente se produjo el pandeo del mismo. Así, la falla en estudio se habría producido por pandeo plástico que tuvo lugar debido a que en este régimen de solicitaciones, la carga crítica de pandeo es proporcional al módulo tangente (E’), es decir, a la relación instantánea de la tensión con la deformación, el cual es mucho menor que el módulo de elasticidad E, por lo que una vez superado el límite elástico la carga crítica de pandeo disminuye. Esto ocurre sin necesidad de alcanzar grandes deformaciones, por lo que la deformación plástica acumulada previamente al pandeo puede ser pequeña. Dado que la biela cumple con los requerimientos dimensionales y con el módulo de elasticidad establecidos por el fabricante, se puede afirmar que la falla en estudio es atribuible a una sobrecarga externa. Debido al pandeo, el componente varió bruscamente su geometría para dejar de cumplir con los requerimientos mecánicos básicos de su diseño, a la vez que seguía siendo solicitada por el sistema, alcanzando una condición en la que el elemento ya fallado se fracturó por las solicitaciones impuestas por el mecanismo.

La rotura se originó en uno de los bordes de la pieza (figura 6), propagándose un frente de fractura con características frágiles (figura 7) disminuyendo notablemente la sección resistente. Debido a la buena ductilidad que posee el material utilizado, la última parte de la fractura se produjo con deformación plástica, observándose una superficie de fractura dúctil (figura 8), en el extremo opuesto de la sección. Se debe destacar que el pandeo es un modo de falla probable de este tipo de elementos mecánicos. En este sentido, han sido reportados casos en los que a causa de un indebido ingreso de agua a la cámara de combustión se produjeron fallas por pandeo, originadas por las altas cargas que se generan en la carrera de compresión cuando el pistón se encuentra con el fluido incompresible. 5. CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos de los ensayos realizados y su posterior análisis se puede concluir que: - En cuanto a los requerimientos especificados por el fabricante, la pieza estudiada cumple en el aspecto dimensional. A su vez, la microestructura del material evidencia un correcto conformado y adecuado tratamiento térmico y la dureza es acorde a lo requerido. La composición química del acero tiene un exceso de azufre y cobre que el fabricante indica como no aceptable. Sin embargo, no se encontraron defectos relacionados con dicho exceso que hayan podido disminuir la capacidad de carga del material ni que estén relacionados con la falla en cuestión. - La causa probable de la falla del componente sería atribuible a una sobrecarga que produjo que se superara el límite elástico del material y que posteriormente tuviera lugar el pandeo plástico del componente, variando bruscamente su geometría, fracturándose finalmente debido a las solicitaciones del sistema. Este tipo de falla fue observado en componentes mecánicos de esta naturaleza. 6. REFERENCIAS 1. G. E. Dieter, “Mechanical Metallurgy”, 3rd.

Ed., McGraw-Hill, New York, 1986, 242-331.

2. American Society for Metals, “Metals Handbook – Vol. 10 Failure Analysis and Prediction.”, 8th. Ed., Taylor Lyman Editor, Ohio, 1964, 45, 291.

3. J.C. Herman, V. Leroy, “Influence of res idual elements on steel processing, and mechanical properties”, Metal Working and Processing, Cleveland, October 1996.

4. J. E. Shigley, C. R. Mischke. “Diseño en Ingeniería Mecánica”, 5th. Ed., McGraw-Hill, México, 1994, 135.

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la colaboración del CEMEC-INTI.