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ANÁLISIS Y MODO DE FALLA PARA LA BIELA EN UN TELAR DE CINTAS AUTOMÁTICO
John Anderson Caicedo Ocampo
Iván Darío Parra Guzmán
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTÁ
2017
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ANÁLISIS Y MODO DE FALLA PARA LA BIELA EN UN TELAR DE CINTAS AUTOMÁTICO
John Anderson Caicedo Ocampo
Iván Darío Parra Guzmán
Tesis para optar al título tecnólogo mecánico
Ing. Carlos Arturo Bohórquez
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTÁ
2017
3
Índice de contenido
RESUMEN .........................................................................................................................8
INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................9
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................... 11
1.1 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 13
2 OBJETIVOS ............................................................................................................. 14
2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 14
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................. 14
3 ANTECEDENTES ..................................................................................................... 15
4 MARCO TEÓRICO ................................................................................................... 17
4.1 EL ANÁLISIS DE MODO Y EFECTO DE FALLA (AMEF) ................................. 17
4.2 MODOS Y MECANISMOS DE FALLA ............................................................... 19
FRACTURAS ............................................................................................................ 19
GRIETAS .................................................................................................................. 23
FALLAS POR DESGASTE ....................................................................................... 25
CORROSIÓN ........................................................................................................... 26
4.3 DETECCIÓN DE FALLAS ................................................................................. 26
ENSAYOS DESTRUCTIVOS .................................................................................... 26
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ............................................................................. 27
4.4 NORMATIVIDAD .................................................................................................... 28
5 METODOLOGIA ....................................................................................................... 29
5.1 EXPLICACIÓN DEL ESQUEMA DIAGRAMA DE FLUJO .................................. 31
SELECCIÓN DE MUESTRA ..................................................................................... 31
RECOLECCION DE DATOS .................................................................................... 32
PRUEBA DE ESPECTROFOTOMETRÍA ULTRA VIOLETA ..................................... 33
INSPECCIÓN VISUAL DE LA FALLA ....................................................................... 34
PRUEBA METALOGRÁFICA .................................................................................... 35
ENSAYO DUREZA DE BRINELL ............................................................................. 38
ENSAYO DE MICRODUREZA VICKERS ................................................................. 38
6 RESULTADOS Y ANÁLISIS ..................................................................................... 39
6.1 ESPECTROMETRÍA DE RAYOS X DE ENERGÍA DISPERSA .............................. 39
COMPARACIÓN DE LA COMPOCISIÓN QUÍMICA ALUMINIO 6082 EN LA NORMA
A.A CON LA PRUEBA DE ESPECTROMETRÍA. ..................................................... 40
4
COMPOSICION ........................................................................................................ 41
6.2 INSPECCION VISUAL DE LA FALLA .................................................................... 42
6.3 MUESTRAS TOMADAS POR EL ESTEREOSCÓPIO EN EL LABORATORIO DE
METALOGRAFÍA ......................................................................................................... 43
6.4 ANÁLISIS METALOGRÁFICO ............................................................................... 48
ANALISIS DE LA ZONA A ........................................................................................ 49
ANALISIS DE LA ZONA B ........................................................................................ 51
6.5 DUREZA BRINELL ................................................................................................. 52
6.6 MICRODUREZA VICKER ...................................................................................... 54
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 58
8 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 60
5
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Datos técnicos de la maquina……………………………………………33
Tabla 2. Resultados del análisis químico…………………………………………39
Tabla 3. Resultados Porcentuales de los elementos…………………………....39
Tabla 4. Composición Química bajo la norma “Aluminium and Associety"…...41
Tabla 5. Comparación de la composición química de la norma AA vs prueba
espectrometría………………………………………………………………………..41
Tabla 6. Porcentaje promedio dureza Brinell……………………………………..53
Tabla 7. Catálogo Thyssenkrupp Materials Iberica S.A………………………….53
Tabla 8. Valores durezas cercanas a la fractura dureza Vickers……………….56
Tabla 9. Valores durezas lejanas a la falla dureza vickers…………………..….57
6
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Superficie de fractura, Ensayo de tracción, Fractura frágil y Fractura
dúctil………………………………………………………………………………….......20
Figura 2. Marcas radiales y aspecto granular en fractura frágil…………………...20
Figura 3. Zona fibrosa con agujeros en fractura dúctil……………………………...21
Figura 4. Fractura intergranular……………………………………………………….21
Figura 5. Fractura transgranular con microvacíos…………………………………..22
Figura 6. Zona fibrosa en fractura dúctil……………………………………………...22
Figura 7. Zona de desgarre en fractura dúctil……………………………………….22
Figura 8. Marcas de playa en fatiga…………………………………………………..23
Figura 9. Grietas por fluencia………………………………………………………….24
Figura 10. Fragilización en un metal………………………………………………….24
Figura 11. Telar de cintas automático………………………………………………..32
Figura 12. Biela que presenta la fractura…………………………………………….32
Figura 13. UV-Vis-NIR, Espectrómetro Universidad Nacional………………….…34
Figura 14. Máquina Estereoscopio Discovery V8, Universidad Distrital………….35
Figura 15. Biela fracturada vista frontal………………………………………………42
Figura 16. Biela fracturada vista superior…………………………………………….42
Figura 17. Biela fracturada vista superior…………………………………………….43
Figura 18. Fractura lado derecho……………………………………………………..43
Figura 19. Posicionamiento de las capturas estereoscópicas……………………..44
Figura 20. Aumento 2000um estereoscopia centro izquierdo….………………….44
Figura 21. Aumento 2000um estereoscopía lado izquierdo……………………….45
Figura 22. Esquema concentración de esfuerzos…………………………………..46
Figura 23. Aumento 2000um estereoscopía lado derecho………………………...46
Figura 24. Aumento 2000um estereoscopía centro de la biela……………………47
Figura 25. Aumento 2000um estereoscopía esquina izquierda, generación de
cavidades...………………………………………………………………………………48
Figura 26. Aumento 2000um estereoscopía esquina derecha, generación de
grietas y cavidades……………………………………………………………………...48
Figura 27. Zonas de estudio metalográfico………………………………………….49
7
Figura 28. (Zona A) Microestructura obtenida del aluminio 4032 (biela fracturada)
(a) 200X (b) 500X……………………………………………..…………………………49
Figura 29. Diagrama de equilibrio Al-MG-Si 6082 (Biela fracturada)…….……….50
Figura 30. (Zona B) Microestructura obtenidas del aluminio 4032 (Biela
fracturada) (a) 200X (b) 500X………………………………………………………….51
Figura 31. (ZONA B) Estructura laminar de la aleación aluminio-silicio………….51
Figura 32. Probeta cercana de la falla dureza Brinell…………………………...….52
Figura 33. Probeta alejada de la falla dureza Brinell……………………………….52
Figura 34. Probeta alejada de la falla microdureza Vicker..…...………...………...54
Figura 35. Probeta cercana a la falla microdureza Vicker..…...…...………………54
Figura 36. Penetración de la probeta…………………………………………………55
Figura 37. Rombo marcado por la penetración del diamante cercana a la falla...55
Figura 38. Rombo marcado para probeta alejada de la falla………………………56
8
RESUMEN
Este documento busca analizar e identificar la principal falla de la biela que
soporta el rodillo principal en un telar de cintas automático que se encuentra en la
industria del plástico, luego de establecer el tipo de material presente en la biela y
de realizar diferentes estudios y ensayos a partir de este material.
Para esto, como se mencionaba anteriormente es necesario conocer bien la pieza
que se va a estudiar y esto incluye todas sus propiedades químicas y físicas,
también es necesario saber qué función cumple para tener una idea general de
las fuerzas que soporta y, por último, determinar el por qué la pieza falla.
Primero, se realiza un análisis visual de la pieza mediante un estereoscopio para
determinar el posible origen de la falla, después se realiza la prueba de
espectrometría mediante la microscopía electrónica de barrido y así determinar
sus componentes químicos, luego se realizan un par de pruebas metalográficas
para visualizar la falla microscópicamente y, por último, se realizan pruebas de
dureza y microdureza para determinar propiedades físicas del material.
9
INTRODUCCIÓN
El telar de cintas utilizado en la industria plástica colombiana es una máquina
tradicional diseñada para realizar la misma función que un telar artesanal, es
decir, la creación de una cinta de tela. Su funcionamiento básicamente consta de
un cruzamiento entre la urdimbre (hilo base) y la trama (hilo con el que se teje)
llamado tisaje o tejido. Este proceso entonces, necesita un sistema de rodillos y
poleas para que la cinta pueda desplazarse a través de las varillas y los marcos
los cuales realizan el tisaje de la cinta. Para esto, el sistema requiere una buena
transmisión de potencia capaz de generar una fuerza suficiente para un adecuado
funcionamiento. Generalmente, un telar de cinta tiene una capacidad de 5,000 a
50,000 metros/diarios con una potencia en el motor que puede llegar hasta 2 HP y
una velocidad que oscila entre 600 y 800 rpm.
La alta potencia generada por el motor en la máquina origina vibraciones, altos
torques y fuerzas por lo que algunos componentes de la máquina como las bielas
deben ser elaboradas con materiales adecuados para soportar las altas
exigencias que se presentan durante el proceso de operación.
La biela del telar de cintas está ubicada en el extremo del eje cigüeñal y se trata
de una pieza con alto grado de importancia, tanto para la transmisión de potencia,
como para la transformación del movimiento. Durante su funcionamiento está
sometida a esfuerzos de tracción, compresión y flexión lo que quiere decir que
debe ser una pieza diseñaba para soportar altas cargas dinámicas en cortos
lapsos de tiempo, dado que su función principal es disminuir las fuerzas de
fricción generadas por el movimiento rotativo entre el eje cigüeñal y la biela
principal de la máquina, evitando así un desgaste excesivo.
Según datos de registro de la máquina, esta debe operar anualmente unas 7050
horas, sin embargo, estos datos son variables dado que algunos componentes de
10
la máquina han presentado fallas y desgastes prematuros. Estas paradas
imprevistas hacen que la máquina trabaje alrededor de 6400 horas anuales.
La tesis comprende la realización del análisis de falla de la biela que soporta el
rodillo principal debido a que genera los mayores paros prolongados en la
producción del telar. Se llevarán a cabo ensayos de laboratorio para la pieza
El proyecto involucra la selección de la biela que fue escogida para su análisis e
identificar el tipo de falla. Además, inspeccionar visualmente y evaluar el tipo de
desgaste a través del estereoscopio, realizar la caracterización metalográfica,
espectrometría y, por último, ensayos de dureza y microdureza. Finalmente, el
trabajo desarrollado comprende la evaluación de los resultados, el planteamiento
de conclusiones sobre el material de la biela y recomendaciones para evitar o
disminuir las fallas.
11
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La economía y la globalización ha hecho que el análisis de falla en los materiales
mecánicos sea de suma importancia en la industria mundial, las fallas en los
equipos pueden traer graves consecuencias económicas e incluso la pérdida de
vidas humanas, la fractura de los materiales mecánicos a lo largo de la historia ha
generado grandes desastres que hoy en día son recordados. Un ejemplo se
presentó en los años 50 con los “jets comerciales”, cuyo diseño incluyó ventanas
rectangulares que generaron una concentración de esfuerzos altamente crítica
que junto con la fricción del viento generaron la aparición de pequeñas grietas que
luego alcanzaron un tamaño crítico generando la explosión de las naves en pleno
vuelo. Es por esto que los factores de diseño son importantes a la hora de evaluar
las fallas.
Cabe resaltar otro acontecimiento que se basa principalmente en la falla en las
uniones de las alas de fuselaje de los aviones de combate F-111 de la fuerza
aérea americana. El material era extremadamente frágil, lo que desencadenó
numerosas catástrofes aéreas en los años 70 y que llevan a contemplar lo
importante que es la selección del material teniendo en cuenta el uso que se le va
a dar. Estos acontecimientos mencionados anteriormente muestran la importancia
de evaluar el análisis de falla en los materiales mecánicos, funciona como método
para disminuir costos en la parte de mantenimiento, ayuda a la prolongación de la
vida útil del equipo y los equipos permiten cumplir con objetivos y metas
planteadas en producción disminuyendo pérdidas financieras.
Colombia va a la vanguardia con la materia, los avances tecnológicos que ofrece
nuestro país con respecto al análisis de falla han permitido que los empresarios
de vieja y nueva data cambien su forma de concebir y manejar sus procesos, han
12
empezado también poco a poco, a dar paso hacia el análisis de falla que se
presenta en sus industrias.
Anteriormente en la industria colombiana si una pieza fallaba simplemente se
cambiaba y no se indagaba la razón de su fractura, pero con el avance del tiempo
la industria ha investigado el porqué de la falla, los costos que implica y algo muy
importante que es el bienestar de hacer el diagnóstico sin necesidad de ir a otros
países.
La industria colombiana comienza a estar más articulada con la academia, esto
ha generado que sus procesos sean más eficientes dado que en el país se cuenta
con tecnología de punta para identificar el análisis de falla de cualquier material y
entre ellos se destacan: la Universidad Nacional de Colombia y la Universidad de
los Andes.
En este contexto, el proyecto de investigación se centra en la fractura de la biela
principal de un telar de cintas automático utilizado en la industria de plástico. este
problema está generando paros prolongados que generaron pérdidas económicas
y de producción provocando incumplimientos en las entregas programadas, para
esto se busca identificar la fractura de la biela que sujeta el cigüeñal por medio
de análisis del microscopio metalográfico, fractografia, estereoscopia, análisis de
la composición química y, por último, realizar los ensayos de dureza y de micro
dureza, con esto se busca dar una solución al problema.
_________________
MARIA CRITINA ROJAS CRUZ. ANALISIS DE FALLA Un viaje a la raíz del problema y la solución. Bogotá-
Colombia En: articulo (2009). p. 1, 3,5
13
1.1 JUSTIFICACIÓN
Como se mencionaba anteriormente, la biela usada en el telar de cintas presenta
un alto grado de desgaste, lo cual la lleva a la fractura en momentos inesperados
que hacen que la máquina tenga que ser detenida ocasionando pérdidas de
trabajo, lo cual genera un impacto negativo en la producción y que se ve reflejado
en unidades monetarias para la empresa.
El área de mantenimiento a cargo de la máquina debe no solamente hacer el
reemplazo de la pieza, sino que obliga a exponer la demás maquinaria para tratar
de solventar la pérdida de producción arriesgándose a una nueva fractura por
parte de la biela en otra máquina. Para continuar, los costos siguen aumentando
ya que el mantenimiento correctivo debe ser realizado por mano de obra
especializada sin contar la fabricación de la biela dado que no es una pieza
normalizada y se debe fabricar completamente.
Además, una falla en la biela que soporta el rodillo principal del telar de cinta
puede conllevar al desajuste instantáneo del eje central, o en el peor de los casos
a una fractura en otra de las piezas de la máquina, lo que generaría una pérdida
mucho mayor a la estipulada.
14
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar el tipo y modo de falla de la biela del telar de cintas automático, así como
también los mecanismos de falla presentes.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Realizar una investigación sobre los tipos de falla más comunes
presentados en piezas similares a la biela seleccionada.
Llevar a cabo los correctos tratamientos, ataques y pruebas de laboratorio
para determinar el modo de falla de la pieza.
Analizar el tipo de falla y sus características para sugerir mejoras que
hagan que la pieza tenga una vida útil más larga.
15
3 ANTECEDENTES
La fractura en materiales puede traer altos costos económicos de producción o
pueden poner en riesgo vidas humanas específicamente en operarios que estén
controlando la máquina, es importante realizar un análisis detallado del porqué
falla un material, ya que a partir de estos análisis se pueden identificar errores que
se pudieron comprometer con el material ya sean de diseño o factores externo a
este.
La falla en los materiales de ingeniería se da por las propagaciones de grietas,
que en últimas llevan a la fragmentación del material y pérdida de sus
propiedades mecánicas, el estudio de la falla es complejo pero importante para
identificar la capacidad mecánica que tienen los elementos, el análisis de falla
dependerá de las propiedades del material, factores geométricos, y ciclos de
carga a la que esté sometida el elemento.
Dentro de la mecánica de la fractura se realizan dos tipos de estudios para
identificar la falla la primera es el enfoque energético estudio del campo potencial
como forma de averiguar el estudio de la grieta y el otro enfoque es el local que
se da en examinar las tensiones en la grieta y comparar estos valores conocidos
del material.
Los tipos de falla se pueden clasificar como: materiales frágiles y materiales
dúctiles; para los materiales frágiles presentan un tipo de fractura a 90ª, no se
observa deformación plástica, generalmente es originado por un esfuerzo normal;
los materiales dúctiles se originan por esfuerzos cortantes, se observa una
deformación plástica produce en los planos de corte la forma de capa – cono,
forma ángulos de 45ª, respecto a la carga donde se evidencia zona de desgaste y
zonas fibrosas.
El término falla comenzó a desarrollarse durante la primera guerra mundial por el
ingeniero aeronáutico inglés Alan Griffith, demostró que la tensión de rotura es
una de las principales fallas en materiales frágiles, realizando ensayos con
probetas experimentales.
Varios proyectos de investigación realizados por estudiantes y docentes de
diferentes universidades buscaron determinar el análisis de falla de diferentes
16
piezas mecánicas utilizado en la parte industrial, estos trabajos se realizaron por
medio de la caracterización metalográfica y ensayos de micro dureza.
Se encontraron proyectos en los que se busca evaluar el análisis de la falla para
bielas con procesos muy diferentes al que se le da a cabo a este proyecto, las
diferencias fundamentales yacen en la geometría del material y los procesos que
se escogieron, para esta investigación está en evaluar el tipo de desgaste
mediante la inspección visual, realizar una microscopia de barrido, caracterización
metalográfica y ensayos de dureza.
Es importante aclarar que los ensayos utilizados en este trabajo son diferentes a
las encontradas en textos base, un ejemplo es el trabajo titulado “Análisis de la
fractura de una biela de compresor de refrigeración” donde busca analizar la
fractura de una biela de compresor de refrigeración, que está sometida a cargas
variables con bases en análisis metalográficos y fractográficos y la estimación del
estado de esfuerzos de la biela, encontrando que la pérdida de lubricación en el
par de biela-cigüeñal produjo la falla en el material este falla se denomina el
“Scuffing “, desgaste severo aumentado el coeficiente de fricción.
___________________
SHACKELFORD, James F. Introduction a la ciencia de materiales para ingenieros. Analisis y prevención de
fallo. Alfredo Güemes, Nuria Martin. Califonia. United States. 2011. p. 259. Sexta edicion.
ERNESTO GERMAN PORRAS, SARA RODRIGUEZ Y JHON JAIRO CORONADO A. Análisis de la fractura
de una biela de compresor de refrigeración .Ingeniería e investigación universidad nacional de Colombia
17
4 MARCO TEÓRICO
El análisis de falla en materiales se emplea para aplicaciones de prueba y mejora
de sus condiciones físicas y/o químicas para un funcionamiento más óptimo
dependiendo de sus condiciones de trabajo y esfuerzo.
4.1 EL ANÁLISIS DE MODO Y EFECTO DE FALLA (AMEF)
Cuando una pieza mecánica ya no soporta continuar con su funcionamiento
específico se dice que ha fallado, es decir, que su vida útil ha terminado antes de
lo esperado. Estas fallas anticipadas causan incidentes que pueden llegar a ser
perjudiciales para una vida humana o pueden llegar a incrementar altamente los
costos laborales por su mantenimiento y reparación.
Se define al análisis de falla como una prueba especializada de una pieza
fracturada para determinar por qué su fractura y con base en la información
recolectada tomar decisiones para mejorar la funcionalidad y confiabilidad de la
pieza.
El análisis de falla está diseñado para:
1. Encontrar los modos de fractura:
Es la forma en la que la pieza falla, es decir, cómo fue que se dio la
fractura. Aquí se analizan los tipos de falla más comunes como los son, por
ejemplo: fractura frágil, fractura dúctil, fatiga, exceso de carga, etc.
18
2. Identificar los mecanismos de fractura:
Es la forma física en la que la pieza falla, es decir, el fenómeno físico
involucrado en la fractura tal como pueden ser golpes por parte de otras
piezas o una presión constante generada por agentes externos a la pieza.
3. Hallar la causa principal o causa raíz:
Muchas veces el diseño es la causa principal de la fractura, un mal diseño
en una pieza que soporta altas cargas implica que recibirá más esfuerzo en
unos sectores que en otros y es por ello que la pieza pierde confiabilidad y
termina fracturándose
4. Recomendaciones para la prevención de fractura:
Dentro de las recomendaciones se pueden incluir: un óptimo diseño,
acomodándose a las especificaciones que realizará la pieza o producto en
su función general dentro de la máquina; mantenimiento preventivo, el cual
se debe llevar a cabo en ciertos ciclos de tiempo para evitar fallos
inesperados del producto; mantenimiento predictivo, una importante
recomendación dado que pocas empresas llevan a cabo este tipo de
mantenimiento que consta en analizar los materiales visual y físicamente
para predecir cuándo fallará la pieza y aplicar el mantenimiento preventivo;
y por último, usar la pieza para lo que está fabricada, muy comúnmente en
varias empresas se ve que muchas piezas están siendo usadas en áreas
no correspondidas a las que fueron fabricadas originalmente causando
fallas no solo en la pieza sino en la máquina en general y es por ello que se
debe usar la pieza únicamente para su función principal.
Para realizar un análisis de falla es necesario conocer con anterioridad que tipo
de material se está tratando para así poder realizar un análisis metalográfico e
identificar las características estructurales que éste posee. También es importante
19
realizar una inspección estereoscópica para hallar el posible tipo de fractura que
se presenta o cómo fue su rompimiento de una manera más detallada. Finalmente
se realizan pruebas de dureza y microdureza para determinar la resistencia del
material y así determinar con firmeza el modo de falla.
4.2 MODOS Y MECANISMOS DE FALLA
Las fallas a nivel estructural de un material pueden ser generadas por distintos
factores como lo son principalmente, fracturas, grietas, desgaste, corrosión, entre
otras, y se deben generalmente a procesos químicos o a consecuencias de
trabajo al cual es sometido el material.
FRACTURAS
Una fractura es el resultado final del proceso de deformación plástica repentina o
excesiva por el que pasa un material incluyendo otros factores como lo pueden
ser la temperatura, el tiempo que es sometido el material, la carga, su
composición química, etc. Estas fracturas pueden clasificarse en dos grandes
tipos, fractura frágil o súbita y fractura dúctil, y cada una de ellas presenta
diferencias tanto física como microestructuralmente.
Fractura frágil
Este tipo de fractura es originada antes de presentarse una deformación plástica,
por tanto, los materiales que más fallan súbitamente son materiales no cristalinos
y en presencia de altas cargas y temperaturas muy bajas dado que no hay
movimiento atómico y por ende no se presenta deformación plástica.
Fractura dúctil
Se origina ante esfuerzos cortantes que dejan una notable deformación plástica
observable y se produce en los planos de corte en forma copa-cono, es decir,
forma un ángulo de 45° respecto a la carga, donde a lo largo de la superficie
20
inclinada se evidencia una zona de desgarre y en el tope de esta una zona
fibrosa.
Figura 1: Superficie de fractura, Ensayo de tracción, Fractura frágil y Fractura dúctil
Al inspeccionar una fractura se pueden observar rasgos morfológicos
dependiendo el tipo de fractura. Es así como también podemos descifrar el tipo de
fractura de una forma visual, la fractura frágil puede presentar un aspecto granular
junto con marcas radiales y una fractura dúctil presenta aspectos fibrosos con
agujeros muy pequeños.
Figura 2: Marcas radiales y aspecto granular en fractura frágil
21
Figura 3: Zona fibrosa con agujeros en fractura dúctil
Si la inspección que se realiza es microscópica también podemos determinar el
tipo de fractura presente en una pieza. Cada fractura tiene particularidades que la
diferencian de la otra y permite facilitar el tipo de falla.
En una fractura frágil se pueden encontrar detalles transgranulares que se
propagan a través de ciertos planos del grano, o pequeñas fracturas
intergranulares en donde la fractura se propaga a través de los límites de grano y,
por último, también se evidencian microespacios similares a los agujeros que se
ven a simple vista.
Figura 4: Fractura intergranular
22
Figura 5: Fractura transgranular con microvacíos
En una fractura dúctil las características microscópicas son prácticamente las
mismas que se pueden encontrar a simple vista.
Figura 6: Zona fibrosa en fractura dúctil
Figura 7: Zona de desgarre en fractura dúctil
23
GRIETAS
Son fisuras que presenta un material y puede llevarlo al punto de fractura
completa, estas grietas son progresivas así que se pueden dar por diferentes
factores o acontecimientos sufridos por la pieza.
Fatiga
Este tipo de falla es presentado cuando un material es sometido a cargas cíclicas
y dinámicas constantemente presentando una grieta que sucesivamente va
aumentando al punto de fracturar el producto completamente. Dicha fatiga hace
que la pieza presente marcas de playa que indican los cambios de esfuerzos
sufridos durante las cargas dinámicas a las que fue sometida.
Figura 8: Marcas de playa en fatiga
Fluencia
Las grietas originadas por la fluencia lenta se dan cuando un material es expuesto
a una alta temperatura y a su vez está bajo efectos de tensión y esto provoca una
especie de desgarre en el material.
24
Figura 9: Grietas por fluencia
Fragilización
Generalmente se presenta por la interacción del material con un agente externo
como puede ser el hidrógeno, y eso hace que se pierda la resistencia a la
ductilidad llevando la pieza a una fractura.
Figura 10: Fragilización en un metal
25
FALLAS POR DESGASTE
El constante uso de un material provoca que éste empiece a tener defectos en su
estructura física dado que la pieza está continuamente involucrada a fuerzas de
rozamiento, de fatiga, de choque entre otras piezas de su entorno.
Desgaste abrasivo
Es originado por la fricción que generan dos elementos con diferentes
características y que provocan pérdidas de material y ralladuras.
Fatiga superficial
Los elementos pueden presentar imperfecciones diminutas que a su vez generan
esfuerzos que causan imperfecciones al material como picaduras o pequeñas
fracturas.
Ludimiento
Es el desajuste que se presenta en dos elementos que están juntos a presión que
produce pérdidas de material y deformación superficial.
Erosión
Se presenta cuando un elemento entra en contacto con cualquier tipo de fluido en
movimiento. Este desgaste es lento y genera perdida de material de manera
26
progresiva y la apariencia del material depende el tipo de fluido con el que está en
contacto.
CORROSIÓN
Es una falla muy común y se genera por el resultado de un proceso químico en el
que el material reacciona con algún elemento del entorno haciéndole cambiar sus
principales cualidades como su resistencia mecánica, dureza, etc.
4.3 DETECCIÓN DE FALLAS
La detección de las fallas en elementos mecánicos, así como en cualquier campo
de las ciencias es necesaria para llevar a cabo la solución del “¿por qué?” algo
está saliendo o salió mal y de ahí en adelante dar una mejor solución. Para el
campo de las fallas mecánicas es necesario realizar una serie de ensayos que
permiten conocer un poco más a fondo razones por la cual un elemento o pieza
puede fracturarse antes de su vida útil. Estos ensayos pueden ser destructivos y
no destructivos y dependen del material que se necesite analizar.
ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Los ensayos destructivos están diseñados con el fin de poder evidenciar y evaluar
la tendencia de un material a fallar, sacando una serie de probetas de
determinado material las cuales son sometidas a procesos que las destruyen y
analizan para determinar el límite de dicho material antes de su fractura.
Los ensayos destructivos más usados son: prueba de tracción, ensayo de dureza,
prueba de doblez, ensayo de fatiga, análisis metalográfico bajo microscopio,
ensayo de termo fluencia, prueba de impacto, etc.
27
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
En este caso, los ensayos no destructivos son muy usados directamente en la
pieza a utilizar y no en probetas dado que no se van a destruir. Básicamente,
consiste en la utilización de una serie de técnicas no invasivas para la
caracterización de un material, así como la determinación de su estado físico
contemplando la medida de varias de sus características sin dañarlo.
Dentro de los principales métodos de END (Ensayos no destructivos) se
destacan: Inspección visual, radiografía, ultrasonido para la determinación de la
posición o pasa la obtención de sus medidas convencionales, líquidos
penetrantes, partículas magnéticas, réplicas metalográficas para la
caracterización de microestructuras, termografía para hallar fugas térmicas, entre
otros.
Estos métodos requieren una certificación por una entidad acreditada con
especialistas certificados en la Norma Europea EN 473 que se centra en los END
para una mejor inspección y un mejor análisis.
Después de encontrar e identificar los modos y mecanismos de falla se pueden
analizar las principales causas, que pueden ser:
Errores de fabricación
Errores de uso y montaje
Mantenimiento mal elaborado
Errores en el diseño
Material equivocado
Errores en la soldadura
Condiciones alteradas de operación o trabajo
Tratamiento térmico inadecuado
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4.4 NORMATIVIDAD
Un informe de análisis de falla generalmente es leído por una gran cantidad de
personas en el campo de la ingeniería que diariamente están familiarizadas con
materiales y fracturas en piezas, es por esto que una buena redacción y un
lenguaje preciso es completamente importante para llevar a cabo un trabajo como
este. Un analista de fallas debe poseer un amplio conocimiento en áreas como la
resistencia de materiales, metalografía y ciencia de los materiales ya que así se
puede tener un resultado más específico con un léxico fácil de entender, pero
conciso en lo que se quiere demostrar.
Los códigos y normas utilizados para la creación de un análisis de falla
generalmente son:
AISI: Conocida como la clasificación de los aceros y aleaciones de
materiales no ferrosos.
ASTM: Norma internacional para clasificar materiales, productos, sistemas
y servicios de manufactura.
ASME: Código de diseño, construcción e inspección de equipos como
calderas o recipientes a presión.
NACE: Código para materiales que se exponen a la corrosión.
UNS: Clasificación de los metales y sus aleaciones.
SAE: Normativa usada generalmente en la industria automotriz.
__________________________
http://blog.utp.edu.co/metalografia/11-analisis-de-falla-de-materiales/
http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/catedras/archivos/Mecanica%20de%20Fractura%202010rev01.pdf
http://web.imiq.org/attachments/345_15-26.pdf
https://www.inti.gob.ar/cordoba/boletin/boletin06/pdf/1-3.pdf
http://www.tuv-nord.com/es/inspeccion-industrial-end/ensayos-no-destructivos-499.htm
29
5 METODOLOGIA
30
31
5.1 EXPLICACIÓN DEL ESQUEMA DIAGRAMA DE FLUJO
SELECCIÓN DE MUESTRA
Para el proyecto de investigación se consiguió la biela que presenta la falla con el
personal de mantenimiento de la empresa CIPLAS S.A localizada en la ciudad de
Bogotá D.C, esta biela es retirada del eje principal del rodillo del telar de cintas
automático como se observa en la figura 12.
32
Figura 11: Telar de cintas automático
Figura 12: Biela que presenta la fractura.
RECOLECCIÓN DE DATOS
Se realizaron visitas técnicas para recopilación de información relacionada con
la máquina, factores como velocidades, temperaturas de funcionamiento,
potencia del motor, tipo de lubricantes, tensiones, tipo de mantenimiento esta
información fue recopilada por el personal de mantenimiento y los operarios de
la empresa.
33
Tabla 1: Datos técnicos de la maquina
PRUEBA DE ESPECTROFOTOMETRÍA ULTRA VIOLETA
Debido a que no se conoce que tipo de material se decide realizar un estudio
más detallado, se determina realizar una prueba de espectrofotometría la cual
consiste en una evaporación de una pequeña muestra y el correspondiente
análisis de chispa que forma los átomos excitados donde se separan y emiten
haz de luz. Este haz de luz es recibido por un detector óptico fotosensible
donde trasforma la luz en señales eléctricas y reconoce las cargas, debido a
este proceso se puede encontrar la composición del material, esta prueba se
desarrolló en el espectrómetro sobre una probeta 20mm largo, 20mm ancho y
10mm de alto. La prueba fue realizada en el equipo UV-Vis-NIR de los
laboratorios de mecánica de la Universidad Nacional.
34
Figura 13: UV-Vis-NIR, Espectrómetro, Universidad Nacional
INSPECCIÓN VISUAL DE LA FALLA
Para realizar el análisis de falla consistió como primera medida en realizar una
inspección visual para ubicar las zonas que presentan fallas y desgastes. La
información obtenida visualmente nos permite relacionar tipos de fallas que se
presentan comúnmente en materiales metálicos, además se puede obtener
visualmente si factores externos están involucrados con la fractura del material.
INSPECCIÓN VISUAL A NIVEL MACRO
La inspección visual a nivel macro se realizó en la biela fracturada y se
registraron fotografías con la Cámara Nikon Sumergible Coolpix S33, se podrán
observar en el análisis de resultados.
35
INSPECCIÓN VISUAL (ENSAYO ESTEREOSCÓPIO)
En la inspección a nivel macro se identifica el deterioro de la biela, pero al
llevarlo a un estereoscopio Discovery V8 donde se permite tener una imagen
virtual amplificada con apariencia densa, además de permitir tener registros
con mayores detalles. La prueba se realiza en la Universidad Distrital Francisco
José de Caldas
Figura 14: Máquina Estereoscopio Discovery V8, Universidad Distrital
PRUEBA METALOGRÀFICA
CORTE DE LA MUESTRAS
Esta etapa es muy crítico para el proceso de estudio metalográfico, debido a
que puede generar cambios de temperatura que podrían modificar la estructura
36
del material y por tanto los resultados no serán 100 % confiables , no es
recomendado el uso de cortes en seco u oxicorte, para nuestro proyecto se
realizaron cortes a 90 ° perpendicular a la pieza que presenta la falla utilizando
la sierra metalográfica con disco abrasivo MEKTON T41 disponible en el
laboratorio de tratamientos y preparaciones de probetas , ya que facilita la
visualización e imperfecciones en la estructura del material. Tener en cuenta
que el corte siempre tiene que tener una constante lubricación.
DESBASTE DE LA PROBETAS
Debido a que las probetas son de aluminio se utilizaron diferentes calidades de
abrasivos en orden de mayor a menor tamaño de grano para tener una
superficie en perfecto estado a la hora de realizar el ataque químico. Con esto
se logró desbastar y eliminar ralladuras que se presentan en las capas de las
muestras y residuos que genero el corte, de este modo la microscopia saldrá
con una imagen clara. Para el desbaste de nuestras probetas se logró en tres
etapas.
- Corte de la muestra
- Desbaste con papel lija en agua, debido a que el aluminio se raya con
mucha facilidad se decidió utilizar lija de
120,180,220,360,400,600,800,1000,1200,1500,2000 hasta alcanzar la
superficie más óptima para el ensayo metalográfico.
- Pulido final.
Es importante tener cuidado en el desbaste con papel de lija debido a que el
material es muy sensible, además cada vez que se acabe de lijar girar a 90 ° la
probeta y lavar con bastante agua cuando se cambie el abrasivo, es importante
no aplicar una fuerza desmedida durante los procesos de desbaste debido a
que pueden producirse imperfecciones más profundas implicando
modificaciones en la estructura.
El pulido final se realizó con la pulidora metalográfica la cual contiene un disco
con una superficie plana de diámetro 40cm, para nuestra probeta las RPM
37
(revoluciones por minuto) fueron de 100-150, además se utilizó primeramente
un paño con alúmina mezclada con agua, seguidamente se utilizó paño SATO
con un abrasivo de pasta diamantada de 6 micras y un paño FLOOKED con un
abrasivo de pasta diamantada de 3 micras para tener al final en la superficie de
desbaste un brillo espejo.
ATAQUE QUÍMICO DE LA PROBETAS
La función de realizar el ataque químico a nuestras probetas es diferenciar por
medio del microscopio AXIO la estructura del material, es importante tener en
cuenta que dependiendo del material a estudiar se hacen combinaciones de
ácidos diluidos en alcohol o agua destilada, es importante tener control del
tiempo en que las probetas son atacados, debido a que podrían quemarse
durante el proceso, por esto es adecuado tener control durante el ataque para
garantizar que el reactivo cubra toda la superficie de la probeta, si la exposición
es deficiente el ataque no lograra diferenciar la estructura del material y si se
sobrepasa el reactivo terminara por opacar la probeta.
En el caso del aluminio utilizamos el reactivo 75ml (HCL) ácido clorhídrico 32%,
25ml (HNO3) ácido nítrico 65% y 5ml (HL) ácido fluorhídrico 40% en un tiempo
de 30s.
MICROSCÓPIO METALOGRÁFICO
Se realiza en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco
José de Caldas, las tomas de fotografías digitales de las muestras de aluminio
se deben realizar de la siguiente manera: una alejada de la falla y la otra
cercana a la falla, ambas en el microscopio óptico con el fin de observar micro
estructuralmente el material para determinar los componentes que estaban
presentes en las probetas.
38
ENSAYO DUREZA DE BRINELL
Se realiza la prueba de dureza de brinell a la biela que presenta la fractura en
los laboratorios de civiles de la Universidad Distrital para determinar las
variaciones de dureza y la influencia en las propiedades mecánicas del
material, este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) en este
caso es el aluminio. El indentador o penetrador usado es una bola de acero
templado de 1/16 in de diámetro, se tomaron cuatro intensidades separadas
cada 2mm una cerca de la falla y la otra lejana a la falla se realizó un promedio
de los valores obtenidos. Este ensayo consiste en realizar una deformación
plástica con una carga de 100 kg aplicada perpendicular a la probeta con el
indentador esférico, el valor de dureza dependerá de la profundidad de la estría
que se genere en la muestra.
ENSAYO DE MICRODUREZA VICKERS
Es importante para nuestro proyecto realizar el ensayo de dureza en Vicker ya
que se proporcionará información más detallada acerca de cómo influirá la
dureza en las propiedades mecánicas del material que presenta la fractura, se
toman cuatro intensidades separadas 2mm una cercana a la falla y otra alejada
de ella, luego se realiza un promedio de los valores obtenidos. Este ensayo
consiste en aplicar una ligera carga contra la superficie de la probeta con un
indentador o penetrador de diamante con un ángulo de base de 136°.
39
6 RESULTADOS Y ANÁLISIS
6.1 ESPECTROMETRÍA DE RAYOS X DE ENERGÍA DISPERSA
Para conocer el tipo de material a estudiar se realizó el análisis químico de la
biela que presenta la fractura para fin de determinar los elementos presentes.
Se utilizó magnificaciones de 25 a 2400 aumentos, el elemento que predomino
fue el aluminio con 97.003%, además de encontrar otros elementos presentes
expuestos en la siguiente tabla.
Tabla 2: Resultados del análisis químico
Tabla 3: Resultados Porcentuales de los elementos.
40
La asociación SAE AMS (1994) Aleaciones de Aluminio, Barras y Alambrones
laminados están agrupadas en series:
1xxx Cuenta con el 99 % Al (Pureza)
2xxx Principal aleante es el cobre (Al-Cu) conteniendo 1% Zinc
3xxx El manganeso es el principal aleante contiene 1.5% Mn
4xxx El principal aleante es el silicio cuenta con el 12% Si
5xxx El principal aleante es el magnesio cuenta con el 0.8% Mn
6xxx Contienen Mg y Si en proporciones adecuadas Mg2Si
7xxx Contiene Zinc en cantidades del 1 al 8 %
8xxx Son aleaciones con una amplia gama de composiciones químicas Al-Fe-
V-Si
El porcentaje de elementos encontrados en el microscopio electrónico de
barrido descarta la serie 1xxx, 2xxx, 3xxx, 5xxx, 4xxx, 7xxx, 8xxx
La biela que presenta fractura es de la serie 6xxx una fundición de aluminio
6082, aluminio - Magnesio – silicio. La aleación de aluminio 6082 es una
aleación de alta resistencia, la más alta de las aleaciones de la serie 6000, que
se utiliza más extensamente para el mecanizado.
COMPARACIÓN DE LA COMPOCISIÓN QUÍMICA ALUMINIO 6082 EN LA
NORMA A.A CON LA PRUEBA DE ESPECTROMETRÍA.
Debido a la variación de porcentajes de elementos encontrados en la biela
fracturada se compara con la norma AA (Aluminium and Associety) y se estudia
como afecto las propiedades del material dependiendo del elemento químico.
41
Tabla 4: Composición Química bajo la norma “Aluminium and Associety”
Tabla 5: Comparación de la composición química de la norma AA vs prueba
espectrometría
COMPOSICIÓN
Cabe destacar que los elementos del Hierro, Manganeso, Magnesio están en el
rango recomendado por la norma A.A, el manganeso incrementa la resistencia
mecánica, el magnesio mejora notablemente las aleaciones Al-Si-Mg, y el
hierro ayuda en la resistencia a fluencia a altas temperaturas
Otro aspecto importante es el porcentaje de silicio que fue superior al
recomendado para las aleaciones de Aluminio-Magnesio-Silicio con el 1.48%,
este valor debe estar en el rango de 0.7 %-1.3 %. La propiedad del silicio es
reducir la fragilidad en intervalos de temperatura de trabajo en caliente en la
solidificación y también el coeficiente de dilatación térmica.
El rango elevado de silicio con el 1.48% afectó en el aluminio las características
de la fundición del colado, la maquinabilidad, la resistencia al agrietamiento en
42
caliente, además, los excesos de silicio disminuyen la densidad y el coeficiente
de expansión térmica.
Los porcentajes de cobre, cromo y titanio están muy bajos por la norma A.A
con apenas el 0.012%, 0.002 % y 0.01 % respectivamente. Este elemento debe
estar en el rango recomendado debido a que mejoraran las propiedades del
trabajo en temperaturas elevadas.
La composición química del material presentó variaciones de valores
establecidas bajo la norma Aluminium and associety, muy probablemente
genero una ruptura de la biela tempranera.
6.2 INSPECCIÓN VISUAL DE LA FALLA
Para identificar la causa real de la falla, se comienza por un análisis
macroscópico de la biela que presenta la fractura, observando grandes
residuos de grasa a lo largo de su superficie donde se presenta la falla como se
muestra en la figura 15, además la geometría de la pieza presenta golpes y
defectos superficiales en este tipo de pieza, originados en los procesos de
mecanizado.
Figura 15: Biela fracturada vista frontal
Figura 16: Biela fracturada vista superior
43
Figura 18: Fractura lado
derecho
En las figuras 17 y 18 se aprecian las superficies de las grietas del lado
derecho e izquierdo, la apariencia es de fractura frágil, es decir, perpendicular a
la carga aplicada y sin deformación plástica macroscópica. Además, se pueden
ver cavidades macroscópicas y grietas en forma de cizalla, estos rasgos físicos
se generaron al momento de la fractura.
Figura 17: Fractura lado izquierdo
6.3 MUESTRAS TOMADAS POR EL ESTEREOSCÓPIO EN EL LABORATORIO DE METALOGRAFÍA
Se tomaron varias capturas ampliadas a 2000um de la biela que presenta la
fractura para determinar las posibles características que la llevaron a la falla.
Las capturas fueron tomadas en el centro, los lados y las esquinas de la biela.
44
Figura 19: Posicionamiento de las capturas estereoscópicas
Figura 20: Aumento 2000um estereoscopía centro izquierdo de la biela
En la figura 20 se puede observar un punto donde posiblemente se generó una
concentración de esfuerzos mayor dado que su posición está al borde del
agujero principal de la biela. Su tonalidad oscura se ve traducida en el
45
desprendimiento inmediato de partículas que posteriormente generaron una
fractura.
Debido a la gran cantidad de concentradores de esfuerzos que pueden estar
presentes en la biela ya sea por su geometría (cambios súbitos de la sección
transversal), posición o demás características, se puede establecer este punto
como el inicio de la ruptura intergranular que provocó la propagación de la
grieta.
Figura 21: Aumento 2000um estereoscopía lado izquierdo
Las líneas prolongadas que se visualizan en la figura explican la definición de
concentración de esfuerzo, es decir, que cuando se tiene un cambio súbito en
la sección transversal el esfuerzo cortante varía incrementando
considerablemente.
En la siguiente figura se explica un claro ejemplo de la concentración de
esfuerzos. Cuando se mide al borde del agujero es mucho mayor que cuando
se mide a una distancia apreciable del mismo, similarmente ocurre con los
cambios en la sección transversal y su geometría.
46
Figura 22: Esquema concentración de esfuerzos
Figura 23: Aumento 2000um estereoscopía lado derecho
Contrariamente a lo ocurrido en el lado izquierdo de la biela, en el lado derecho
la concentración de esfuerzos fue mucho menor, es por eso que no se
visualizan líneas prolongadas. Se puede comprender que la fuerza generadora
estaba en el lado derecho de la pieza.
47
Figura 24: Aumento 2000um estereoscopía centro de la biela
En esta imagen se muestra el centro de la pieza donde se evidencia una
ruptura plana o de tipo cizallamiento de igual manera que se visualizó en la
figura 21 donde las líneas prolongadas fueron la característica principal para
dar a entender que en ese punto hubo un esfuerzo considerable.
A continuación, se muestran las fotografías tomadas en las dos esquinas
internas de la pieza donde se aprecia la superficie de falla. La apariencia es de
fractura frágil, es decir, perpendicular a la carga aplicada y sin deformación
plástica macroscópica.
48
Figura 25: Aumento 2000um estereoscopía esquina izquierda, generación de cavidades
Figura 26: Aumento 2000um estereoscopía esquina derecha, generación de grietas y
cavidades
6.4 ANÁLISIS METALOGRÁFICO
A partir de la biela fracturada se obtuvieron dos muestras: una muy cercana a
la falla (ZONA A) y la otra alejada (ZONA B). Una vez realizada la preparación
metalográfica y el ataque químico muestran las superficies.
49
Figura 27: Zonas de estudio metalográfico
ANÁLISIS DE LA ZONA A
Figura 28: (Zona A) Microestructura obtenida del aluminio 6082 (biela fracturada) (a) 200X
(b) 500X
Visualmente podemos observar el sistema binario Al-Si-Mg y las
microestructuras desarrolladas en condiciones de solidificación en equilibrio, la
fase α es la solución rica en aluminio de naturaleza dendrítica, mientras que la
fase β corresponde al micro constituyente hipereutéctico del elemento aleante
50
del Si-Mg, dado el alto porcentaje del 1.48%, el silicio aparece como agujas
muy finas o muy ligeramente laminadas, hay una matriz de cristales de silicio y
aluminio, se observan los constituyentes fase α un color claro con tendencias a
tener en general formas poliédricas y aciculares mientras que la fase β tienen
una tonalidad oscura con cierta tonalidad y forma irregular con cristales de
menor tamaño que el resto del constituyente.
Figura 29: Diagrama de equilibrio Al-Mg-Si 6082 (Biela fracturada)
En el diagrama de equilibrio Aluminio-Magnesio-Silicio se observa el porcentaje
de silicio encontrado en la biela fracturada 1.488% en la zona A. Además, se
observa el sistema binario debajo del punto eutéctico la cual es la máxima
temperatura a la que puede producirse la mayor cristalización del solvente y
soluto.
51
ANÁLISIS DE LA ZONA B
Figura 30: (Zona B) Microestructura obtenidas del aluminio 6082 (Biela fracturada) (a)
200X (b) 500X
En la zona B se observa una estructura laminar y de barras que se forman
cuando ambas fases son del tipo “non-faceted”, su velocidad de crecimiento es
controlada por la difusión del soluto en el líquido, esto ocurrió por la velocidad
de crecimiento al formarse las dos fases sólidas, fase α y fase β, las fases son
variables unos campos a otros, observando fase dendrítica de aluminio en la
que su presencia es muy escaza mientras que en la fase aleante aparece
esporádicamente en forma globular y con constituyentes de tamaño pequeño.
Figura 31: (ZONA B) Estructura laminar de la aleación aluminio-Magnesio-silicio
_________________
ALUMINIO Y SUS ALEACIONES, Frank King. Limusa, Grupo Noriega Editores, 1992 p. 150. Sexta edición.
52
Figura 33: Probeta alejada de la falla
6.5 DUREZA BRINELL
Se tomaron los datos de dureza de brinell directamente de la pieza fracturada.
Cuatro mediciones cerca al lugar de la falla y otras cuatro mediciones alejadas
de la falla cada 3 mm con el fin de observar el comportamiento de dureza que
se presenta a lo largo de la pieza, estos valores se tomaron de la maquina
Hardness Tester de la Universidad Distrital sede Tecnológica y se registraron
en la tabla 6. En la prueba de durómetro todas las mediciones fueron en
rockwell B con las siguientes especificaciones:
- Carga del ensayo: 100Kg
- Tipo indentador: Esférico 1/16 in
- Tiempo de carga: 10 seg
- Indentación: Cada 3 mm
Las siguientes son las probetas usadas, una carca a la falla y otra alejada de
ella
Figura 32: Probeta cerca de la ruptura
53
Tabla 6: Porcentaje promedio dureza Brinell
Tabla 7: Catálogo Thyssenkrupp Materials Iberica S.A.
En el análisis de brinell se tomaron mediciones cerca y lejos de la falla que
presenta la pieza, cerca de la fractura el promedio de dureza fue de 52.25 HB y
lejos fue de 58.75 HB. Comparando los dos promedios se puede observar que
la variación de durezas afectó considerablemente la biela de aluminio debido a
que no pudo resistir las cargas dinámicas a la que estaba sometida en el telar
de cintas automático y esto logró que se agrietara con mayor facilidad para
producir una fractura temprana a la que fue diseñada.
Además, se consulta el catálogo para aluminios con silicio de la empresa
Thyssenkrupp certificada internacionalmente y se puede decir que el material
fracturado escasamente llega a la mínima dureza admisible que es de 58HB.
Sin embargo, el catálogo recomienda que las durezas no estén en sobre el
54
rango mínimo ni en rango máximo dado al alto grado de fragilidad que presenta
el material dadas las altas cargas a las que está sometido.
6.6 MICRODUREZA VICKER
Para obtener la dureza del material se emplea la siguiente fórmula:
Donde F es la carga, en este caso son 245.2 mN, L1 y L2 son las dimensiones
del rombo generado al momento de la penetración con la pirámide de diamante
durante 30 segundos. Estos valores son proporcionados directamente por el
durómetro donde se genera el valor HV de dureza vickers para cada punto
separado entre sí 2mm.
Figura 34: Probeta alejada de la falla
Figura 35: Probeta cercana a la falla
55
Figura 36: Penetración de la probeta
Se registraron los datos de microdureza vickers con base en la norma ASTM
E384 para dos muestras sacadas de la biela. La primera cercana a la fractura y
la segunda alejada de ella. A continuación, se muestran los valores obtenidos
en el microdurómetro para cada una de las muestras:
Figura 37: Rombo marcado por la penetración del diamante cercana a la falla
56
Tabla 8: Valores durezas cercanas a la fractura
Figura 38: Rombo marcado para probeta alejada de la falla
57
Tabla 9: Valores durezas lejanas a la falla
Analizando las tablas 9 y 10, se observa que para la muestra que está cerca de
la fractura la dureza vickers se encuentra entre 102 - 211 y para la muestra que
está lejana a la fractura la dureza vickers se encuentra entre 150 – 341. Cabe
aclarar también que las tomas de microdurezas se realizaron en la fase oscura
del material. Teniendo en cuenta estos valores se puede determinar que la
dureza cercana a la fractura es menor debido a los esfuerzos generados al
momento del rompimiento del material.
58
7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
A partir de la pieza fracturada que fue suministrada de un telar de cintas
automático de la empresa CIPLAS S.A., y luego de haber realizado los
diferentes mecanismos de desgaste, se concluye que:
Mediante el ensayo de espectrometría de rayos x de energía dispersa se
pudo encontrar, primero el tipo de aluminio (aluminio 6082 de la serie
6xxx) con el que fue fabricada la biela, para luego, determinar los
porcentajes químicos que ésta presentaba. Después de ser comparados
con los valores estándar relacionados para ese tipo de material, se
encontró que el porcentaje de silicio es ligeramente mayor al intervalo
recomendado en las normas A.A. y BSI las cuales establecen que los
valores oscilan entre 0.7 y 1.3%. Los excesos se silicio disminuyen la
densidad y el coeficiente de expansión térmica. Además, el bajo
porcentaje de hierro, cobre, cromo, níquel y titanio reducen
considerablemente las propiedades de trabajo en temperaturas elevadas
dando como resultado una tempranera fractura de la pieza.
Partiendo del análisis metalográfico se determinó que la variación entre
aluminio, silicio y magnesio es muy irregular, es decir, el alto porcentaje
de silicio presente en la aleación nos indica una inestabilidad en relación
a las microestructuras desarrolladas. Esto hace que las propiedades del
material sean afectadas microestructuralmente generando inestabilidad
en las fases: α (aluminio) y β (magnesio – silicio) que a su vez provocan
una mala distribución en la fundición, lo que debilita el material
incrementando porcentualmente las probabilidades de desgaste.
Tanto en la prueba de dureza Brinell como Vicker se encontró una
variación relevante entre los datos obtenidos cerca de la falla y lejos de
ella. Estas irregularidades en la dureza determinan la posible obtención
de la tensión máxima en su zona plástica, generando así una vida útil
muy corta.
59
Para los ensayos de estereoscopía e inspección visual de la falla se
observa que la pieza presenta una fractura frágil dado que no se
evidencia deformación plástica macroscópicamente, es decir, su inicio
de fractura es a nivel intergranular generando la propagación de la
grieta.
Finalmente, con base en el análisis realizado se recomienda:
Recomendar el cambio de material para la fabricación de la pieza por
uno con mayores propiedades de dureza, menores propiedades de
fragilidad y que pueda trabajar a grandes velocidades evitando la fatiga,
dado que en seis meses se han presentado 3 fracturas.
Realizar un mantenimiento preventivo al telar de cintas automático
trimestralmente ya que se viene elaborando semestralmente. Esto con el
fin de evitar un paro improvisto en medio de su funcionamiento lo que
equivaldría a dos semanas sin operar.
El mecanizado de la pieza debe ser más fino, ya que se evidenciaron
golpes y ralladuras, los cuales representan considerables
concentradores de esfuerzo que pueden generar un desgaste mayor al
estimado.
Realizar controles de calidad a los materiales adquiridos por la empresa
para evitar mantenimientos correctivos y generar mayor producción a un
menor costo.
60
8 BIBLIOGRAFÍA
Callister, William, Volumen 2 Introducción a la Ciencia e Ingeniería
Mecánica Capítulo 7 P194-378
Introducción a la mecánica de la fractura y análisis de falla Héctor
Enrique Jaramillo - Nelly Alba - Juan Pablo Cañizares, Capítulo 7-8
p142-112
Tesis Análisis de falla de cojinetes de biela de camiones de 2300hp para
minería) Autor: Emilio Carlos Zapata Velarde p 20
SHACKELFORD, James F. Introducción a la Ciencia de Materiales para
Ingenieros. Tratamiento térmico, Diagramas TTT. Alfredo Güemes, Nuria
Martin. Califonia. United States. 2011. p. 349. Sexta edición.
Compañía Serviaceros Especiales. Ficha técnica SAE 1045. p. 3
15ERNESTO GERMAN PORRAS, SARA RODRIGUEZ Y JHON JAIRO
CORONADO A. Análisis de la fractura de una biela de compresor de
refrigeración. Ingeniería e investigación Universidad Nacional de
Colombia
http://blog.utp.edu.co/metalografia/11-analisis-de-falla-de-materiales/
http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/catedras/archivos/Mecanica%20de%20F
ractura%202010rev01.pdf p.1
http://web.imiq.org/attachments/345_15-26.pdf
https://www.inti.gob.ar/cordoba/boletin/boletin06/pdf/1-3.pdf
http://www.tuv-nord.com/es/inspeccion-industrial-end/ensayos-no-
destructivos-499.htm
http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/2268/1/MONOGRAFIA
%20PROYECTO%20TERMOGRAFIA%20Y%20CORROSION.pdf
61
http://materias.fi.uba.ar/7201/ENSAYOS%20DESTRUCTIVOS.pdf
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/villela_e_ij/capitulo
6.pdf
