Análisis de Fallas en Materiales II (7 Mayo 2010)

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DE MARACAIBOCATEDRA DE ANALISIS DE FALLAS

METODOLOGIA DE ANALISIS DE FALLAS DE MATERIALES

Prof. Nelson RomeroMayo 2010

Análisis de Fallas en Materiales

• Procedimiento sistematizado:

1. Obtener información previa

2. Catalogar información y evidencias

3.1 END 3.2 Análisis Químico 3.3 Ensayos Mecánicos 3.4 Análisis Metalográfico

4. Analizar y contrastar la información

5. Conclusiones

6. Recomendaciones

3. Protocolo de Análisis


1. Obtener información previa

• Recopilar toda la información posible sobre el caso, ejemplo,condiciones de operación normales (y anormales), concentración deelementos, etc. Historial de operación y de mantenimiento.Planos/diagramas originales y/o modificados. Manuales del fabricante.

• Entrevistar al personal de Operaciones y Mantenimiento y sobre todoa quien detectó la falla. Elaborar “Hoja de Evaluación de Fallas”.

• Examen visual. Observar y fotografiar el área o zona de falla. Tomarla muestra. Observar y fotografiar la muestra. Determinar dimensioneso medidas. Notar si existen evidencias de ataque químico, dañosmecánicos, deformación excesiva, patrones de grietas, daños portemperaturas elevadas, etc.

• Preservar la muestra.



• Detectar y recopilar datos sobre características superficialesobservables en la muestra mediante lupa de 10X; por ejemplo,zonas de fractura, defectos superficiales, corrosión, erosión,deformaciones, manchas, abrasión, soldadura, recubrimientos,etc.

• Mediante un imán pequeño comprobar el magnetismo de lamuestra.

• CORTAR LA MUESTRA, de ser necesario. Determinar medidas.

• Observación detallada mediante Microscopía Optica (M.O.) oMicroscopía Electrónica de Barrido (M.E.B.).



• Tratar de identificar el mecanismo de fractura (Dúctil, Frágilintergranular, Frágil transgranular, Fatiga y Corrosión-Fatiga).

• Tratar de identificar el mecanismo de corrosión (Uniforme,Picadura, Galvánica, por Hidrógeno, Corrosión-Erosión, BajoHendiduras, Bajo Aislamiento Térmico, por ElevadasTemperaturas, Agrietamiento por Esfuerzos Bajo Tensión,Filiforme, Intergranular, Disolución Selectiva, etc).



• En base a la información recopilada y a la evaluación visual, elanalista debe proponer un plan de acción para puntualizar ycorroborar la causa raíz de la falla.

• Dicho curso de acción se puede soportar con varias técnicasexperimentales.

• Dichas técnicas son costosas, a menudo complejas y el analistadebe emplearlas con buen sentido y criterio profesional.



• La aplicación de estas técnicas en el Laboratorio a muestras falladasmuchas veces arrojan resultados que pueden ser empleados en campopara examinar piezas y removerlas de servicio antes que fallen.• Rayos X/Gammagrafía: Determina la diferencia en la absorción deradiación, lo que permite detectar poros, inclusiones y grietas.• Ultrasonido: Mediante ondas sónicas de alta frecuencia determinadefectos superficiales y sub-superficiales, inclusiones, porosidad,variaciones de espesor, posición de defectos, etc.• Tintes penetrantes: Utilizan un tinte para penetrar en defectos abiertosy detectar grietas superficiales y poros.• Partículas magnéticas: Emplea un campo magnético y polvo de Fe paralocalizar defectos superficiales y sub-superficiales.• Corrientes inducidas: Emplea un campo magnético por inducción, paradeterminar conductividad, grietas, poros, picaduras, inclusiones, etc.

3.1 END



• Se realiza a una muestra representativa del material paraconfirmar su composición. Algunas veces se debe efectuartambién a compuestos o residuos superficiales.

• Existen varias técnicas:

• Fluorescencia de Rayos X• Marcha Analítica.• Espectroscopía Infraroja.• Espectrometría de Absorción Atómica.• Espectrometría de Emisión de Llama.• Espectroscopía de Emisión.• Difracción de Rayos X.

3.2 Análisis Químico



• Se realiza a una muestra representativa del material paraconfirmar que sus propiedades cumplen con lo especificado en lanorma de fabricación respectiva.

• La norma ASTM A 370 “Mechanical Testing of Steel Products”indica los procedimientos que se deben seguir.

• Ensayo de Tracción (Punto de Cedencia, Valor Máximo deTracción, Esfuerzo de Ruptura, Módulo de Elasticidad, Porcentajede Elongación).• Ensayo de Impacto.• Ensayo de Dureza/Microdureza.• Ensayo de Doblez.

3.3 Ensayos Mecánicos



• Involucra el seccionamiento, montaje, pulido y revelado demuestras para examinar su microestructura mediante M.O. oM.E.B.

• Las muestras que se seleccionan para examen dependen del tipode pieza y del modo de fractura.

• Las observaciones se comparan con estructuras metalográficasnormalizadas, por ejemplo, ASM Metals Handbook, Vol. 9,“Metallography and Microstructures”.

3.4 Examen Metalográfico


4. Analizar y contrastar la información

• Etapa crítica, donde toda la información recopilada debe seranalizada, contrastada con las normas, la literatura técnica y laexperiencia para dilucidar finalmente a razón o causa raiz de lafalla.

• Es importante que el analista reconozca que existirán pistasque muchas veces lo conducirán a creer que ha determinadola causa raiz o razón de la falla, pero que una evaluación másprofunda demostrará que son meramente consecuencias.


5. Conclusiones

• Se deben presentar solamente basadas en las evidenciasevaluadas, identificando claramente la causa raiz o razón dela falla.

6. Recomendaciones

• Paso crítico y difícil.• A veces son obvias otras no.• Se les debe dar importancia o de lo contrario serias fallaspueden ocurrir.• Algunas veces lo único que se puede recomendar es que seinspeccione el sistema más frecuentemente.


Resumen Causas Comunes de Fallas

• Mal uso o abuso• Errores de ensamblaje• Defectos de fabricación• Mantenimiento inadecuado• Fallas de pernos, remaches u otros elementos de sujeción• Errores de diseño• Materiales inapropiados• Tratamientos térmicos inapropiados• Condiciones operacionales anormales• Control de calidad inadecuado• Control/protección inadecuada contra el medio ambiente• Defectos en el vaciado o forjado


Caso Práctico: Falla de Perno de una Grúa

• Un perno de soporte del bloque de carga de una grúa falló enservicio, bajo una carga de 16200 lbs. causando una parada noprogramada de 8 horas. La grúa trabaja 600 ciclos/día durantetodo el año. El perno de soporte debe conformar con la normaSAE Gr. 5. El suplidor del nuevo perno está ofreciendo ASTM A193, Gr. B7.

• Información Adicional:El perno fallado tiene un costo unitario de Bs.F. 170.La parada de la grúa durante 8 horas tiene un costo de Bs.F.7500.El perno mide 1” de diámetro y 12” de largo.



•Información Adicional (cont.): El perno fallado se muestra en la Foto No. 1.

Foto No. 1. Perno SAE Gr. 5, 1” Φ y 12” largo, fallado

•Una vez fotografiado el perno fue preservado en un desecadorcon gel de sílica para su posterior estudio.

http://www.tms.org/Students/Winners/Davidson/pg15a.gif�



•Catalogar Información y Evidencias: La cara de fractura delPerno se muestra en la Foto No. 2.

Foto No. 2. Cara de fractura del perno de grúa fallado



•Catalogar Información y Evidencias (Cont.):

•La superficie fracturada reveló marcas características de FatigaMecánica, tales como “marcas de playa”.

•El perno no mostró signos de corrosión superficial, ni en la carade fractura ni a lo largo de su eje.

•Se verificó que el perno fallado tiene 1” Φ y 12” de largo.



•Protocolo de Análisis:

•No se considera necesario realizar END al perno fallado ni al dereemplazo.•Se verificará la composición química del perno fallado y secomparará con la de la norma SAE Gr. 5. Igualmente severificará la composición química del perno de reemplazo y secomparará con la norma ASTM A 193, Gr. B7.•Se realizará Ensayo de Tracción al material de los pernos.•Se efectuará Análisis Metalográfico al material de los pernos.



•Resultados:

•Análisis Químico: Realizado mediante combustión de virutas enun Carbonómetro Leco y mediante Espectrometría de AbsorciónAtómica en un espectrómetro Perkin-Elmer. La Tabla 1 presentalos resultados:

Análisis de Fallas en MaterialesCaso Práctico: Falla de Perno de una Grúa

Elemento Perno original roto (%)

SAE Gr. 5 (%) Perno nuevo (%)

ASTM A 193, Gr. B7 (%)

Carbono 0,20 0,28-0,55 0,42 0,37-0,49

Manganeso 0,65 - 0,85 0,65-1,10

Silicio 0,22 - 0,22 0,15-0,35

Fósforo 0,013 0,048 máx. 0,015 0,035

Azufre 0,011 0,058 máx. 0,030 0,040

Cromo 0,08 - 0,79 0,75-1,20

Níquel 0,06 - 0,07 -

Molibdeno 0,01 - 0,15 0,15-0,25

Tabla No. 1. Resultados Análisis Químico



•Resultados:

•Ensayo de Tracción: Realizado en muestras duplicadas almaterial de los pernos, mediante máquina Instron de 60000 lbs.La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos:

Análisis de Fallas en MaterialesCaso Práctico: Falla de Perno de una Grúa

Tabla No. 2. Resultados Ensayo de Tracción

Perno original fallado

Perno nuevo SAE Gr. 5 ASTM A 193, Gr. B7

Muestra No. 1 2 1 2

Punto de Cedencia (Ksi)

42,7 44,4 134 133 80 105

Valor Máximo de Tracción (Ksi)

69,5 69,5 148 146 100 125

Elongación (%) 26 24 20 20 16 mín. 16 mín.

Reducción de Area (%)

67 67 59 59 50 mín. 50 mín.



•Resultados:

•Análisis Metalográfico: Llevado a cabo mediante corte, montajeen baquelita, pulido en lijas Nos. 400, 200, 80, 40, 20 y 10 y enpaños con pasta de diamante, revelados con Nital al 2% yobservados con un microscopio metalográfico Nikon. Dichoanálisis fue efectuado al material del perno fallado en el cuerpodel mismo (Fotos Nos. 3 y 4). También fue realizado en unamuestra del cuerpo del perno nuevo (Foto No. 5).



•Resultados:

•Análisis Metalográfico:

Foto No. 3 Foto No. 4 Foto No. 5

Micrografía de laminación encontrada en la base de una rosca del perno fracturado.

2% Nital, 100X

Micrografía del perno fracturado. Matriz de

Ferrita y Perlita.

2% Nital, 200X

Micrografía del perno nuevo. Matriz de

Martensita templada y revenida.

2% Nital, 500X


http://www.tms.org/Students/Winners/Davidson/pg16b.gif�



Analizar y contrastar la información

•Análisis: El examen de la cara de fractura reveló marcascaracterísticas asociadas con Fatiga Mecánica. La zona de fracturafinal estaba localizada entre dos áreas de propagación de fatiga, locual sugiere la presencia de fuerzas de doblez. El área superficial dela fractura final era aproximadamente 12 % del área total fracturada,lo cual indica que el perno no estaba sobrecargado mecánicamente.También aparecieron grietas entre las roscas cercanas a la superficiefracturada lo que indica a su vez que el perno era muy susceptible ala iniciación de fatiga.Los resultados del Análisis Químico revelaron que el perno fracturadotenía un contenido de Carbono menor al requerido por la norma SAEGr. 5. Esta deficiencia determinaría una disminución de laspropiedades mecánicas del perno. Lo que se vió confirmadomediante los resultados del Ensayo de Tracción, donde se notó queel PC y el VMT son solamente 2/3 de lo requerido por la norma.


Analizar y contrastar la información

•Análisis (Cont.): Los resultados del Análisis Químico y del Ensayode Tracción para el perno nuevo indicaron que el mismo cumple conla norma ASTM A193, Gr. B7.La Evaluación Metalográfica del perno fallado se realizó en seccionescercanas a la zona fracturada, notándose laminaciones en la base dealgunas roscas, lo cual es normal en este servicio. La norma SAE Gr.5 requiere que el perno una vez fabricado sea templado y revenido,lo cual determinaría una estructura Martensítica; en vez de eso en elperno fallado se observó una estructura de Perlita gruesa en unamatriz de Ferrita. La Martensita tiene propiedades mecánicassuperiores (mayor PC y dureza) lo cual incrementa su resistencia a lainiciación de fatiga, mientras que la Ferrita del perno fallado tienebaja resistencia mecánica, lo que a su vez la hace propensa a lafatiga. El perno nuevo posee una estructura Martensítica, segúnrequiere la norma ASTM A193, Gr. B7.


Conclusiones

•El perno falló a causa de Fatiga Mecánica de Altos Ciclos y BajaCarga.•Los resultados del Análisis Químico, del Ensayo de Tracción y dela Evaluación Metalográfica para el perno fallado confirmaron queel mismo no cumplía con los requisitos de la norma SAE Gr. 5.•La causa raíz de dicha situación fue que el perno una vezfabricado no fue sometido al tratamiento térmico correcto detemplado y revenido.•Como la resistencia a la iniciación de fatiga es proporcional alPC, las bajas propiedades del acero del perno en este caso lohicieron propenso a fallar por Fatiga Mecánica.•Los resultados del Análisis Químico, del Ensayo de Tracción y dela Evaluación Metalográfica para el perno nuevo indicaron que elmismo cumple con la norma ASTM A193, Gr. B7.


Recomendaciones

•De ser posible, elevar un reclamo al fabricante del perno por ladeficiente fabricación de mismo, al no cumplir con la norma SAEGr. 5 especificada•Los pernos según SAE Gr. 5 especificados originalmente para lagrúa son perfectamente aptos para este servicio y el reemplazopor los pernos ASTM A193, Gr. B7 (más costosos) no esnecesario.•Durante la manufactura de los pernos según SAE Gr. 5 unrepresentante de la empresa dueña de la grúa deberá asegurarque se cumplan todos los requerimientos de la norma,especialmente los del tratamiento térmico.

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