Análisis de Las Causas Que Producen Fallas

1. Análisis de las cusas que producen fallas en las piezas metálicas

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Análisis de las causas que producen fallas en las piezas

1.1 Introducción

1.2 Procedimiento del análisis de falla

1.3 Modos de fractura

1.4 Esfuerzo y resistencia

1.5 Descripción de fatiga y falla por fatiga

1.5.1 Ejemplos

1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia

1.6.1 Ejemplos

1.7 Mecanismos de desgaste

1.7.1 Ejemplos

CONTENIDO

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1.1 Introducción

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ANÁLISIS DE FALLAS es un proceso crítico en la determinación de lascausas raíz de los problemas físicos. El proceso es complejo, se basa endiferentes disciplinas y utiliza observación, inspección y las técnicas delaboratorio.

Uno de los factores clave para el cumplimiento adecuado de un análisisde fallas es mantener la mente abierta al examinar y analizar laspruebas para fomentar una perspectiva objetiva clara de la falla.

Se requiere la colaboración con expertos de otras disciplinas, endeterminadas circunstancias para integrar el análisis de las pruebascon una comprensión cuantitativa de la información de antecedentesen el diseño, fabricación y vida útil del producto o sistema averiado.

1.1 Introducción

Metalurgia mecánica:

• Mecánica del medio continuo.

• Mecanismos de deformación y

endurecimiento.

• Mecánica de la fractura.

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1.1 Introducción

Fallas mecánicas

Material con propiedadesmecánicas deficientes

Se rebasan esfuerzospermisibles

Existencia de algún defecto

1.2 Procedimiento de análisis de falla

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Definir el problema

Proponer una hipótesis

Recopilar datos

Prueba de hipótesis

Elaborar conclusiones

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Modelos para Resolver Problemas. Una amplia gama de métodos deresolución de problemas y modelos están disponibles en la literatura. Todosestos métodos y modelos tienen sus raíces en el método científico, que seresumen como sigue:

El formato continuo, circular en el gráfico essignificativo, lo que indica que el proceso sereinicia con la identificación de un nuevoproblema como resultado de la primeraactividad de resolución de problemas.

Nótese la similitud con el método científicoclásico mostrado anteriormente.

Identificar

Determinar la causa raíz

Desarrollar acciones

correctivas

Validar y verificar las

acciones correctivas

Estandarizar

Un modelo de resolución de problemas adaptado por varios de losautores se muestra a continuación.

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1.- ¿Cuánto tiempo estuvo la pieza en funcionamiento?2.- ¿Cuál era la naturaleza de los esfuerzos aplicados a la pieza?3.- ¿Existió alguna sobrecarga en la pieza?4.- ¿Se instaló adecuadamente la pieza?5.- ¿Tuvo la pieza un mantenimiento preventivo o correctivo adecuado?

Después se estudia la superficie de fractura y se deben contestar las siguientespreguntas:

1.- ¿Qué tipo de fractura presentan?2.- ¿Empezó la falla en la superficie de la pieza o debajo de ella?3.- ¿Empezó la falla en un punto o se originó en diversos puntos?4. ¿Empezó la fisura recientemente o había estado creciendo por un tiempo largo?

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Identificar: Describir la situación actual. Definir la deficiencia en términos de lossíntomas (o indicadores). Determinar el impacto de la deficiencia en elcomponente, producto, sistema y el cliente. Establezca una meta. Recopilar datospara proporcionar una medida de la deficiencia.

Determinar la causa raíz: Analizar el problema para identificar la causa(s).

Desarrollar acciones correctivas: lista de posibles soluciones para reducir yprevenir la recurrencia del problema. Generar alternativas. Desarrollar un plan deimplementación.

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Validar y verificar las acciones correctivas: Prueba de acciones correctivas en elestudio piloto. Medir la efectividad del cambio. Validar mejoras. Verifique que elproblema se corrige y mejora la satisfacción del cliente.

Estandarizar: Incorporar las medidas correctivas en el sistema de documentación delas normas de la empresa, organización o industria para prevenir la recurrencia delos productos o sistemas similares. Monitorear los cambios para garantizar laeficacia.

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Posibles fuentes de fallas en los materiales metálicos

a) Deficiencias en la selección del metal o aleación

• Poco conocimiento de las condiciones del ambiente de trabajo.• Aplicación errónea de los datos obtenidos en los ensayos mecánicos.• Error al no contar con un prototipo para realizar ensayos de fatiga, corrosión

bajo tensión, fragilización por hidrógeno, etc.

b) Deficiencias en el diseño

• Maquinado deficiente, por ejemplo biselados con ángulo incorrecto.• Problemas en el diseño al no considerar los esfuerzos o la acumulación de

sustancias corrosivas.• Maquinado deficiente, es decir acabado superficial pobre, por ejemplo, superficies

no pulidas, entallas de torneado, etc.• Criterio deficiente al momento de diseñar la pieza o una estructura.

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d) Errores en el ensamblaje o instalación

• Falta de experiencia de los trabajadores durante el proceso de ensamblaje.• Instrucciones confusas sobre el procedimiento de ensamblaje, por ejemplo, los

folletos están en otro idioma.• Operaciones de soldadura erradas, por ejemplo, selección de electrodos,

tratamiento térmico post soldadura inadecuado.

c) Uso de materiales con un control de calidad deficiente

• Material con exceso de porosidades.• Segregación química, es decir, distribución no homogénea de elementos

químicos respectivos.• Tratamientos térmicos errados o mal empleados. Por ejemplo, enfriamientos

violentos que pueden producir agrietamientos o microfisuras.

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f) Tipo de Fallas

Resumiendo, en forma general las fallas se pueden clasificar en 4 grupos:

1) Fallas por desgaste: generalmente se presenta pérdida de material en la superficie del elemento; puede ser abrasivo, adhesivo y/o corrosivo.

2) Fallas por fatiga superficial: debido a los esfuerzos presentes en la superficie y en el interior del material.

3) Fallas por fractura: se puede presentar del tipo frágil o dúctil, la topografía de la superficie generalmente indica las causas de la falla; en ese caso generalmente es causada por el fenómeno de la fatiga.

4) Fallas por flujo plástico: El material se deforma plásticamente y es causado por la presencia de cargas que generan esfuerzos superiores al límite de fluencia del material.


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La fractura es la separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta aun esfuerzo estático constante o pausado durante un tiempo determinado atemperaturas relativamente bajas con relación a temperaturas de fusión delmaterial.

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Tipos de fractura

De acuerdo a la velocidad de propagación de la grieta

De acuerdo al tipo o forma de la falla

Fractura súbita

Fractura progresiva

- Dúctil

- Frágil-Dúctil

- Frágil

Sobrecarga mecánica

- Fluencia lenta

- Dependiente del tiempo

- Dependiente de los ciclos de carga

Fatiga

- Mecánica

- Térmica

- Por corrosión

Fragilización por hidrógeno

Fluencia y Termofluencia, Fricción

Fundición localizada, Desgaste, Cavitación

Erosión – Abrasión, Impacto

Fragilidad por revenido, Fractura por tensión

Corrosión bajo tensión

Corrosión a temperatura elevada

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La fractura dúctil se produce después de una apreciable deformaciónplástica, con una elevada absorción de energía antes de la fractura. Laductilidad puede ser medida en términos de elongación y reducción de áreaporcentuales, y es función de la velocidad de carga, temperatura y estado detensiones.

Fractura Dúctil

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Fractura dúctil copa/cono de una probeta de Duraluminio

La temperatura de ensayo afecta la presencia de las zonas y sus respectivos tamaños. En latemperatura criogénica, donde la superficie es casi totalmente radial. A medida que latemperatura aumenta, la zona radial se reduce mientras que las zonas fibrosas y de cizalla (shearlips) crecen para finalmente desaparecer a temperaturas elevadas.

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La geometría de la probeta influye cuando se va de una probeta cilíndrica a unarectangular

Probetas planas

a) Una zona fibrosa con un aspecto elípticoalargado, el cual aumenta al incrementar larelación longitud / espesor de la probeta.

b) La zona radial frecuentemente presenta unaspecto con marcas de Chevron.

c) La zona de cizalla, puede ocupar todo elespesor de la probeta. La superficie de fracturaforma en este caso, un ángulo aproximado de45° con la dirección de tracción.

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Las fracturas frágiles aparecen brillantes y cristalinas. Cada cristal tiende a fracturarse en unplano de clivaje único (el cual posee baja energía superficial), plano que varía sólo ligeramentede un cristal a otro; debido a esto una fractura frágil en una muestra policristalinageneralmente brillará a la luz. La fragilidad es una característica de los materiales que poseenuna estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y de tipo hexagonal.

Diferentes aspectos de la superficie de fractura frágil en tres tornillos de aceroinoxidable 304

Fractura Frágil

En la fractura frágil las grietas pueden propagarse muy rápidamente con pocadeformación plástica, una vez iniciada la grieta, continuará de maneraespontánea sin aumento de la magnitud de fuerza aplicada.

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La fotografía de una superficie de fractura porfragilidad que muestra crestas en forma deabanico radiales. La flecha indica el origen de lagrieta.

Fotografía que muestra en forma de V

"chevron" marcas características de la fractura

frágil.


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La resistencia de materiales es una disciplina de la ingeniería mecánica yla ingeniería estructural que estudia los sólidos deformables.

La resistencia de materiales estudia las deformaciones que se producen en elcuerpo sometido a cargas exteriores.

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Tipos de esfuerzos

Carga aplicada

Propio peso

Factores externos

Esfuerzos en los elementos

Las estructuras deben soportar diferentes tipos de fuerzas que actúan sobrelos elementos que la componen. Estas fuerzas tienen distintos orígenes:

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Tipos de esfuerzos

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Tipos de materiales

Los materiales se pueden clasificar como:

Dúctiles Frágiles

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Elasticidad y plasticidad

Ley de HookeEsta ley establece que si la tensión normal σ se mantiene por debajo de un cierto valor σp,llamado tensión de proporcionalidad, las deformaciones específicas y las tensiones sondirectamente proporcionales.

σ = E * ε

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Diagrama esfuerzo-deformación (σ - ε)

a) Período elástico

b) Período elasto-plástico

c) Período plástico (fluencia)

d) Período de endurecimiento y de estricción

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Endurecimiento por deformación

Es un fenómeno en el cual un materialdúctil se vuelve mas duro y resistente amedida que es deformado plásticamente.

• El metal posee dislocaciones.• Desplazamiento de dislocaciones.• Las dislocaciones aumentan en número.• Se estorban entre sí haciendo más difícil

su movimiento.• Se requiere de mayor fuerza para mover

las dislocaciones.

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Fenómeno de estricción

Una valoración cuantitativa del fenómeno de estricción está dada porel “coeficiente de estricción lateral”, el cual se define según lasiguiente expresión:

Donde:

Ωi = área inicialΩf = área final

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Tipo de fracturas

Dúctil Frágil

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Definición de fatiga

Sistema de falla en materiales generado por

discontinuidades que tienen la función de

concentradores de esfuerzos mismos que al

someterse a esfuerzos cíclicos ya sea de tensión,

torsión o compresión, propician la propagación y

crecimiento de la discontinuidad pudiéndose

producir así la falla súbita del material.

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Tipificación de una falla por fatiga

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Curva de Wöhler

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38


Cálculo de vida

Cálculo de vida

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Cálculo de vida

40


Cálculo de vida

41


1.5 Descripción de termofluencia y falla por

termofluencia

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La deformación plástica que transcurre a través del tiempo a temperaturas elevadas,

aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que su resistencia a la fluencia

«Termofluencia»

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La termofluencia es causada por procesos difusivos que son térmicamente activados.

«Termofluencia»

Alta temperatura

Dinámico

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Dependen de las propiedades mecánicas del material y

de su microestructura

Tiempo

Temperatura

Esfuerzo

Los principales efectos de la exposición de los metales a temperaturas elevadas son:

• Disminución del esfuerzo de cedencia y resistencia a la tensión.

• Aumento de la movilidad de las dislocaciones.

• Recuperación y recristalización.

• Disolución y precipitación de fases.

• Crecimiento de grano y formación de subgranos.

• Fusión incipiente.

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Tθ= Temperatura de trabajo

Temperatura de fusión

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Temperatura homóloga > 0.40 Termofluencia

ASTM E139

Prueba de termofluencia

Prueba de ruptura

Requerimientos de equipo

Información de los reportes

• Prueba de termofluencia: mide la capacidad de carga para una limitada deformación.• Prueba de ruptura: Provee una medida de la capacidad de carga de un material en

función del tiempo.

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Datos del reporte:

• Tipo de aleación.

• Tamaño del producto.

• Tratamiento térmico.

• Temperatura de prueba.

• Esfuerzo, Ksi (MPa).

• Dimensiones del espécimen.

• Duración de la prueba.

• Elongación o reducción de área (%).

• Localización y descripción de la

fractura.Esquema de la prueba de termofluencia

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El resultado es un registro llamado curva de termofluencia. Usualmente, la prueba se

realiza a diferentes niveles de esfuerzos constantes, para un mismo material y se

evalúa el tiempo de ruptura en cada caso.

Curva de un ensayo de termofluencia.

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• Ocurre transformación de microestructura y reacomodode dislocaciones y vacancias.

• Velocidad de fluencia decreciente.

• Se está endureciendo por deformación.

Termofluencia transitoria

• Se genera un equilibrio entre los mecanismos degeneración de dislocaciones y vacancias y los mecanismosde eliminación de las dislocaciones.

• Velocidad de deformación constante.

• El material se hace blando y retiene su capacidad paraexperimentar deformación.

Termofluencia estacionaria

• Mayor deformación con un menor endurecimiento.

• Provoca un encuellamiento en la probeta.

• Forma cavidades que provocan fractura intergranular.

Termofluencia terciaria

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Mecanismos de deformación por termofluencia

• La activación térmica ayuda a pasar los obstáculos,mediante un proceso de ascenso de dislocaciones.

• Este movimiento va cortando el cristal; producedeformación plástica.

• Ocurre por la difusión de vacancias.

Termofluencia por dislocaciones

• Involucra la deformación de los granos por el flujo difusivode vacancias en el interior de los granos.

• Movimientos desde las zonas sujetas a compresión hacialas de tensión.

• Al mismo tiempo los átomos fluyen en dirección contraria.

• La probeta se alarga.

Termofluencia por flujo difusivo

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Fractura en termofluencia

Es del tipo intergranular y presenta un aspecto granuloso, donde las facetas de los

granos están cubiertas de pequeños hoyuelos o cráteres que son cavidades separadas.

Deslizamiento de límite de

grano

Cavitación de límite de grano

Formación de

subgranosFlujo difusivo

Procesos involucrados en la falla por termofluencia:

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Fractura en termofluencia

• Cierta deformación plástica.• Formación de cuello y relieve superficial.• Macroscópicamente puede ser dúctil o frágil.• Dúctil: Transgranular acompañado de elongación y

cuello.• Frágil: Intergranular y tiene muy poca elongación y

cuello.

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1. Una tubería de vapor de 30 pulgadas de diámetro, que

operaba a 900 psi y 538 °C se rompió violentamente

produciendo una rajadura longitudinal, indicada por la flecha

roja en la figura 1.6.8, a lo largo del cordón de soldadura. El

estudio realizado mostró que el cordón de soldadura tenía

mejores propiedades mecánicas a temperatura ambiente que

el acero de la tubería. Además se encontró que la velocidad

de deformación causó la ruptura por esfuerzos debido a

termofluencia después de 10 años de servicio.

Figura 1.6. 8. Fractura longitudinal causada portermofluencia en un tubo de alta presión en una plantatermoeléctrica.

1.6.1 Ejemplos

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2. Aquí se presenta daño por sobrecalentamiento a largo plazo

que generalmente produce una rotura con bordes de canto

gruesos en la cumbre de la zona hinchada que se forma antes de

producirse la rotura, figura 1.6.9. El tubo horizontal se rompió

violentamente produciendo una rajadura longitudinal de

paredes gruesas, ubicada inmediatamente aguas debajo de la

soldadura. La rotura violenta dobló el tubo en 90° formando una

“L”, ella terminó en dos grietas a ambos lados de la rotura. La

superficie exterior del tubo estaba cubierta con magnetita

(Fe3O4), excepto en las zonas cercanas a la rotura, donde el

óxido fue arrancado. La falla se produjo por termofluencia a

temperaturas prolongadas mayores a 1050 °C.

Figura 1.6. 9. Fractura longitudinal causada portermofluencia en un tubo de vapor de alta presiónen una caldera.

1.6.1 Ejemplos

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3. En las siguientes imágenes se presenta un ejemplo de componentes que soportan cargas constantes

durante lapsos prolongados, como es el caso de pernos de anclaje en elementos que soportan calor.

Figura 1.6. 10. Fallas de tornillo de aleación Nimonic 80A por termofluencia en ductos de aireen una cámara de combustión que trabaja a 650 °C. a) Vista panorámica de lugar de falla de lostornillos. b) Superficie de fractura, vista de arriba. c) Superficie de fractura, vista de lado.

1.6.1 Ejemplos

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1.6.1 Ejemplos

Un procedimiento de extrapolaciónemplea el parámetro de Larson-Miller,definido como:

Donde C es una constante(generalmente del orden de 20), con Ten grados Kelvin y el tiempo a laruptura 𝑡𝑟 en horas.

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia.1.6.1 Ejemplos

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1.6 Descripción de termofluencia y falla por termofluencia.1.6.1 Ejemplos

Un componente fabricado con aleación S-590 de base hierro debe tener una vida afluencia de por lo menos 100 días a500°C. Determinar la tensión máximapermitida. (Sol. 600 MPa).

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1.7 Mecanismos de desgaste

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1.7 Mecanismos de desgate

SISTEMA TRIBOLÓGICO

Es la ciencia que estudia la fricción,el desgaste y la lubricación entresuperficies sólidas en contacto

Vida útil Envejecimiento

Asentamiento Operación normal Desgaste severo

Operación suave

Horas (Miles)

De

sgas

te

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INTRODUCCIÓN AL DESGASTE

Se producen debido a la sensibilidad de un material o sistema alos cambios en la superficie.

Consiste en el deterioro o desprendimiento de partículas quesufren las superficies en contacto a causa de la fricción a las quese encuentran sometidas o el medio ambiente.

Daño superficial sufrido por los materiales después dedeterminadas condiciones de trabajo a los que son sometidos.

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TIPO DE MECANISMOS DE MECANISMO POR DESGASTE

TIPOS DE DESGASTE

Desgaste por adherencia

Desgaste por abrasión

Desgaste por fatiga

Desgaste por cavitación

Desgaste por corrosión

Desgaste por erosión

Se clasifican dependiendo de diversos factores que intervienen en la pérdida del material

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Co

efic

ien

te d

e a

dh

esi

ón

Es el proceso por el cual se transfiere material de una a otra superficie durante sumovimiento relativo como resultado de soldadura en frío.

La tendencia a formar regiones adheridas, depende de las propiedades físicas yquímicas de los materiales.

Dureza Vickers

DESGASTE POR ADHERENCIA

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a) b)

Figura a) Desgaste a dos cuerpos, b) a tres cuerpos

DESGASTE POR ABRASIÓN

Pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son

forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella.

De acuerdo al mecanismo de abrasión puede clasificarse en dos tipos: abrasión a dos

cuerpos, y abrasión a 3 cuerpos.

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Propiedades

abrasivas

Tamaño de las partículas

Forma de la partícula

Dureza

Límite elástico

Propiedades de fractura

Concentración

Condiciones

de contacto

Fuerza / nivel de impacto

Velocidad

Ángulo de impacto /

choque

Deslizamiento / rodadura

Temperatura

Húmedo / seco

Desgaste

propiedades

de los

materiales

Dureza

Límite elástico

Módulo de elasticidad

Ductilidad

Características de

endurecimiento

Tenacidad a la fractura

Microestructura

Resistencia a la corrosión

MECANISMO DE FALLO DE DESGASTE POR ABRASIÓN

Desgaste en función al ángulo de impacto

Factores que intervienen en el desgate abrasivo

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DESGASTE POR FATIGA

DEFINICIÓN MECANISMO DE FALLO

Pérdida de material por la repetición cíclicade esfuerzos a los que se somete uncomponente o estructura.

Surge por la concentración de esfuerzos

Causando pérdida del material

Teniendo distorsiones en la estructura cristalina y granos.

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DESGASTE POR CAVITACIÓN

Daño ocurrido en los materiales debido al crecimiento y

colapso de pequeñas burbujas que surgen debido a la

variación de presión durante el flujo de un fluido.

El fluido choca con la arista afilada haciendo variación

en el fluido en la constante de Bernoulli.

Cavitación en hélice de un barco

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1) Se forma una burbuja de cavilación.

2) El colapso de la burbuja causa ladestrucción local de la película.

3) La superficie no protegida del metal estáexpuesta al medio corrosivo y se formauna nueva película por medio de unareacción de corrosión.

4) Se forma una nueva burbuja en el mismolugar, debido al aumento de podernucleante de la superficie irregular.

MECANISMO DE FALLO

Comportamiento del fenómeno de cavidad

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DESGASTE POR CORROSIÓN

a) b)

Desgaste corrosivo a) Formación capa de óxido, b) desprendimiento del material.

Degradación del material por el fenómeno de oxidación, logrando la pérdida delmaterial a causa de la combinación o por la exposición del material a un tipo o modo dedesgaste.

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Ángulos de desgaste erosivo, a) recto, b) inclinado.

Forma

Tamaño

Velocidad

Dureza de las partículas erosivas

Dureza de la superficie

Ángulo de impacto

Mecanismo de fallo

a) b)I. Erosión por suspensión

II. La erosión por impacto

Eliminación del material provocado

por incidencia de partículas sólidas.

DESGASTE POR EROSIÓN

Definición

Tipos

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PREVENCIÓN DE DESGASTE EN GENERAL

lubricación

Medio ambiente

Calidad del material

Condiciones de uso

fabricación

Formación de los tipos de fenómenos

son independiente de cada uno.

No existe modelo de solución

específica.

Parámetros o factores para la prevención

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EQUIPO PARA MEDIR EL DESGASTE

a) Máquina de espiga

c) Disco para medir fricción

Máquina de espiga y disco

S= Wi - Wf

WiX 100

Donde:

S= Peso del desgaste en %.

Wi= Peso inicial.

Wf= Peso después de la prueba.

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EJEMPLOS DE LOS TIPOS DESGASTE

Desgaste por adhesión en soportes.

Desgaste por adhesión Desgaste por abrasión

Desgaste abrasivo en maquinaria pesada.

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Desgaste por erosión

EJEMPLOS DE LOS TIPOS DESGASTE

Desgaste por cavitación

Desgaste por cavitación en turbinas de barcos.

Desgaste por cavitación en turbinas de barcos.

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Bibliografía

1. American Society of Metals (ASM). Handbook vol. 11. Failure Analysis and Prevention.

2. González, Jorge Luis. Metalurgia Mecánica. Limusa Noriega editores. 2003. México, DF.

3. Callister, William. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial

Reverté, S. A. 1995.

4. ASM Metals HandBook Volume 8 - Mechanical Testing and Evaluation. American Society

of Metals. 2000.

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Documents

Análisis de Las Causas Que Producen Fallas