Fundamentos Del Analisis de Falla

Pn¡recro

1. Principios, causas y metodología en

FuErrrs FLTNDAMENTALES DE FALLA

1. Diseño2. Selección inadecuada del material3. Tratamiento térmico defectuoso4. Manufactura defectuosa5. Mecanizado deficiente6. Montaje deficiente7. Mantenimiento deficiente8. Fallas de corrosión

Proc¡so oe r¡rv¡.srlcecróNE-.r¡.¡,s DEL pRocESo DE ANÁLrsrs DE LAS FALLAS

l. Evidencia documental2. Condiciones reales de servicio3. Entrevistas.1. Examen preliminar del componente o equipo que falló5. Selección de muestras para ensayos6. Ensayos No Destructivos7. Selección y preservación de las superficies de fractura8. Examen macroscópico9. Examen microscópico de la estructura10. Determinación del tipo de fractura11. Análisis de composición del material12. Ensayos simulados de servicio13. Formulación de conclusiones e informel-1. Recomendaciones

tJ=:::r os DE Los ANÁLISrs DE FALLA

Contenido

XIx

el análisis de falla22

2

J

3

3

3

3

4

445

5

5

5

6

6

6

6

7

7,7

7

8

8

8

2. Propiedades mecánicas

10

10

11

r\--..i,,, o¡ TexsIóx - Dt¿.cnelta ESFUERZO - DpponuectóN\fáquina de tensiónProbetas

viii Fundamentos del análi,sis de falla

CargaDeformímetros

Esrupnzo y DEFoRMACIóN DE INGENIERÍA

UNr¡aopsPnopreoenBs oBTENIDAS DEL ENSAYo DE TENSIÓN

EsT.UERZO DE FLUENCIA O RESISTENCIA A LA FLUENCIA

RssrsrsNcr¡ A LA TENSIóN

PRopmonn¡s p,LÁsrtc,qs

RuecróN oE PoIssoN

DuctilidadErecro DE LA TEMPERATURA

ENsnvo os pLExóN pARA MATERIAI-Es rRÁctles

RsslsrENcn n I-¡. rusxIóN o MóDULo DE RUPTURA

Mónuro oe plExtóN

Elemplo ilustrativoEspunRzo vERDADERo vs. DEFoRMACIóN vr,noa¡ERa

DuRe,za

Ensayo de dureza Brinell (BIIN)Dtreza Vickers (VIIN)Dureza Rockwell

ENsevo DE IMPACTo

Propiedades obtenidas a partir del ensayo de impacto

Uso de las propiedades de impacto

MscÁNrce DE LA FRACTURA

Tenacidad a la fracturaImportancia de la mecánica de la fracturaSelección de un materialDiseño de un componenteDiseño de un método de manufactura o de ensayo

Ejemplo ilustrativoENs,qvo DE FATTGA

Resultados de1 ensayo de fatigaEjemplo ilustrativo

ENs,qvo DE ckEEP o FLUENCIA LENTA

Ejemplo ilustrativoRnpnnnrucr,qs

3. Introducción a

1l11

t4t616

t618

19

2l2223

2425

2626

272828

2929

32JJ

35

3636

40404041

4l41

4446

474951

los ensayos no destructivosa los métodos de inspección

DeprNrcroNps TMPoRTANTES

Usos o¡ r.os NDTDetección y evaluación de fugasMetrologíaCaractertzación de la estructura o de la microestructura

53

5454

54

55

-l

Determinación de la respuesta esfu erzo-deformacióny de la respuesta dinámicaIdentificación rápida de metales y aleaciones

bmp.cn

BcsconosSelección

hov nrsoluclóNIluminaciónMagnificación y campo de visiónDistancia de trabajoDirección de la visiónAmbienteAplicaciones

Smss órrcosSistemas de magnificaciónComparadores ópticos

tmnnrcn

Contenido ix

55

55

56

57

4. Inspección visual

5. Inspección con líquidos penetrantes

6062

626262

63

63

63

64

6465

65

66

68

69

70707272IJ73

747474

75'75

767777

78

78

7980

8l83

hctc r'Íslcos

DsarcIoN DEL PRocESo

Ss¡anrs oe psr.¡¡rRAclóN

Sistemas de lavado con agua del penetrante

Sistema posemulsionableSistema de remoción por solventes

I¡n¡r¡¡s pARA DETECCTóN pon rÍeuroos pENETRANTES

Penetrantes de lavado en agua

Penehantes posemulsificantes lipofilicos e hidrofilicosPenetrantes removibles por solventeC.r¿cterísticas fisicas y químicas

h-*rc¡rronpsLr¡rmes DE soLVENTE

Ernou¡oonrsDesarrolladores secos

Desarrolladores húmedosIlsarrolladores solubles en aguaDesarrolladores no acuosos suspendibles en solventeSelección del desarrolladorRequerimientos de equipoPrrelimpieza

tn'uOx DEL SISTEMA .L,NEI'RAN,E

x Fundamentos del análisis de falla

Sensibilidad Y costo

TÉcNtcas coN EQUIPos PoRTÁTILES

Kits o conjuntos PortátilesEsPecificaciones Y norrnas

Especificaciones

Stsrpues DE coNTRoL

RrpnnBNctR

83

85

85

85

86

86

8',7

6. Inspección con partícula§ magnéticas

ApltcactottEsVsNr,c¡es

LnttrnctoussDesczupclÓN DE Los cAMPos MAGNÉTICos

Anillo magnetizado

Bar::amagtetrzada

MacNBuz¡.clÓN cIRCULAR

MacNsrzactÓN I-oNcttu»n'taI-

ErBcro DE LA DIRECCIÓN oB nluro

MÉro»os DE MAGNETIZACIÓN

CoRRtetlrg DE MAGNETIzAcIoN

Corriente directa

Corriente alterna

FueNrBs DE PoTENCIA

EquiPo PortátilUnidades móviles

EquiPo estacionario

Mrrooos PARA GENTRAR cAMPos v'qcNÉrtcos

HorquillasBobinasConductores centrales

Método de contacto directo

Contactos de PuntaCorrientes inducidas

PanrÍcuras MAGNÉTICAS v líqumos PARA SUSPENDERLAS

ProPiedades magnéticas

Efecto del tamaño de la Partícula

Efecto de la forma de la Partícula

Visibilidad Y contraste

Partículas secas

Partículas húmedas

Líquidos aceitosos para suspensión

Líquido de susPensión en agua

Potencia del baño

Luz ulrR,qvlolrra

89

9090

9l91

93

93

9494

969697

91

9898

98

98

99100

101

102103

104

106

109110

110

110

111

111

111

112t12l12r13

... :

Contenido xi

Di scontinuidades detectablesDiscontinuidades en la superficieDiscontinuidades subsuperfi ciales

¡..¡'. ... :.-X¡5 \O RELEVANTES

Ds,.l..cxET1z.LctóN DESpuÉs DE LA TNSpECCTóN

R -..,.:\aLr

tt4tt4115

115

116

117

I t--

*--.

7. Inspección por corrientes de Eddy}IS DE CORRIENTES OP EOOY VS. UÉTOOOS DE INSPECCIÓN MAGNÉTICA

,.-:-r,,S DE OPERACIóN

Funciones de un sistema básicoElementos de un sistema de inspección típico

i ¡,i-I.3.:S DE OPERACIÓN

impedancia de la bobinaConductividad eléctricaPermeabilidad magnéticaFactor lft-off(de acercamiento entre bobina y pieza)Factor de llenadoEtecto de bordeEfecto de pielFrecuencias de inspecciónBobinas de inspecciónBobinas de probeta y circundantesBobinas múltiplesTamaños y formas

1...-.: rrEsros pARA coRzuENTES DE EDDyInstrumentos de lectura

D>. T;xuIo.{DES DETECTABLES PoR INSPECCIÓN DE C'RRIENTES DE EDDY\f uestras de referencia

R=:.: - rCt.r

8. InspecciónD-c-:onrs uLrnasóNlcos DE DEFECToslr-.... sDL CTORES

-{ -':\TES DE ACOPLAMIENTO

\f-, ,:ts a.Áslcos DE TNSpECCTóN

\f.. ,,:-, PLI-SO-ECO

Principios de operaciónPresentación de datos

l=--..c¡. DE HAZ EN ÁNGULo\Í:. -,]-)S »r ¡ne¡SulsIóNC.-;-r-!--RislcAs GENERALES DE LAS ONDAS uLTRASóNICAS

Ondas longitudinales

120t2tt2t123

t24124126126

128129129130

132133

133

134136

136139139140

141

ultrasónica

144145t49150

1s0151

151

154158

158

159

xii Fundamenfos del análisis de falla

Ondas transversales (ondas de corte)Ondas de superficie (ondas Rayleigh)Ondas de Lamb (ondas de placa)

Facronss euE INFLUENCTAN LA TNSrECcIóN urrnasóNrc¿

, Impedancia acústicaANcur-o DE INCTDENCIA

Ángulos críticosAbsorciónDispersión

VENTAJIs, DESVENTAJAs Y APLICACIoNES

VentajasDesventajasAplicaciones

RBrsnsNcrR

160

l6l161

162163

165

166167

167

167167

168

168

169

9. Radiografía172

t'72173175176177

r78179180

180185

186

186188

188

189

190

t94

industria195

196196199201203206208

PRrNcrpros nr opBnecróN

Usos op re neorocna¡ÍeApLlcacIoNes

LrNlnacroNssPnmcrptos os le n¡nrocne¡ÍeFecroRBs c¡otrÉrRrcosFusNrps »B naonclóNPnoouccróN or nayos XPnoouccróN DE RAyos GAMMA

Tusos os Rayos XEqurvLt-ENcra ReorocnÁr'lcaPnrNcpros »r ronuectóN DE soMBRA

CoNvpnsróN DE LA TMAGEN

Película de rayos XCaracterísticas de las películas de rayos XTipos de películaSelección de la película

RprsRENcrA

_ 10. Corrosién, prevención y control de la corrosión en laDprn¡rcróN ns re coRRoslóN

Ar¿erpNrss coRRoslvosFuNoalrnvros rrrcrnoquÍMrcos DE le coRnouóNConnosróN uNTFoRME

ConnosróN cervÁNrceConnosróN coN sRosróN

ConRostóN poR REseurcros

ConnosróN poR ptcADURAS

Lr¡orr,rcróN y sepenecróN SELECTTvA

C :*-R.ostoN TNTERGRANULAR

-\:r-rr.r-vrEuro poR coRRostóN coN ESFUEMoSEr:rt'os og coRnoslóN

Ers.r'r'o oe pÉRnroes DE pESo

T=:TiC.T.S DE RESISTENCL{ ETÉCTP¡CA

P-,-ralzlcróN LINEAL

\í..:;clorts DE vELocIDADES DE coRRosIóN pon porep¡zncIóN LINEAL

\¡entajasLimitaciones y precauciones

Pi:.:=r-.cról¡ DE LA coRRosIóN

Selección de materiales

-tlteración del medioDiseñoProtección catódica y anódicaPelículas (pinturas) y revestimiento de protección

C:¿acsror poR FUENTES DE AGUAS NATURALES

Prevención de la corrosiónPelículas protectoras de carbonato de calcio

RI--lE:ictAS

11. Películas de

= =c-:RoDEposICIóN

.l.::*qzrc¡óN coN LLAMA. MrreuzeclóN1v-¡-r-p¡

-TTAq-<;OS EN CALIENTE

):r..icros DE vApoR

)=-:osl:r-.=slór quÍmce\--:.,:» DESARRoLLoS. INcsl.uBRÍe DE supERFICIE

h--¡c.:-rs poR AroMtzACróN rÉnurc¡. (TnanwL Spruy Cottt¡,¡cs, TSC)-t¡eas de aplicación\lateriales de capa

Etapas básicas del proceso de atomizaciónProcesos de atomización térmicaSelección del método de atomización o rociado térmicoParámetros del proceso de atomizaciónPreparación de la superficie\élocidad de deposiciónLimitaciones del espesor de la película\lateriales de unión de la película\létodo de terminado de la película atomizadaPinruras de protección

J.==-¡¡crrs

Contenido xiii

2102tt2122142ts2172t7219219219220220221222224226

227))1228229

protección

23123223223323323323323423523523523623624024024024024124r241242

246

xiv Fundamentos del análisis de falla

SurrccróN, IRESERVACIóN y LIMeIEZA DE LAS supL,Rl.rctEs DE FRACTURA

LimpiezaCorte

MOoos DE FRACTURA PoR CARGA SIMPLE

ExaN¿eN MACRoSCÓPICo DE LAS SUPERI'ICIES DE FRACTURA

Ex¿ITpN MICRoSCÓPICo DE LAS SUPERTICIES DE FRACTURA

Microscopia ópticaMicroscopio Electrónico de TransmisiónMicroscopio Electrónico de Barrido

DsrsRlrrNaclóN o¡r- Trpo DE FRACTURA

Fractura dúctilFnacruRa pnÁcrr

Fractura intergranularAgrietamiento cle corrosión con esfuerzos

Fnacruna rnÁGrl TRANSANGULAR

Fractografia de las fracturas frágiles intergranularesFnacruna pnÁGrl INTERGRAN uLAR

FnacruR¿. poR FATTGA

Características generales de las fracturas de fatigaAcRr¡ravrpNTo DE coRRosróN coN ESFUERZos

Canacr¡nÍsrrcAs GENERALps t¡r SCCFRecrlzecróN poR HrDRóGENo

Fractografía de la fr agllización por hidró genoFalles poR cR¿¿p y RUpruRA poR ESFUERZo

Farlls coMpLEJAS

SslpccróN y pRnpaRacróN DE sECCToNES pARA METALoGRAFÍA

ExeupN y eNÁlrsrs DE LAS MUESTRAS DE METALoGRAFÍA

R¡ppnpNcias

DsprNrcróN

Fecron¡s FLTNDAMENTALES soBRE Los ESFUERZoS RESTDUALES

Esfu erzos residuales térmicosEsfu erzos residuales metalúrgicosEsfu erzos residuales mecánicos

Erscros quÍmcos soBRE Los ESFUEMos RESTDUALES

Defectos causados por el proceso de manufacturaDefectos en la fundición

D¡peclos PRoDUCIDoS DURANTE EL TRABAJo MECÁNICo DE METALES

Trabajo en caliente

Quemaduras o temperatura de trabajo excesiva

12. Fractografía y metalografía2472482482492s02532s3253

254

257258263273276

277278

278219280

284284287288288290291294295

[3. Esfuerzos residuales y defectos causados por el procesode manufactura

297298299304305

308308

309

313314315

Temperaturas bajas de trabajoDefectos preexistentes en el lingoteEsfuerzos residualesProcedimientos de trabajo defectuosoTrabajo en frío

Drrecros EN EL pRocESo DE soLDADURA

Falta de fusión y penetración

SocavaciónAgrietamiento por hidrógeno

DrrEcros DE TRATAMTENTo rÉRMICo

DErectos DE MECANIZADo

R¡r¡r¡Ncras

Tpos os DESGASTE

Descesrp ADHESTvo

Medidas preventivasDrsc.c.srg ABRASTvo

Fr:tce DE supERFrcrE o FATTcA poR coNTACTo

Picaduras de origen superficialPicaduras de origen subsuperficialFatiga por debajo de las capas endurecidas

D-<cASrE poR pnosróN (rnosrvo)D:-rc.rs¡e coRRoslvo o qufuarco

Dg-:c.r.srs poR FRrccróN REpETTTIVA (rnorctN c)Prevención

C,x.RosróN coN ERosróN

Lrc.lsrs poR cHoeuE DE GorEo r-ÍqunoVariables signifrcativas en el choque por goteo líquido

\l»os o¡ LusRrcecróN

l-:rc.rrr¡sFallas de los lubricantes que conducen a desgaste

-tr-r:rsrs DE FALLAS poR DESGASTE

lnformación sobre antecedentesExamen

R.-.- - ?.E\CrAS

14. Fallas

Contenido xv

31s315316316317

317319319319319320321

por desgaste

324324326

327329330331

331

332332JJJ335

336337337

338339340340341341342

Casos históricos de análisis de fallaC ¡-i¡:6 DE eNÁI-IsIs DE FALLA 343

Ejemplo 1: Falla por corrosión con esfuerzo de una abrazadera tipo correa,hecha de aleación 19-9 DL para resistencia al calor 343

Ejemplo 2: Fractura por fatiga de un eje para émbolo que se inició en unñlete agudo 346

xvi Fundamentos del análisi,s de falla

Ejemplo 3: Falla frágil del collar de f,¡ación fabricado en placa

de laminación en acero grado 4140

Ejemplo 4:Fracttra de los vástagos de una válvula de disco debidoa selección incorrecta del material

Ejemplo 5: Guardas para ejes rechazadas por inclusiones de escoria

Ejemplo ó: Cigüeñal de un motor diésel que se fracturó por fatiga debidoa inclusiones subsuperfi ciales

Ejemplo 7: Fractura de un dado forjado causado por segregación

Ejemplo 8: Fractura del brazo de una horquilla de elevación debidoa defi ciencias microestructurales

Ejemplo 9: Fractura frágil de los casquillos de un conjunto de rodillosdebido a microestructura inadecuada

Ejemplo 10: Indicaciones de superf,rcie en barras de acero 4130 laminadoen caliente 360

Ejemplo ll:Falla de una tubería sin costura a causa de grietas de temple 362

Ejemplo l2:Fallas en engranajes y piñones a causa de carburacióninapropiada 363

Ejemplo I 3: Fractura por tensión originada en porosidad por contracciónde un conector fundido en arena en acero de baja aleación 365

Ejemplo 14: Cabezote de un secador de papel de fundición de hierro grisque se retiró de servicio 367

Ejemplo 15: Falla por fatiga de la carcasa para un eje moldeada en arenay fundida en acero, originada en una grieta de punto caliente 371

Ejemplo 16: Agrietamiento por fatiga del conjunto del codo de aceroinoxidable en unajunta soldada en una región de esfuerzo alto

Ejemplo 17: Fractura por fatiga del conjunto de la caja de la cámara de

combustión interior de una turbina de gas debido a falta de fusión dela soldadura y a socavaciónEjemplo 18: Falla por fatiga de un cabezal de entrada debido atécnicade soldadura pobre y a diseño desfavorable de lajuntaEjemplo 19: Falla por distorsión de un resorte para válvula automotriz

Ejemplo 20: Agarrotamiento de una válvula hidráulica tipo carrete

Ejemplo 2 l: Dairo por rayadura causado por ruptura de la capa de cromoen un cilindro

Ejemplo 22: Falla de un impulsor de bronce de una bomba por daño porcavitación

Ejemplo 23: Falla por fatiga de un cable de alambres de acero debidoa carga de choque

Ejemplo 24: Falla de los piñones motores de acero carburado de un impulsordebido a picaduras y desgaste 387

348

350

352

3s4

355

356

3s8

)tJ

374

376

318

380

382

384

386

Contenido xvii

Ejemplo 25: Ruptura de los tubos de acero 1,25 Cr - 0,5 Mo del recalentadorde una caldera por reaalentamiento localizado

Ejemplo 26: Falla de los filetes de la tuerca y de la contratuerca de los ejesde soporte de una prensa de separación de grasa de los sólidos

389

392

Ejemplo 27:Fallas de las placas de acero inoxidable de un intercambiadorde calor parapasferización de un producto alimenticio, por corrosiónpor resquicios 3g7

Ejemplo 28: Falla por ruptura de tubería de calderas por deficienciasen el tratamiento del agua de alimentación y por recalentamientopor direccionamiento incorrecto de la llama de combustión 403

Ejemplo 29:Falla por soldadura del eje de la caja reductorade una extrusora 408

Ejemplo 30: Falla de la tubería de alimentación de los productospara el tratamiento del agua de alimentación de una caldera 414

RgeneNCrAs

BTSUOGRAFÍA PARA LECTURA SI]PLEMENTARIA

ñorct DE FTGURAS

ño¡ce ¡s TABLAs

irorcE DE ForocRAFÍAS

ñorceaNerÍuco

417

418

437

444

445

449

Principios, causas y metodologíaen el análisis de falla

La palabrafalla es tn término general que se ttiliza para designar que una

pieza, un componente, un equipo o una máquina ha fallado en servicio. Se

considera que esto ocuffe cuando se cumple una de las tres condiciones si-guientes:

l. Cuando se vuelve completamente inoperable. Por ejemplo, cuando a un

automotor se le rompen los ejes delanteros, el vehículo se r,rrelve com-

pletamente inoperable y hay que conseguir una grt:a para llevarlo al

taller para cambiar los ejes rotos.

Cuando aún es operable pero no es capaz de cumplir su función satis-

factoriamente. Por ejemplo, cuando por efecto de la corrosión de los

gases calientes y de la erosión los pistones y los anillos del motor de unautomóvil pierden sus tolerancias, el automóvil pierde potencia y con-

sume el aceite de lubricación del motor. En este caso, el vehículo toda-

vía es operable pero no es capaz de cumplir su función satisfactoria-

mente, se considera que ha fallado y es recomendable repararlo.

Cuando el deterioro del componente o equipo ha sido tan serio que 1o

hace poco confiable o inseguro para continuar su utilización o funcio-namiento y se requiere sacarlo de servicio para repararlo o para

remplazarlo. Por ejemplo, cuando la tubería de una caldera se ha corroí-do o se ha incrustado por deficiencias en el tratamiento del agua de

alimentación, la operación de la caldera se r,uelve insegura porque se

puede presentar falla o una explosión del equipo. Igualmente, en los

automotores se presenta cuando las pastillas de los frenos se han des-

gastado severamente, por 1o que el vehículo se puede quedar sin frenos

y puede ocurrir un accidente.

2.

J.

2 Fundamentos del análisis de falla

FUNNTnS FUNDAMENTALES DE FALLA

Las fuentes fundamentales de falla en los componentes, en los equipos o en las

máquinas, se han estudiado y se han identificado a través de los años, y son

principalmente las siguientes:

1. DrsBño

Los diseños deflcientes pueden producir fallas, algunas veces catastróficas.

Por ejemplo, uno de los primeros aviones de reacción para uso militar, de

fabricación inglesa, presentó fallas catastróficas en luelo, hasta que el gobier-

no inglés ordenó suspender los luelos y efectuar una investigación sobre la

caída de estas aeronaves. En la investigación se encontraron grietas en las

esquinas de las ventanas, las cuales se habían diseñado en ángulo recto. En

estos ángulos a escuadra se concentraron los esfuerzos producidos por las vi-braciones y se generaron las grietas que produjeron la despresurización delavión y la falla. Por tal razón,las ventanas actuales de las aeronaves se dise-

ñan con un radio de curvatura muy generoso (ovaladas), para evitar la concen-

tración de esfuerzos.

2. SprpccróN nraoBcueDA DEL MATERTAL

La selección inadecuada del material puede conducir ala falla del componen-te. El autor recuerda el caso de un tráiler construido en el país, cuya capacidad

era de 30 toneladas.

Cuando este equipo inició su primer servicio, con 18 toneladas de grano, se

presentó la rotura de los ejes de dos de las ruedas traseras, por un montículoexistente en la puerta de la fabricapara asegurar las dos hojas de las puertas.

El análisis del material reveló que el acero empleado para la construcción de

estas piezas tenía un contenido de 0,1006 de carbono y una resistencia muybajapara las cargas previstas.

I

Principios, causas y metodología en el análisis de falla 3

l:-... sfIENTo rÉRMICo DEFECTUoso

:-:.1. recuerda la falla de los piñones de unos tractores, cuyos dientes se

-:-:: al iniciar el arranque los tractores nuevos. El análisis de falla reveló

:, =.encia de austenita, retenida por efecto del tratamiento térmico deficien-

:-::r¡e la manufactura de los piñones.

- '.1.'. - FACTURA DEFECTUOSA

- . -: - : ¡nalizó la falla de la fundición para un molino de yeso que presentó': : --,:ro horas después de iniciar la operación de trituración. La observa-

- - - = -" tractura de esta pieza mostró la presencia de porosidad y de rechupe

- =- r-,::r\os. los cuales condujeron alaftacfixay ala falla del equipo.

: ].1.. :-\iZANO DEFICIENTE

-,: --i-3:r-rs de los ejes deben mecanizarse con radios apropiados para evitar

' - :...i.'rn de grietas en el fondo del cuñero, su propagación y ruptura del

- -:, ::te debida a falla prematura por fatiga.

...:-E DEFICIENTE

: :e,-uerda el caso de un motor que se montó desalineado con el reduc-

::e produjo esfuerzos flectores anormales en el eje del motor y lo rom-

':á1isis del material del eje se encontró correcto, pero la inspección del

: :.rosró la deficiencia que produjo la falla.

- \.1..".:rI\flENTO DEFICIENTE

:,- ;.=::.rit-r. el desgaste prematuro del eje central del tambor de una etique-

rs:-r: --::tribuido por los mecánicos encargados del mantenimiento de los

:-- :,.: : Jue se había construido en el país. El análisis del material indicó

:i : :-,ienal de construcción del eje era el apropiadopara el servicio. La

:--;r-::.-: del equipo evidenció que las graseras de lubricación estaban com-

: --'---::.i3 iapon?das y que el desgaste prematuro del eje se debía a falta de

---:---:..

4 Fundamentos del análisis defalla

8. Farlns DE coRRosróN

Es una causa muy común de fallas en componentes y equipos. Las pérdidas porcorrosión en Estados Unidos se estiman en la impresionante cifra de US$300billones al año, lo cual equivale al 3oA del Producto Interno Bruto (pIB). Eneste mismo estudio se cuantificó que se habría evitado la pérdida de unosUS$100 billones si se hubieran empleado los métodos de control de corrosióndisponibles.

Pnocnso DE rNvESTrcACróN

La causa exacta de una falla no es facil de descubrir y el problema puederesolverse después de una investigación cuidadosa.

ocurre con frecuencia que la alta administración tiene poca comprensiónde todos los factores y condiciones que conducen alafallade un equipo o de

un componente. Por ejemplo, después de la ocurencia de unafalla, el compo-nente engrasado, contaminado de mugre o de óxidos se lleva al Departamentode Ingeniería o al laboratorio, y se espera una respuesta inmediata sobre lacausa de la falla. Esta actitud es poco ruzonable y crea una presión indebidasobre el equipo encargado de la investigación. La solución es una educaciónpaciente sobre las numerosas causas que producen las fallas y sobre los proce-dimientos de investigación.

Para el analista de fallas, el principio ocurre cuando se le llama y se lepresenta el caso. Sin embargo, hay que considerar que el componente del equipose concibió, se diseñó y se fabricó durante un período previo que puede irdesde horas hasta años. Esto significa que es importante estudiar el significa-do de determinar la historia previa a la falla y programar el curso de la inves-tigación.

Ernpas DEL pRocESo DE ANÁLrsIS DE LAS F,ALLAS

Aun cuando la secuencia de un análisis puede variar dependiendo de la natu-raleza específica de la falla, las principales etapas que comprenden la investi-gación y el análisis de una falla son:

Principios, causas y metodología en el análisis defalla J

-. ErroercrA DocuMENTAr.

Especificaciones del material o materiales.

Condiciones operativas del diseño.

Tiempo de servicio.

Temperatura y presiones.

Condiciones de carga estática y dinámica.

Condiciones de corosión y de erosión.

Carga cíclica y vibraciones.

Ensayos, inspecciones y programas de mantenimiento.. Ocurrencias inusuales.. Garantías.

I Cr-rrDtCIoNES REALES DE sERvrcro

\iveles de temperatura y presión.

Datos de mantenimiento.

ConcÍiciones ambientales.

Fluidos que rodean al equipo.. Humedad.

' Condiciones de. Contaminantes.

ErrRrvrsrls

\=8una investigación es completa sin el testimonio de las personas que tie-

-- rntbrmación sobre la falla. El entrevistador deberá usar los datos de las

=:er istas como una herramienta de análisis y no como conclusiones o diag-lr:¡rcos sobre las causas de la falla.

I Er+leN pRELTMTNAR DEL coMpoNENTE o Eeurpo euE FALLó

Inspección visual de la falla.

Inspección de las superficies de fractura.Trayectoria de las grietas.a

-- ,-t


Desgastes severos.

Presencia de corrosión.

Registros fotográficos.

5. SrrsccróN op MUESTRAS pARA ENSAyos

Indicar y señalar los sitios de donde se deben tomar muestras para ensayo.

Instrucciones sobre cómo se deben tomar las muestras y su tamaño.

6. ENsayos No DESTRUCTTvos

Son muy útiles en la investigación de fallas. Inspeccionar con:

. Líquidospenetrantes.

. Partículasmagnéticas.

. Corrientes de Eddy.

. Ultrasonido.

. Radiografía.

7. SprBccróN y pRespnvecróN DE LAS supERFICtES DE FRACTURA

La selección adecuada, la preservación y la limpieza de las superficies de

fractura son claves para impedir que las evidencias importantes se destruyan u

oscurezcan. Las superficies de fractura pueden sufrir daños mecánicos o quí-

micos.

8. ExaunN MACRoscóPrco

El examen visual y con ayuda del estereomicroscopio de las superficies de

fractura es fundamental para caracterizar y determinar:

. Trayectoria de las grietas.

. Presencia de grietas secundarias.

. Presencia de corrosión.

. Desgastes severos.

. Erosión.

.a

a

-a

Principios, causas y metodología en el análisis de falla Z

EXewN MICRoSCÓPICo DE LA ESTRUCTURA

este examen se puede úllizar el microscopio óptico (hasta 2000 X [au-

I o el microscopio electrónico (más de 2.000 X) de barrido (SEM) o de

isión (TEM), (más de 2.000 X).Es necesario identiñcar las muestras y su ubicación, y seguir los procedi-

convencionales de corte, montaje, prepulido, pulido final y ataque,revelar la estructura del material metálico.

De'renunqacróN DEL Ttpo DE FRACTuRA

las características de la fractura:

Fractura dúctil.

Fractura frágil.

Fractura combinada.

Fractura por fatiga.

AxÁrtsrs DE coMposrcróN DEL MATERTAL

requiere determinar la composición del material en la investigación para

los resultados con las especificaciones. En problemas de corrosióniryortante analizar, además del metal o aleación, la composición der pro-

de corrosión. Se puedenutilizar varios métodos:

. Espechográficos de arco o fluorescencia de rayos X.

. Espectrofotometría de absorción atómica.

Fspectrofotometría de luz visible o ultravioleta, o infrarrojo.Análisis químico convencional.

ENsayos sIMULADos DE sERvrcro

h etapas finales de la investigación, se puede requerir la realización deque simulen las condiciones que produjeron la ocurrencia de la falla.

demplo, probetas de corrosión para uso en planta con el fin de monitorearmosión.


13. FonuuLACróN DE coNCLUSToNES E INFoRME

Los resultados de los ensayos, el análisis de las evidencias y las conclusiones

sobre la causa de la falla se deben consignar en un informe sobre toda la inves-

ttgadón.

14. RTcovBNDACioNES

Finalmente, es deseable consignar algUnas recomendaciones para evitar en 1o

posible 7a ocunencia de fallas por la misma causa en el futuro.

On,tmrtvos DE Los ¡NÁt'lsls DE FILLA

Los análisis detallados de las fallas constituyen herramientas valiosas en mu-

chos aspectos, entre los cuales se enumeran los siguientes:

. Para prevenir fallas futuras.

. Para establecer lavalidez de los diseños y de la selección de los mate-

riales.. Para descubrir defectos en el procesamiento de los materiales por me-

dio de la caracteúzación de los defectos.

. Para revelar problemas introducidos durante la manufactura o fabrica-

ción del componente.

Propiedades/.

mecanlcas

bs ingenieros van a seleccionar ros materiales para un componente,

- crlulpo o para una aplicación determinada, primero que todo piensant-si¡lenci¿ mecánica.

:siqenci¿ mecánica se puede definir como la habilidad de un materialr¡ifir cargas o esfuerzos mecánicos, sin deformarse ni romperse. valer óservar que en muchas aplicaciones el material debe dejarse defor-)lE no se debe romper durante el proceso de conformación. por ejem-o h manufacfura de cuerpos para automóviles el material debe dejarse

; sin romperse. En cambio, existen otras aplicaciones en ias cuaresno se debe deformar, ni mucho menos romperse durante su vida

svicio, como sucede con los piñones de ra caja de transmisión delEn este caso, los dientes de los piñones de la caja no se deben

; ni mucho menos romper durante la vida útil del vehículo.dargo, la resistencia mecánica no es el único factor en relación conred* mecánicas de un materiar que se debe evaluar para que elI desempeñe su función correctamente. Debemos preguntarnos si la

requiere que el material sea, además de resistente, rígido o dúctil,É smetido ala aplicación de una fierza cícrica importante o a unaansa aplicada súbitamente, si va a estar sometido a un esfuerzo alto

elevada, o a condiciones abrasivas.h w conocidas las propiedades requeridas, se puede seleccionar un

gopiado, utilizando la información incluida en manuales de inge-

se debe conocer cómo se llega a las propiedades incluidas ena través del ensayo de las propiedades mecánicas. Además, qué


significado tienen estas propiedades y en qué circunstancias se deben aplicaren el diseño o en la clasificación de los materiales respecto a las propiedadesmecánicas.

ENseyo DE TENSróx - DracnaMA ESFUERZo - DnronulcróxEl ensayo de tensión mide la resistencia de un material a una fieruaestática ogradualmente aplicada. A continuación se muestra esquemáticamente un dis-positivo de ensayo, el cual requiere para su realización los siguientes equiposy dispositivos (figura 2.1).

MÁQuTNa DE TENSIÓN

Se emplea para aplicar la faerua durante el ensayo. puede ser hidráulica omecánica. En el primer caso la faerza se aplica por medio de una bomba hi-dráulica y en el segundo caso por intermedio de un motor eléctrico y piñones.La mayor parte de los equipos disponibles comercialmente permit en realizar

Figura 2.1 Mediante una cabeza móvil, en la prueba de tensión se aplica unafuerzaunidireccional a una probeta. Referencia I

:liliil

I

baoi..dts-I

lpotI

)

I

EcarI

idest

holo,-

f.'.

PU'

Propiedades mecánicas I I

=r<7-' := ce tensión, de compresión y de flexión, tazón por la que se denomi-ra! -;:Li -:nas universales.

Pr..-Ei.-_:

- - -:'--is para los ensayos están especificadas por los institutos de norma-i--'-r-r .r3 u-.da país, comoASTM, Icontec, DIN, Afnor, JIS, etc. Estas probetasa;..E .:e acuerdo con el producto que se desea ensayar: barras redondas, lá-rmn:î-,-::nbres. fundiciones, etc.

C.J'r t

i -¡' '-:::a debe tener un dispositivo para medir ra carga o ra fuerza. En las'r -..-,:' ¡idráulicas, este dispositivo puede ser del tipo Bourbon, mientras& = = náquinas modemas se utilizan las celdas de carga que se basan enrEri-.: :! piezoeléctricos.

L-;-,.r..,ErRos

ir* =-*'--iti'os que se emplean para medir la deformación que ocurre en la

-tr= = nedida que se va aplicand o ra carga. Los deformímetros pueden sertF:rr-!-;\i. eléctricos, ópticos, de rayos infrarrojos, etc.Se:-:camente se muestran una máquina universal de accionamiento mecá-E ig'= 1'2), el esquema de un deformímetro tipo mecánico (flgura 2.3A)

! ¡u je:i-rrmimetro modemo para acoprar al comput ador (figtra 2.4).


Figura 2"2 }.4.áqluína universal para ensayosde tensión-compresión y flexión. Referencia 6

Figura 2-3 Muestra tensilfrjada a un extensómetro.

Propiedades mecánicas 13

Erlr 23A a) Esquema de un deformímetro mecánico tipo Moore. A, B, C, D:

- * de fijación. G: barra espaciadora para calibrar la distancia entre marcas

-& pulgadas con el botón H. V: punto de apoyo. M - L: carátula para medir ladeformación. Referencia 8.

Figura 2.4 Deformímetros digitales. Referencia 6.

t4 Fundamentos del análisk de falla

Durante el ensayo se aplica la cargaa una velocidad específica y se mide la

deformación coffespondiente. En la tabla 2.1, se muestra el efecto de la carga

enlalongitudcalibradadeunabarradealeacióndealuminio.

Tabla 2.1

Resultados de un ensayo de tensión en una probeta de aluminio

de 0,505 Pulgadas de diámetro

Cálculos

Carga(libras)

Mediciones de longitud

entre marcas

(pulgadas)

Esfuerzo

Hbras/pulg'z

(psi)

Deformaciónpulg/pulg

0

1.000

3.000

5.000

7.000

7.500

7.900

2,000

2,001

2,003

2,005

2,007

2,030

2,080

8.000 (carga máxima) 2,120

2,160

2,205

0

5.000

15.000

25.000

35.000

37.s00

39.500

40.000

39.700

38.000

0

0,0005

0,0015

0,0025

0,0035

0,0150

0,0400

0,0600

0,0800

0,10257.950

7.600 (fractura)

F

Ao

Nota: Referencia l.

Esrusnzo Y DEFoRMACTÓN DE TNGENTERÍA

para un material determinado, los resultados de un ensayo se aplican a mues-

tras de cualquier tamaño y forma, si se convierte la fuetza en esfuerzo y la

distancia calibrada entre marcas en deformación'

El esfuerzo y la deformación se definen de acuerdo con las siguientes

ecuaciones:

Esfuerzo de ingeniería:

l-l^c--L-Deformación de ingeniena =

Io

de la

srga

fJCS-

lr la

E]tES


-, : : es e1 área original de la sección transversal de la probeta antes

--:: :. ensayo; 1, es la distancia original entre marcas calibradas y / es-- : ;rire marcas después de haber aplicado lafuerza o carga F.La: - -=rztr - deformación (o - e) se ltllizapara registrar los resultados del

-: :=:sión (figura 2.5).

Esfuerzode cedencia

Resistenciaa la tensión

\Esfueizode ruptura

# = ,UOu,o de elasticidad

-

l'\-l I L

0 0.002 0.0004 0.020 0.060 0.100 0.140

Deformación (plg/plg)

,-:n a esfuerzo deformación correspondiente a una aleación de aluminio.

/iAc)

\6

.::::lo. para convertir los datos de carga vs. longitud calibrada de la

=: esfuerzo y deformación de ingeniería para una carga de 1.000l :3mos:

F 1.000 libras- -{,r (nl+)(o,sos pule)'

- 1'000 libras = 5.000 libras/pulgz o psi

0,2 pulg-

, =',,0 = 2,001 p.ul?:2,900 pulg

= 0,0005 pulg/pulg1 2,000 pulg


En forma similar, se calculan los otros datos de esfuerzo - deformación de

la tabla 2.I y con estos datos se construye la curva o * e (figura2.5).

Uxrnr»ps

Se utilizan varias unidades diferentes para reportar los resultados de un ensa-

yo de tensión. Las más comunes en los sistemas de unidades inglesas y métri-cas son las siguientes: para el esfuerzo, libras por pulgada cuadrada (lb/pulg,

o psi: pounds per square inch) y en el sistema métrico, megapascales (MPa).

Las unidades para la deformación son pulgadas de deformación por pulga-

da de longitud original (pulg /pulg) o metros de deformación por metro de

longitud original (m /m). Como la deformación es adimensional, no se requie-

ren factores de conversión para cambiar de sistema de unidades. En cambio,para el esfuerzo se utilizan los siguientes factores de conversión entre los sis-

temas inglés y métrico:

1 libra : 4,448 newtons §).1 psi : libra por pulgada cuadrada.

1 MPa : meganewtons por metro cuadrado (MN / m,) : megapascal

1 MPa : newton por mm2 § / mm2)

1 GPa : gigapascal: 1.000 MPa1 Ksi 1000 psi: 6,895 MPai psi : 0,006895 MPa

1 MPa : 0,145 Ksi: 145 psi

Pnoprnn.q.DEs oBTENTDAS DEL ENSAyo DE TENSróN

A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información sobre la resis-

tencia, larigidez y la ductilidad de un material.

ESTunnzo DE FLUENCIA o RESISTENCIA A LA FLUENCIA

Es el esfuerzo al cual se presenta una deformación plástica especificada, nor-malmente 0,2oA de la deformación total. La resistencia ala fluencia representael esfuerzo que divide el comportamiento elástico del comportamiento plásti-

l¿.I

i

I

I

Fkri-

ln*'

B

H


meterial. La deformación elástica es recuperable, es decir, el material

a zus dimensiones originales cuando se remuevé la fuerza que la pro-

cambio, la deformación plástica no es recuperable; es, por tanto, una

ión permanente. Por ende, si se desea diseñar un componente que no

plásticamente; se debe seleccionar un material con una resistencia

ia alta o fabricar el componente de un tamaño suf,rciente para que la

plicada produzca un esfuerzo por debajo de la resistencia ala fluencia.

E dgunos materiales, como el acero de bajo contenido de carbono, el

del comportamiento elástico a plástico se detecta porque hay un cam-

dcforrnación, sin que el esfuerzo cambie signif,rcativamente. A este

& esfuerzo que separa visualmente el comportamiento elástico del plás-

- h conoce con el nombre de esfuerzo de fluencia.

cmbargo, en la mayor parte de los materiales no se evidencia gráfica-

E-cn la curva o - e el nivel de esfuerzo que separa los dos comportamien-

,hl" oa, casos, 1a división entre el comportamiento elástico al plástico

ina por la resistencia a la fluencia, tal como se definió al iniciar este

Para determinar la resistencia a la fluencia, se traza una línea para-

lrporción inicial recta en la curva o - t, pero desplazada a 0,002 pulg/

OO2o/o) del origen, o 0,1%o, dependiendo de la aplicación.

ia ala fluencia se obtiene cuando esta línea intercepta la curva

- deformación. En la figura 2.6 (a),la resistencia a la fluencia 0,2oA

itmo gris es 40.000 psi. La curva 6 (b) muestra el esfuerzo defluenciaaro de bajo carbono. Se espera que el material se deforme plástica-

J alcanzar el esfuerzo o,. Sin embargo, los átomos de carbonoides se agrupan alrededor de las dislocaciones con el deslizamiento,

el lÍmite de fluencia hasta o, Só1o al aplicar un esfuerzo mayor que

ial principia a deformarse plásticamente.

L


Figura 2.6 a) Determinación de la resistencia ala fluencia 0,2%o de deformación en el

hierro fundido gris y b) esfuerzo de cedencia superior e inferior que describe el

comportamiento mecánico de un acero al bajo carbono. Referencia 1.

RnsrsrnNcrA A LA TENSIóN

La carga máxima que se obtiene en el ensayo, dividida por el área original de

la muestra de ensayo, se denomina "resistencia ala tensión" y representa el

esfuerzo máximo que resiste el material. En muchos materiales dúctiles, la

deformación no se mantiene uniforme. En cierto momento, una región se de-

forma más que otras y ocuffe una reducción localizada en la sección recta que

se denomina "constricción" o adelgazamiento (f,gura 2.7). Como el área de la

sección transversal en este punto se hace más pequeña, se requiere una fiJerza

menor para continuar la deformación y se reduce el esfuerzo de ingeniería

calculado a partir del área original Ao.

La resistencia ala tensión interviene en muchas especiflcaciones de mate-

riales y es una medida de la calidad del material, porque si éste tiene defectos,

tales como inclusiones severas, porosidad, no dará la resistencia ala tensión

especificada.

t_

I

t:ao-

N(¡)fauJ

50.000

40.000

30 000

Esfuezo de cedenciaconvencional 0.20,6

t___0.008


(a)

20.000

10.000

U

(b)

0.004 Deformación

-l.<l

ide

¡el. t-Lla

.¡5

{ue

¡la

ia

83-

1S,

ir1fl

otF


Figura 2.7 Deformación localizada durante el ensayo detensión de un material dúctil, produciendo una región de

adelgazamiento o constricción de la sección. Referencia 1.

i:ED\DES ELÁSTICAS

,- - - .ie elasticidad o modulo de Young es la pendiente de la curva es-

- :;:ormación en la región elástica o recta. Esta relación se conoce con

-:.: ie lev de Hooke:

E_

::-: -' '¡ulo está íntimamente relacionado con la fterzade atracción y con

- :' -- - : :e los átomos que constituyen el sólido. Una pendiente muy empi--'- :rr-ptá indica que se requieren grandes fuerzas para separar los áto-- - .-:i que el material se deforme elásticamente. Por tanto, el material-.' - -- :-.,iulo de elasticidad alto. Las fuerzas de enlace y el módulo de: - - - .r iu-rn _seneralmente altos en materiales de punto de fusión alto.

: - -rl:. el módulo es una medida de la "rigidez" de un material. Un--:-: -.:..io. con alto módulo de elasticidad, conserva su tamaño y su for-

- - -: :1 ser sometido a ufia catga en la región elástica. En la figura


siguiente se compara el compoftamiento elástico del acero y del aluminio. Si

a un eje de acero se le aplica un esfuerzo de 30.000 psi, se defotma elástica-

mente 0,001 pulg pulg, y con el mismo esfuerzo, un eje de aluminio se defor-

ma 0,003 pulg / pulg. El hierro tiene un módulo de elasticidad tres veces ma-

yor que el del aluminio (figura 2.8).

:ao-

oNof

aul

50.000

40.000

30.000

20.000

10.000

00.001 0.002 0.003 0.004 0.005


Figura 2.8 Comparación del comportamiento elástico del acero y delaluminio. Referencia 1.

El módulo de resiliencia (Er) es el área de la curva que aparece bajo laporción elástica de la curua o - t y representa la energía elástica que un mate-

rial absorbe o libera durante la aplicacióny la liberación de la carga aplicada.

respectivamente. En el caso de un comportamiento elástico lineal, tendremos:

Módulo de resiliencia: area triángulo OAB.----.-,¡

fr

litilil1lit"

iili

base x alturaMR=2

Base OB = t.

Altura AB : o

, -)oy xoy (or)=-=-2E 2E

=o'E

i'. Si

tlca-

htbr-

¡ ma-


-, -.:..îdad de un resorte o de una pelota de golf para desempeñar su

--::- - >.::.sl-actoriamente depende de un módulo de resiliencia alto.

Rr-rcro\ DE PorssoN

- -::- :.' ia deformación elástica longitudinal producida por un esfuerzo

:::r : ' :::sión o compresión, con la defotmación lateral que ocuffe simultá-

- e lateral* - u loneitrdi*l

' -- -: . De los datos del ejemplo 1, calcule el módulo de elasticidad de la;-=. ,,1 :: ¡luminiO.

- ---::- se aplica un esfuerzo de 35.000 psi, se produce una deformación

E , :: :-.rig pulg. Por tanto:

E = 9 - 35'ooo lbs/Pu1g2 = 1ox1o6 psi

t, 0.0035 pulg / pulg

:-: ' -:.¡ 1.2 se relacionan las propiedades elásticas de algunos materiales.

Tabla2.2:-.: ::¿des elásticas y temperaturas de fusión (Tf) de algunos materiales

tt¡r*::rl

JZt

660

1.538

3.410

2.020

0,45

o?qo)10,28

0,26

0,24

2,0 x 106 13,8

10,0 x 106 69,0

30,0 x 106 206,9

59,2 x 106 408,3

55,0 x 106 379,3

44,0 x 106 303,4

i:-i:- - : l: = Temperatura de fusión.

I


Ducru-mRo

La ductilidad mide el grado de deformación en el punto de ruptura. Se puede

medir la distancia entre marcas en una probeta antes y después del ensayo. Elporcentaje de elongación representa la distancia que la probeta se alarga pliís-

ticamente antes de la fractura.

t" - lôAElongación= I 'uxl00lo

Donde l, es la distancia entre marcas después de la ruptura del material.

Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcen-

tual en el área de la sección transversal en el punto de fractura, antes y después

del ensayo. Elporcentaje de reducción de área expresa la constricción plásti-

ca del material durante la prueba.

% Reducción de Área = Ao -A' ,loo

Ao

Donde A, es el área de la sección transversal en la ruptura.

La ductilidad es importante tanto para los diseñadores como para los fabri-cantes. El diseñador de un componente preferirá un material que tenga cierta

ductilidad, para que si el esfuerzo aplicado resulta muy alto, el componente se

deforme antes de romperse. Los fabricantes también prefieren un material

dúctil, porque pueden manufacturar formas complejas sin que se rompa du-

rante el proceso de conformación.

Ejemplo: La aleación de aluminio que hemos mencionado como ejemplopara el ensayo de tensión tiene una longitud final entre marcas después de laruptura de 2,195 pulgadas y un diámetro final de 0,398 pulgadas en la fractu-ra. Calcule la ductilidad del material.

a) Porcentaje de elongación

I _toáElmq='r: 'o xl00=lo

2,195 -2,0002,000

x100 = 9,75o4

puede

D'o. El

r plás-

¡nal.

orcen-

xpués

plásti-

i ¡abri-

- eerta

{e se

¡erial¡ du-

=plo¡e la

f,L'tll-


-::::-:.rje de reducción de área

,?_\ = t -Ar x,OO-

(n/4)(0,505)2 -rcl4(0'398)2 =3j.9%o.{o @14)(0,505),

--i ,::-=:-::d t-rnal entre marcas es menor de2,205 pulgadas, debido a que

¡rsr.c! :: -: tractura el esfuerzo elástico se ha recuperado.

f¡ui-rr-¡ DE L{ TEMpERATURA

r -:: =-.jes de tensión en muchos metales, aleaciones y materiales orgá-

!¡-:-: -::::, -: ásticos dependen de la temperafJra, como se observa en la figu-z - - t;ii-: =,eación de aluminio.

:, :;:--:2.-r de fluencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elastici-

la: -,:-.:--\en a alta temperatura. Por 1o general, la ductilidad del material,----- '. :ier arse la temperatura. Los fabricantes aprovechan la mayor duc-E:.:¡: . .--. :emperatura para deformar el material en operaciones de confor-

-,.- :: :a'iente, lo cual se denominatrabajo en caliente porque requieren

3lr.rf ==:;efZOS.

30.000

20.000

10.000

Temperatura (oC)(b)

F-r l-9 :iicto de la temperatura a) en la curva esfuerzo-deformación y b) sobre las:r-.. =¿iies a tensión de una aleación de aluminio 3004 - Hl8. Referencia 1.

60-§C

40Roco

zoú

áao6coa'óoÉ.

a)


ENS,tyo DE FLExIÓN PARA MATERIALES FRÁGILES

En los materiales dúctiles, la curva esfuerzo - deformación de ingeniería ge-

neralmente pasa por un valor máximo que es la resistencia ala tensión del

material. La falla sucede a un esfuerzo menor después de que ha ocurrido la

estricción de la probeta y se ha reducido el área de la sección transversal que

soporta la carga. En materiales con poca ductilidad la falla ocurre a la carga

máxima, donde la resistencia ala tensión y la resistencia ala ruptura son las

mismas. En materiales muy frágiles, entre éstos muchos cerámicos, la resis-

tencia a la fluencia, la resistencia ala tensión y la resistencia ala rotura tienen

el mismo valor (figura2.l0).

N(¡)f

auJ

Ductílidad moderada

Deformación

Figura 2.10 Comportamiento mecánico en el ensayo de tensión demateriales frágiles, en comparación con metales más dúctiles. Referencia 1.

En muchos materiales muy frágiles no se puede efectuar con facilidad el

ensayo de tensión debido a la presencia de defectos en la superficie. puede

ocurrir que al colocar el material frágil entre las mordazas de la máquina de

tensión, éste se rompa. Este tipo de materiales se pueden probar utilizando el

ensayo de flexión. En la figura 2.11 se muestran esquemáticamente la probeta 1'

la aplicación de la carga. Al aplicar la cargaen tres puntos para causar la flexión.actúa una fuerza que provoca tensión sobre la superficie opuesta al punto mediode la probeta. La fractura se iniciará en este punto. La resistencia a la flexión o

módulo de ruptura describe la resistencia del material.

illI


: áei

ir-¡ la

que

arga. t-_, l\

'SIS-

rtLll- j j.'

''i de flexión utilizado para medir la resistencia de materiales-:r :i. ,.ro 6 obtenida durante ia nexi¿nae l;;;;;"r. Referencia 1.

r Lr FLEXróN o MóDULo DE RUpTURA : ;:3 Fl,

¿w h'--:zi -rplicadaparuproducir la ruptura, z la distancia entre losr,,'. .. ,r es el ancho de la probetay h es su altura.. :: .¿ prueba de flexión son similares a las curvas esfuerzo _- ;::bargo, e1 esfilerzo se traza en función de deflexiones en-:. ie la deformación (figura 2.1».

- - - - -:-. .: esluerzo de flêxión para el MgO, obtenid a a partir deun ensayo de flexión. Referencia l.

+=D-¡

o oos o.o1o 0.015 a.oro á.oru


El módulo de elasticidad ala flexión, o módulo de flexión, se calcula e: ¡región elástica de la figura 2.12.

Móour,o DE FLE' ' FL3

IoN:4*h'6

Donde 6 es la deflexión de la viga al aplicarle una fuerza F.Debido a que durante la aplicación de una fuerza de compresión las fis

y los defectos en la superficie tienden a mantenerse cerrados, los materifrágiles se diseñan de modo que sobre el componente actuen solamente es-

fuerzos de compresión. Por estarazónlos materiales frágiles exhiben resisr+cias a la compresión mucho mayores que a la tensión. Esta situación se mue¡.tra a continuación (tabla2.3).

Tabla2.3Comparación de la resistencia ala tensión, a la compresión y a la flexión de materiales

cerámicos y compuestos seleccionados

MaterialResistencia Resistencia a

a la tensión la compresión

Resistench

a la flexiri(psi) (psi)

Poliéster 50% fibras de vidrio 23.000Poliéster 50% tejido de fibra de vidrio 37.000

30.000

25.000

32.000

27.000 *

37s.000

s60.000

45.000

46.000

50.000

80.000

AIrO, (99% puro)

SiC (sinterizado sin presión)

* Algunos materiales compuestos son bastante deficientes a la compresión. Referencia 1.

Emupro LUSTRATTvo

La resistencia ala flexión de un material compuesto reforzado con frbras ,jcvidrio es de 45.000 psi y el módulo de flexión es de 1g x 106 psi. una mues¡rque tiene 0,5 pulgadas de ancho, 0,375 de altura y ocho pulgadas de longinxestá apoyada sobre dos varillas separadas entre sí cinco pulgadas. Determir

rla

Propiedadesmecánicas 27

*Tr Fquerida para fracturar el material y b) La deflexión de laññ.aiLr de la fractura. Suponga que no hay deformación plástica.

= Lr ,#scripción de la muestra w: 0,5 pulgadas, h: 0,375 pul-= -¡ F:igadas, aplicamos:

;¡ a ia t'lexión = 45.000 = 3FL^ =

E¡in ie t'lerión = r 8x ro" = rfr,6 =

(3XFX5)

lrÍ§

rles

es-

teD-

¡es-

üa

cl¡I)N

2wh2 (2X0,5X0,375)'?

45.000F_ = 422libras106,7

aú=¡¡c' - calcula por:

(422)6)3

(4X0,5X0,375)'z 6

6: 0,0278 pulgadas

rTD.{DERO vS. DEFORMACIÓN VERDADERA

de ingeniería se utiliza siempre el área original. Sin embargo,¡¿:üadero hay que tener en cuenta eláreainstantánea,la cual es

h l*brmación lateral en el diámetro de la sección transversal;

a se modifica continuamente al aumentar la carga.

e. esfuerzo verdadero y la deformación verdadera por las

o, =oi

)

)

)

)

sde

sEa

itudLine:

F=-A

.. =:i+ = 1, (1r /lo) = l, (Ao /Ar)

-Ee rigura se comparan las curvas o - r de ingeniería y o'- e

E cgr.mzo verdadero seguirá incrementándose después de la cons-

nto), porque aun cuando la carga requerida se reduce, el:crür ia más (figura 2.13).


oNofo

l,tJ

Deformación

Figura 2.13 Relación entre el diagrama de esfuerzo real -

deformación real y el diagrama esfuerzo - deformación

ingenieril. Referencia 1.

El comportamiento mecánico verdadero en el ensayo de tensión se utiliza

en los procesos de manufactura, en los cuales el material se deforma plástica-

mente. Cuando Se excede la resistencia ala fluencia, el material se deforma.

El componente ha fallado polque ya no tiene la forma original. Además, sólo

después de que se inicia el adelgazamiento se desarrolla una diferencia signi-

ficativa entre ambas curvas. Fn este punto el componente está muy deforma-

do y no satisface las condiciones de utilización requeridas.

Dunnzl

La dt¡rezase define como la resistencia de un material alapenetración. Se han

desarrollado varios métodos para ensayar la d'ueza, pero los más comunes y

los más utilizados en las especif,rcaciones de materiales son el método Brinell,

el método Vickers y el método Rockwell,

ENsevo DE DUREZA BnrNBrl (B[IN)

La probeta se coloca en una prensa con la superficie superior plana y paralela

a la superficie inferior, y se presiona con una esfera de acero endurecido o de

carburo de tungsteno.


E ürsr de -§00 kilogramcs (para materiales blandos, como alu_F r o & i.000 kilogramos (para materiales duros, como ace_

r plie-a por un tiempo de 30 segundos, al cabo de los cualesse Iee el diámetro de la huella producida con un microscopio

El número de dureza Brinell se calcula con la siguiente

!t ir .'rsa aplicada, D el diámetro de la bola de penetración y delh hslla timpresión) en milímetros.

-E§ - ha encontrado una correlación entre la durezaBrinell yr h ¡ensión en psi:

RT:5OO NDB

[: csñencia a la tensión en psi y NDB es el número de sureza

t-u=s I\TIN)

i nlentador es una pirámide de diamante de base cuadrada,ract.lDIrE la probeta con cargas desde t hasta 50 kilogramos,

de i¡ dureza del material (las cargas menores se utilizan parar¡¡a- 1 las altas para los más duros). se obtiene una impresiónqc ¡tiagonales se miden con un microscopio.

larx¡:uci me¡odo Rockwell es que ra dureza se ree en una escala o.t una pantalla de cristal líquido. En este método se utilizan dos

: un cono de diamante de 120o llamado Brale y una bolade l/16 pulgadas de diámeho. El operario acciona primero

c presiona el indentador una pequeña distancia.

L

30 Fundamentos del analisis defalla

Esto se conoce como la precarga o aargamenor (3 kilogramos). En seguida

se aplica la cargamayor, la cual depende de la escala Rockwell que se emplee

y que puede ser, en el ensayo estándar, de 60, 100 o 150 kilogramos. Luego,

con la misma pa\anca, se retira la catga mayor y Se lee el número de dureza

Rockwell, el cual es la diferencia de dos indentaciones (la de la carga menor y

la de la carga mayor).

A continuación se resumen los tres pfocedimientos principales de ensayo

de dureza (figura 2.14). En la figura 2.15 se muestla un equipo para determi-

nación de dureza Rockwell y en la 2.16,un equipo para detelminación de

microdureza.

Forma de penetrac¡ón

Penetrador V¡sta lateral V¡sta en CargaPlanta

Fórmula parael índice de dureza

Esfera de '10 mmde acero o carburode wolfmmio ------G-

tr D (D - rlD'-d' )

P¡rámide ded¡amante - 1360 ..._

v--_\ {qÜy-dl a/) d1.T VHN = ", ;'

di

lvl¡crodureza Pirám¡dedede Knoop diamante

ttb=7,1.t I Jb/t = 4.00

xu* = 14;2 P

t-

t 1 cono de diamanteoJ

B 1 Esfera de acero de

t i 1/16 pulg. de diámetro

el Esfera de acero deI tl8 pulg. de diámetro

E+oQ

-'..,t

60kgR^=150 kg R6 =

100 kg R¡ =

100kgng=60kgRp=

150kgR6=

Figura 2.14 Ensayos de dureza. Referencia 3.

Propiedades mecán¡cas 3l

-t

¿

t

s-c

"'lngp t

L,¡¡kii ell. Referencia 9.

(t '.* ,

"¿ Figura 2.15 Equipo para determinación de

m icrodureza. ReFerencia 7.

3: Fundamentos del análisis defalla

Las determinaciones de dureza se utilizan principalmente para confronirespecificaciones de materiales paru la manufactura y el tratamiento térmi,.-r-

para el control de calidad y para efectuar correlaciones con otras propiedacis

de materiales.

Los métodos son baratos, consumen poco tiempo y por estarazón se rt_i&

ampliamente en la manufactura y en el laboratorio.

La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que icttiliza para fragmentar o moler mineral debe ser muy duro para resistir -J

desgaste. Otro ejemplo son los dientes de los piñones de la caja de transmrsión de un automotor, que deberán ser lo suficientemente duros para que D§

se desgasten.

Por 1o general se encuentra que los polímeros son blandos, los metales .Je

wa dureza intermedia y los cerámicos muy duros.

Ensayo de impacto

Cuando un metal se somete a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidalde aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tencr

un comportamiento más frágil si se compara con el que se observa en el en-r*yo de tensión. Se utiliza entonces el ensayo de impacto para evaluar la fragl.dad de un material en estas condiciones.

Se han diseñado varios procedimientos, entre los cuales los más comun ¡son el de Charpy y el de Izod. Ett la figura 2.17 se muestra esquemáticamerrE

el péndulo y las probetas de estos dos ensayos.

El ensayo de Charpy se utiliza para materiales metálicos y el de Izod =emplea para materiales no metálicos, generalmente. La probeta puede tener ono, pero la que sí la tiene mide mejor la resistencia del material ala propa_sl-

ción de las grietas.

Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde

altura ho, describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llege runa altura hn menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo. =puede calcular la diferencia en energía potencial. Esta diferencia es la energflde impacto requerida para romper el material de la probeta.

Proptedades mecánicas 33

)ntar

nico.

ades

t§an

.e se

ir el

imi-

lno

sde

nes

nIe

ffiprobetas típicas. Referencia t.

ryo Charpy la energía se expresa generalmente en libras pie (lbs. pie)Jl i-a conversión de estas unidades es I libra.pie: 1.356 J.i &l ensayo Izod se expresan en libras.pie / pulgada,o en J / m.de un materialpararesistir cargas a. irnpuato se conoce como

dad

ner

ls¿I-

:ili-

SC

rola-

na

la

=na

2: ¡"¿lerial.

,IT.\IDAS A PARTIR DEL ENSAYO DE IMPACTO

de transición

E I I ! - presenta el comportamiento de tenacidad de un porímero

=-::,de

la temperatura. Se observa una temperatura de transi_I--: ¡ambia el comportamiento de dúctil a frágil.

=T Tld:

definirse como la remperatura promedio enrre lasrl,re lasrñr-¡ 1 rágil. un material sometido a cargas de impacto durante su-TLT deberá tener una temperatura de transición por debajo de raE.t -n-icio.


polímero termoplástico de nylon supertenaz. Referencia l.

No todos los materiales tienen una temperatura de transición bien definida.

como se muestra en la figura 2.19. Los materiales BCC tienen temperatura de

transición, pero la mayor parte de los FCC no la tienen. Los metales FCC absor-

ben valores altos de energía durante las pruebas de impacto, la cual disminuye

gradualmente e incluso a veces se aumenta al disminuir la temperatura.

Figura 2.19 Resultados de

pruebas Charpy con muesca

en V para un acero al carbono CC y para un acero inoxi-dable CCC. La estructuracristalina CCC generalmente

absorbe más energía y no tie-

ne temperatura de transicióo

dúctil - frágil..Referencia l.

cs eoo

(:)(úo-tr'= 600(t,(ú'oCo

4 3oooÉ.

Figura 2.18 Resultado de una serie de ensayos de impacto Izod para un

.o+-o=obup§tt€N.ooocr.rJ 20

Temperatura (oF)

de

muesca

carbo-inoxi-

fa


a las muescas

cansadas por un mecanizado, una manufacfura o un diseño de_

-¡ñ¡n como concentradores de esfuerzos y reducen la tenacidad deI-a sensibilidad a las muescas de un material puede evaluarse

bs energías absorbidas por las probetas con muescas y sin ellas,merial es sensible a las muescas, la tenacidad baja mucho respec-

srn muescas.

oo el diagrama esfuerzo - deformación

rcrluerida para romper un material está relacionada con el área enverdadero vs. deformación verdadera (fi gura 2.20). Algunos

resistencia y ductilidad altas tienen buena tenacidad, pero no asícerámicos y muchos compuestos, a pesar de su alta resistencia.

órctilidad.

(E(¡,

oNc)=¡t

UJ

Deformación real

Fgura 2.20 El área debajo de la curva esfuerzo real _

deformación real está relacionada con la energía deimpacto. Apesar de que el material B tiene un límite

inferior, absorbe más energía que el material A. Referencia l.

E L{S PROPIEDADES DE IMPACTO

absorbida y la temperatura de transición son muy sensibles a lasde carga. Por ejemplo, al aplicar u na cargaráprdamente a la muestra

h energía absorbida y se increm entaratemperatura de transición. El& Ias muestras afecta también los resultados debido a que es más


dificil que se deforme un material con mayor espesor, lo cual requiere ener-

gías más pequeñas para romperlas. Finalmente, la configuración de las muescas

afecta el comportamiento, ya que una grieta en la superficie permite la absor-

ción de menos energía que una muesca en V en el material" Como es muy

dificil controlar todas estas condiciones, el ensayo de impacto se utiliza más

para comparación y selección de materiales que para el diseño directamente.

MncÁNrcr DE LA FRACTURA

Cuando los ingenieros diseñaron y construyeron componentes con materiales

dúctiles con esfuerzos por debajo del límite elástico, hubo pocas fallas. Pero

cuando utilizaron materiales de alta resistencia y poca ductilidad, tales como

las aleaciones de aluminio endurecibles por precipitación, se presentaron mu-

chas fallas. Se desarrolló entonces una nueva ciencia, y su tecnología asocia-

da, que se denominó la mecánica de la fractura, disciplina que estudia el

comportamiento de un material con fisuras y otros defectos pequeños. Todos

los materiales, en mayor o en menor grado, tienen algunos defectos. Lo que se

desea saber es el esfuerzo máximo que puede soportar un material que contie-

ne defectos de determinado tamaño y geometría.

TsNecmao A LA FRACTURA

Mide la capacidad de un material que contiene un defecto para resistir en

tensión una carga aplicada. A diferencia de los resultados del ensayo de im-pacto, la tenacidad aIa fracíra es una propiedad cuantitativa del material.

Un ensayo típico de tenacidad ala fractura se realiza aplicando un esfuerzo

de tensión a una probeta preparada con un defecto de tamaño y geometría

conocidos (fig,ara 2.2Ia). El esfuerzo aplicado al material se intensifica por lapresencia del defecto (figura 2.21b)). Para un ensayo simple, el factor de in-

tensificación del esfuerzo es:

K=f o$i

t

'en

im-

:lain-


n ftctor geométrico que depende de la probeta y de la grieta, o

y h pn una grieta interna)" Cuando se supone que la probeta* *infinito",f :1,0.

lllrca de aleación metálica bajo tensión uniaxial: a) con una grieta en aristagrit*a en el centro 2a. c) Distribución de tensión respecto a la distancia del

& la grieta. La tensión es máxima en el extremo de la grieta. Referencia 3.

d ensayo se determina el valor de K que causa el crecimiento o lafalla. Este esfuerzo crítico se define como laih de la grieta y la

a la fractura K :c

K": K requerido para que una grieta se propague.


La tenacidad a la fractura depende del espesor (e) de la probeta. A medida

que se incrementa ei espesor, la tenacidad a la fractura K. disminuye hasta un

valol constante (figura 2.22). Esta constante se conoce como tenacidad a la

fractura en deformación plana \.. Generalmente \. se reporta como pro-

piedad de un material. El valor de K,. se compara con la resistencia a la fluencia

para varios materiales (tabla 2.4).

Figura 2.22 La tenacidad a la fractura K. de un acero con esfuerzo de

cedencia de 300.000 psi se reduce al incrementar el espesor, hasta

alcanzar el valor de la tenacidad a la fractura en deformación plana K,.'Referencia l.

Las unidades para la tenacidad a la fractura

MPa .,ñ '

l-lolo>I tso

o:¿

son: Ksi 6"t* = 1,0989

rf

lda

'ullllalo-i.pra

T€aacidad a la fracrura ".

o"a*::?u';f,uru q" de algunos mareriales

Materiat

Al-Cu

-6yo N-4%V

"ürc¡o Ni - Cr

ilnp"de mayor tenacidad por transformación

- MetacrilatoHiz¡bonato

1.

r,a capacidad que tiene un material para resistir el crecimiento de una grie_depende de varios factores:

I' Los defectos más grandes reducen el esfuerzo permisible. se empleantécnicas especiales de manufactura, como retener impurezas filhandolos metales líquidos y la compresión en caliente para producir compo-nentes cerámicos, con miras a reducir el tamaño de ros defectos y mejo-rar la tenacidad a la fuactura.

2- La capacidad de deformación de un material es crítica. En ros metalesdúctiles el material enlaraizde la grieta se puede deformar, redondean_do la raíz de la grieta y reduciendo el factor de intensidad der esfuerzo,e impidiendo el crecimiento de la grieta. Al aumentar la resistencia deun material determinado, por lo general se disminuye la ductilidad y sereduce la tenacidad a la fractura (tabla 2.4). Los materiales frágiles,como los cerámicos y muchos polímeros, tienen tenacidad a la fracfuramenor que los metales.

3' Materiales más gruesos y más rígidos tienen una tenacid ad, alafracturamenor que los delgados.

Tenacidad

a Ia fracturapsi{pu

22.000

33.000

50.000

90.000

45.800

80.000

1.600

10.000

900

3.000

Resistencia

a la fluencia(psi)

66.000

47.900

130.000

125.000

238.000

206.000

30.000

60.000

4.000

8.400

...-",dilillllll r


Al aumentar la velocidad de aplicación de la carga, como en el caso de

un ensayo de impacto, se reduce por 10 general la tenacidad a la fractura

del material.

Al aumentar la temperatura, norrnalmente se incrementa la tenacidad a

la fractura, similar a 1o que ocuffe en el ensayo de impacto'

Por lo regular, una estructura de granos pequeños mejom la tenacidad a

la fractura. Por ejemplo, un cerámico de grano fino puede tener mayor

resistencia al crecimiento de grietas.

IupoRTRNCIA DE LA MECÁNICA DE LA FRACTURA

La mecánica de la fractura permite diseñar y seleccionar materiales y, al mis-

mo tiempo, tomar en consideración la presencia de defectos. Se deben consi-

derar tres variables:

1. La propiedad del material (K. o K,.)

2. El esfuerzo o que debe resistir el material.

3. El tamaño de los defectos a

Si se conocen dos de estas tres variables, se puede determinar la tercera.

SBlBcclóN DE uN MATERIAL

Si se conoce el tamaño máximo a de los defectos en el material y la magnitud

del esfuerzo aplicado, se puede seleccionar un material que tenga una tenaci-

dad K. o K,. a la fractura, 1o suficientemente grande para que impida que ei

defecto se propague.

DrsBño DE LIN coMPoNENTE

Si se conoce el tamaño máximo de los defectos y ya se ha seleccionado el

material (y por tanto K" o K,"), se puede calcular el esfuerzo máximo qw

puede soportar el componente. Con esta base se puede diseñar el tamaño aprc'

piado de lapieza,para asegurarse de que no exceda el esfuerzo máximo.

4.

5.

6.

rI

rde

ilra

Propiedades mecánicas 4l

-,::\O DE LIN METODO DE MANUFACTURA O DE ENSAYO

: =. naterial ya se ha seleccionado, se conoce el esfuerzo aplicado y está

:.-:=lnado el tamaño del componente, se puede calcular el tamaño máximo

-:-srble de los defectos. Una técnica de ensayo no destructivo que detecte

; : :-.3r defecto mayor de este tamaño crítico puede ayudar a asegurarse de

¡i.tr -: rieza funcionatá con seguridad. Además, al seleccionar el proceso de

:.:-- --.-rura coffecto, se puede lograr que los defectos resulten más pequeños

r É .- -.naño crítico.

=E..,:_ - ILUSTRATIVO

--: : . ::\anente estructural de chapa para un diseño de ingeniería debe sopor-

= I - \!Pa a la tensión. Si se utiliza una aleación de aluminio 2024 - T851

E -- =rlicación, ¿cuál es el mayor tamaño de una grieta intema que este

E=rr:- :-ede soportar? (suponga y : 1).

\ = .. o: J* K,. parala aleación de aluminio :26,4 MPa Jm

- r {K,. I o,)',: (t I n) (26,4 l/Ipa Jn t 207 MPa): 0,00518 m

,-. 1::,-'. el tamaño de la grieta interna que la chapa puede soportar es:

2a: 2 (5.18 mm) : 10.36 mm

¡.' Df, F.{TIGA

-- :-'Íponente está sometido a la aplicación de una carga cíclica

. . ::sistencía ala fluencia, puede presentar ruptura por fatiga. El

Jtr puede ocurrir como resultado de:

:.

-:.ai

¡da

ada

ryor

m1s-

onsi-

yritud

enaci-

que el

rado el

no que

0 apro-

[o.

il'

i i;-


Aun cuando el esfuerzo esté por debajo del límite de fluencia, el compo'

nente puede fallar después de un número de ciclos determinado.

Lafalla por fatiga ocurre en tres etapas, generalmente:

1. Primero se inicia una grieta muy pequeña en la superficie del compo'

nente, un tiempo después de haberse aplicado la carga cíclica.

2. A continuación la grieta se propaga gradualmente, conforme la carga

continúa altemando.

3. Finalmente, cuando ya no hay suficiente metal sano para soportar la

carga, ocuffe la ruptura súbita del componente.

La apariencia de la segunda etapa es la de una superficie pulida con marcas

de playa (Beach marks), mientras que la tercera etapa ocurre en forma de

fractura rugosa. Estas características se pueden observar en la figura 2.23, ex

la cual se muestran con una flecha la iniciación de la grieta, la zona de propa-

gación y la zona de ruptura final.

Figura 2.23Un eje grande de acero de medio contenido de carbono,que muestra la fractura por fatiga a través de la mayor parte de la

sección transversal antes de la fractura final. Referencia 10.

iI

npo-

mpo-

carga

tar la

larcas

na de

li, en

Propa-


. : . 3rios métodos para ensayar la fatiga. En las figuras 2.24 y 2.25 se

-- =s: lemáticamente el ensayo de viga rotatoria en voladizo y el ensa-

- -:Jrina de Moore.

: . - :¡ 1.2J Ensayo de fatiga de viga en voladizo rotatoria. Referencia 1

§r -: i l5 --, .,srama esquemático de una máquina de fatiga de flexión alternada de: . :. sesún H.W. Hayden, W.G. Moffaatt y J. Wúff, The Structure and

P¡'operties of Materials, vol. I[, Wiley, I 965, p. 15).

>:. , de la viga rotatoria en voladizo, uno de los extremos de la-::.,-a mecanizada se sujeta al eje del motor, en tanto que en el

-:lrrr Se suspende un peso. Inicialmente la probeta tiene una fietza

- -.: :ctú& sobre la superflcie superior, mientras que la superf,cie

Carga

100,000 ciclos de duración a la fatigaa un esfuezo aplicado de 90,000 psi.

Límite de resistencia

a la fatiga = 60,000 psi


inferior está sometida a compresión. Cuando la probeta gira 90o, los puntos

que originalmente se hallaban bajo tensión y compresión no están sujetos a

ningún esfuerzo. Después de una revolución de 180o, el material originalmen-

te bajo tensión está ahora bajo compresión y el de compresión pasa a tensión.

completándose un ciclo sinusoidal desde un esfuerzo máximo a tensión hasta un

esfuerzo máximo de compresión. El esfuerzo máximo en este tipo de probeta

está dado por:

32LF7[ d3

Donde Z es la longitud de la barra, F la carga y d el diámetro.

Después de un número suficiente de ciclos, la probeta puede fallar. Gene-

ralmente se prueba una serie de muestras a diferentes esfuerzos y se cuenta e.

número de ciclos de falla con un contador. Los resultados se presentargraficando el esfuerzo en función del número de ciclos parula falla.

Rpsulr¿»os DEL ENSAYo DE FATIGA

En la figura 2.26 se muestran dos curvas S * N (esfuerzo - número de ciclos,

para un acero y paraDna aleación de aluminio.

120

106

Número de ciclos

Figura 2.26 Cuwas esfuerzo - número de ciclos parala falla de un acero gradoherramienta y una aleación de aluminio. Referencia L

IUU

:aY;80E(E.o

E60oN{1),: 40auJ

I

mtos

ros a

ren-

sión,

ta un

¡beta

Jene-

nta el

entan

iclos)

--


: .--.. de fatiga indica el tiempo o número de ciclos que resistiráuna

- 1-- - -::ga máxima permisible que se puede aplicar para prevenir la falla

--_Ll.

: :': --.rZi límite de fatiga, deflnido como el esfuerzo por debajo del cual

: - r: --. ::¡,b,abilidad de 50% de que ocurrirá la falla por fatiga, es el criterio

E - -:i ::¡ñrido. Para evitar que falle una pieza de acero grado para herra-

- r'- - -- = tl-qura 2.25,se debe asegurar que el esfuerzo aplicado esté porj-- -: - rt,)() psi.

-. :: f'atiga indica cuánto resiste un componente a un esfuerzo en

a-.-- -- ? : ejemplo, si el grado de acero parahenamienta se somete en

: .1 un esfuerzo de 90.000 psi, la vida de fatiga será de 100.000

.tencia alafatiga es el esfuerzo máximo con el cual no ocurirá:- -- r.-rrrero particular de ciclos, como 500.000.000.

-* -:- : ::-.-i3 ala fatiga es necesaria a[ diseñar con materiales como el

,¿-- - s polímeros, porque éstos no tienen límite de fatiga.

:- -.-- : materiales, como los aceros, por ejemplo, el esfuerzo límite

--- - - : r ,r t'atiga (límite de fatiga) es aproximadamente la mitad de su

= :- - - : : Iensión. La relación se conoce como relación de fatiga.

L:lación de fatiga =Límite de fatiga

= 0r5Resistencia a la tensión

-- -: :- - de fatiga permite estimar las propiedades de fatiga a partir del

aE_-;- -= .:i.gzr son particularmente sensibles a los siguientes factores:

- --r::.r.üiones de esfuerzo debido a radios de filetes, muescas o

I t -= ) ::d superficial, 1o cual indica que los resultados dependen del

: -- r.canizado utilizado.

: --::r,s residuales en la superficie.- - - -:ies ambientales, tales como fatiga y corrosión simultáneas.

- - i -l¡d.

ll

105 ioo

Ciclo para la falla

(Eo-

oNo)

=ao6I'=gq-E

40 l-I

30

20

104 107

-


En los cerámicos, particularmente en ciertos vidrios y óxidos, oculTe un

fenómeno conocido como fatiga estática. Estos materiales y algunas aleacio-

nes de alta resistencia pueden resistir \na carga estática alta por un período

largo de tiempo y luego fallan súbitamente. Dicha clase de falla no ocurre en

presencia de aire seco o en vacío, porque está relacionada con una reac-

ción química entre el agua de la atmósfera y la superficie sometida a altos

esfuerzos.

E.lnvplo [usrRATIVo

Una barra de polímero acetálico de 2 cm de diámetro y 20 cm de longitud se

carga en un extremo y se espera que sobreviva 106 ciclos de carga con esfuer-

zos iguales de tensión y de compresión durante su vida útil de servicio. ¿Cua1

es la máxima carga que se puede aplicar?

De la gráf,ca de esfuerzo - número de ciclos experimental de la frgura2,2-

para el poliacetal, encontramos que la resistencia alafatiga debe ser 22MPz

para que elpolímero sobreviva 106 ciclos (1.000.000 de ciclos).

Figura 2,27 Curva amplitud de esfuerzo - número de ciclos por falla porfatigapara un polímero acetal. Referencia 1.

L


un

io- LF---=d'

O=RF=

ls--=ros F y tendremos:

, = IYlg'_ = = rl? Yf?lÍ?o

*T)' = 86,4 N

10,18 LF (10,18)(200 mm)

2.27

MPa

fs¡.ro DL cREEp o FLUENCIA LENTA

(--¡: - :plica un esfuerzo a un metal o a un cerámico a alta temperatu-tl- ? -.:-.::al puede elongarse y finalmente fallar por ruptura, aun cuando

G =i:-- aplicado esté por debajo del límite de fluencia del material. Ae -: ::::::ción lenta y progresiva que ocurre con el tiempo con esfuerzo

! Etrt-:j:a constantes se la conoce con el nombre de creep o fluencia*'' :; rateriales poliméricos pueden presentat creep a temperatura

-r<::l =:::minar las características del creep, se aplica un esfuerzo constan-

G I ;r:: --.':eta del material a la temperatura de interés (en un hormo) y se

-E ¿ :e:¡:rnación del material en función del tiempo. Al principio del en-

-r: - :,:-::3re una deformación elástica g0 que depende del esfuerzo aplicado

! E :,:ü--.', elástico del material a esa temperatura.- x : -5 :emperaturas permiten que los defectos o imperfecciones de lí-

n- li=:t s dislocaciones en el metal, escalen en un proceso en que losLn'5 - :ueven por difusión, causando el movimiento de las dislocaciones

3 rn: :-:=¡;ión perpendicular al plano de deslizamiento y produciendo de-- wt¡.-,-¡ :: el COmpOnente.

1 i. :-.:'rras 2.28 y 2.29 se muestran las tres etapas del proceso de creep

ta ¡si-*s Lr escalonamiento de las dislocaciones para producir la deforma-t--

-ea:rr amente.

Esfueao nominal constanteTemperatura constante

Ae _ Rapidez de laAt - fluencia lenta

'rimertj. Segunda etapaetapa- i (estado estable)

C'o'o(§Eoo)o

to = deformaciónelástica

I+

TiempoTiempo de

ruptura


Figura 2.28 Cuwa típica de creep o fluencia lenta mostrando la deformación producidaen función del tiempo para un esfuerzo y una temperatura constantes. Referencia 1.

Figura 2.29 Las dislocaciones pueden ascender y alejarse de los obstáculos, cuando lcátomos se apartan de la línea de dislocación para crear intersticios o para llenar

vacancias: a) cuando los átomos se flrjan alalinea de dislocación creando vacancias cb) eliminando intersticios. Referencia l.

En la primera etapa del creep en los metales, muchas dislocaciones escalasy ocurre deslizamiento, todo 1o cual contribuye a la deformación decrecienr¿En la segunda etapa del creep, la rapidez a la cual escalan las dislocacionsiguala a la rapidez que bloquea el movimiento de las dislocaciones por otr=imperfecciones y el creep se vuelve estable, situación que se representa FT

if i r'f iili L\t: { { II l I tr/ I I

,l (,g rt\r {J,LI\! (

(b)(a)

t

otras


Lra :a-ta. La pendiente de esta porción del creep constante o secundario

L ¡el:r-rüd o rapidez de la fluencia.

Velocidad o rapidezde Creep = §

L''re la tercera etapa principia la constricción, el esfuerzo se incrementatr¡¡¡=? = deforma a una rapidez acelerada, hasta que ocuffe la ruptura

-':¡¡1- El tiempo para que esto ocuffa es el tiempo de ruptura. Un es-

c¡s alto o una mayor temperatura reducen el tiempo de ruptura (t.),

la rapidez del creep.

E¡ brnateriales cerámicos cristalinos son importantes otros factores, como

de los límites de los granos y la nucleación de microgrietas.

L -ñís o bordes de los granos está presente a menudo un material no

- s decir vidrioso, y esto contribuye a la deformación del creep con

-sdez. Por la misma razón, el creep ocurre más rápido en vidrios

r en polímeros amorfos.

_ *STR{TIVO

iu§lar el uso de las gráficas del ensayo de creep o fluencia lenta en eI

5e .-omponentes a alta temperatura, se propone calcular el diámetro

+.e debe tener una barra de una aleación de hierro, cromo y níquel:-!En§'r una carga de 1.500 libras a 760'C durante seis años de servicio.

t¿ 5¡fta de esfuerzo vs. tiempo de ruptura se ilustra en la figura 2.30 parat 'Ttraruras, entre ellas la de 760 "C que se usará en el cálculo del

propuesto.

fu :niiizar la gráfica, calculamos la vida de servicio del componente en

E e serr icio : (6 años) (365 días laflo) (24 horas /día) : 52.560 horas

h ==a r ida de servicio, encontramos que el esfuerzo debe ser menor de

sr Entonces:


áao_

oN0)f(tu

20.000

10.000

O.UUU

4.0003.000

2.000

1.000

600

400300

204

100 1 .000 10.000 100.000Tiempo de ruptura (h)

Figura 2.30 Resultados de una serie de ensayos de fluencia lentaadiferentes temperaturas: curvas de esfuerzo - tiempo de ruptura para una

aleación de hierro, cromo y níquel. Referencia 1.

frd2 _ F4A-1 4FjTd'--

A

d2=

FF^--A nd'

4

4F-x- y d-fi('

d = = o,szpulgadas

@t\(F /o)


b¡¡rcrrs

-:,- -:> : Editores.

'.-: - --,: . de ingeniería y sus aplicaciones, 3" ed., Flinn-Trojan, McGraw Hilli..,r, -^

-

: -'-i-' =':it)s de la ciencia e ingeniería de materiales, 3u ed,., william F. Smith,- -'-'::.r Hill.

--: - -. :cience and engineering an introducÍion, 4th ed., william D. callister,- l-=::.:e Hall.

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--:.' i- Il-ilson-roclo»el/, Hardness Testers.

-'* - :;,:ding How Components Fail, Donald Wulpy, ASM.

F

:t:atI

r

Introducción a los ensayos ano destructivos y a los métodos J

de inspección

1-'n l1-'¿ ' -. \o Destructivos (ND! por su sigla en inglés) y las técnicas§L- .-: i :: inspección se utilizan para detectar y paruevaluar defectos (irre-G:tr.-:,-=] : discontinuidades) o fugas en sistemas de ingeniería.

lq '' ::=rentes técnicas no destructivas que se usan en la industria, losF-¡'' :tr:3trantes y los ensayos con partículas magnéticas constituyen alre-E'' = ' rirad de todas las técnicas no destructivas, los métodos de ultra-M tr ' . :adiografía otro tercio y los ensayos con corrientes de Eddy:= :: , ,:-,. mientras que los otros métodos constituyen solamente el

k:rclo\Es TMpoRTANTES

-,! ----:-'|. "Ensayo No Destructivo (NDT)" e oolnspección No Deskuctiva\r' - = --.-'nsideran sinónimos. Ambos se refieren a "procesos,, o procedi-

ni<:--< --:s como la inspección ultrasónica o la radio grafrapara determinar¡' ----: - ias características de un material, de wapieza o de un conjunto

-':: .::,. sin alterar el objeto o sus propiedades.

-rr -i - -'s métodos NDT o NDI se usan para encontrar anomalías internas5=-.-: .: una estructura, sin degradar sus propiedades y sin demeritar sus.c-_= .:-,-as de servicio.

--':=::.'" es un término general que se utiliza para significar cualquiere---r-:=i. imperfección o discontinuidad que contenga un materi al, pieza: r:r. --.:- ensamblado. una imperfección que se haya evaluado como recha-3rc ñ :.-'rsidera un "defecto". El análisis cuantitativo de los hallazgos dear "-- - \DI se realiza para determinar si el material, la pieza o el conjunto

54 Fundamenfos del análisis de falla

ensamblado es aceptable para desempeñar su función, a pesar de la presencia

de los defectos, se denomina Evaluación No Destructiva (NDE). Con la eva-

luación NDE, una imperfección se puede clasificar por su tamaño, forma, tipo

y localización, permitiéndole al investigador determinar si la imperfección es

o no es aceptable. Los métodos de diseño tolerante se basan en la filosofia que

garantice una operación segura en presencia de grietas o de imperfecciones.

Usos DE Los NDT

Aunque la detección de defectos se considera generalmente el aspecto princi-

pal de los NDT, existen también otras áreas importantes de aplicación para

tales métodos. Éstos incluyen detección de fugas, metrología, caracterización

de la estructura o de la microestructura, determinación de la respuesta al es-

fuerzoldeformación, e identiñcación rápida de metales y aleaciones. A conti-

nuación una breve descripción de cada una de estas aplicaciones.

DprnccróN Y EVALUACTóN DE FUGAS

Como muchos objetos se someten a presión, la determinación no destructir-a

de fugas es muy importante. En el área que se conoce como detección no

destructiva de fugas se utilizan varias técnicas. Cada técnica tiene un intervalo

específico de aplicaciones y la técnica particular parala detección de fugas se

debe seleccionar después de una consideración cuidadosa.

MBrnolocÍe

La determinación de dimensiones referida como "metrología" es una de las

actividades más utilizadas de los NDT. En los años recientes, las herramientas

convencionales para metrología, tales como micrómetros, se han complemertado con herramientas modernas de alta tecnología, como la inspección cclláser, máquinas de medición de coordenadas y máquinas de visión y sistemas

de inspección con robots.

La selección de un sistema de mekología depende en gran parte de los

requerimientos específicos de la aplicación determinada. Par:a ello se deba

pia

va-

úpo

ICS

que

ES.

Introducción a los ensayos no destructivos y a los métodos de inspección 55

rabajos específicos sobre estos temas. Además otros métodos de

no destructiva, tales como las corrientes de Eddy, el ultrasonido, la

optica y la metrología de punto, encuentran aplicaciones en el cam-

h mología.

DE LA ESTRUCTI]RA O DE LA MICROESTRUCTURA

interesante de los NDT es la caracterización de la microeskuctura,

-prede hacer en el sitio sin dañar el objeto utilizando microscopia de

Eso se emplea para establecer la condición de una planta de potencia

!'er componentes metálicos de plantas petroquímicas, o usando el

io óptico convencional con equipos portátiles, el cual incluye equi-

plido, ataque y microscopia.

' ii es posible caracterizar la microestructura por medio de la corre-

o al-eún tipo de información no destructiva. Por ejemplo, la trans-

de energía ultrasónica se ha correlacionado con la microestructura

sns.

imestructura se ha caracterizado a menudo por intermedio de Ia de-

lh de las propiedades físicas o mecánicas con técnicas no destructivasqÉE normalmente una colrelación entre la microestructura, las pro-

1'lia respuesta al Ensayo No Deskuctivo.

ización de la microestructura a partir de la respuesta a un Ensa-

Esurrctivo es un área relativamente reciente de la aplicación NDT, al

F ocuren nuevos desarrollos con frecuencia.

¡ DE LA RESPUESTA ESFUERZO-DEFORMACIÓN

fESPLESTA DINÁMICA

localizada en una región específica de un objeto sometido a

específicas de carga se puede determinar utilizando méto-

de la deformación, tales como películas fotoelásticas, películas

y fforrrímetros. Si se conoce el comportamiento esfuerzo-deforma-

-tri¿1, estos valores de deformación se pueden convertir en valores

ECl-

Pafapión

i es-t

Pnti-

I

I

ptiva

ln no

kvaio

Fas se

I

)

I

[" u,I

[entasIEmen-I

ln conI

hemasI

'd. 1o,

I d.u..,


Los esfuerzos residuales en los materiales se pueden medir por una varie-

dad de técnicas no destructivas, entre éstas la difracción de rayos X, el ultraso-

nido y métodos electromagnéticos. En la técnica de difracción de rayos X se

mide la distancia interplanar y se calcula el esfuerzo correspondiente. La pro-

fundidad de penetración de los rayos X es del orden de apenas 10 ¡rm (400 ¡r

pulg) en los metales. Por tanto, la técnica está limitada allaboratorio, debido

a la falta de equipos para uso en el campo y por razones de seguridad por la

radiación.

Con las técnicas de ultrasonido se mide la velocidad de las ondas ultrasóni-

cas en los materiales y se correlaciona con el esfuerzo. Estas técnicas se basan

en un pequeflo cambio de velocidad causado por la presencia de esfuerzos.

que se conoce como efecto acustielástico. En principio, las técnicas ultrasóni-

cas se pueden úilizar para medir esfuerzos en volumen y en la superficie, pero

debido a la dificultadpara dif,erenciar los efectos del esfuerzo del efecto de la

textura del material, las aplicaciones prácticas del ultrasonido no se han mate-

rializado.

Con las técnicas electromagnéticas, una o más de las propiedades magnéti-

cas de un material (tales como permeabilidad, magnetostricción, histéresis-

fierza coercitiva o movimiento de los dominios magnéticos durante lamagnetización), se pueden sensibilizar y correlacionar con el esfuerzo. Estas

técnicas, basadas en el cambio en propiedades magnéticas del material causa-

das por el esfuerzo, se conocen como efecto magnetoelástico y se aplican, pcr

tanto, a materiales ferromagnéticos tales como el acero.

IoBNrIpIcRctóN nÁpmA DE METALES y ALEACToNES

El aseguramiento de la calidad de artículos de uso doméstico, de subconjuntcry de conjuntos ensamblados, requiere algunas veces la disponibilidad de r.u

sistema confiable parala identificaciónrápida de los metales y de las aleacier

nes. En razón de que los metales se pueden mezclar durante su almacenamito o durante su uso y de que las longitudes de cintas, láminas, placas,

alambres y de productos fabricados pueden perder sus marcas de identifición, se hace necesario disponer de métodos de identificación de lotes

JI

clados. El mejor método de identificación de estos artículos es por anál

iucción a los ensayos no destructivos y a los métodos de inspección 57

tvalle-

útraso-

)SXSE

-a pro-

(400 ¡rdebido

por la

rasóni-

: basan

lerzos,

asóni-

e, pero

odelamate-

tgnéti-

éresis,

nte laEstas

causa-

tn, pof

juntos

de un

eacio-

unien-

)arras,

tifica-

'mez-rálisis

- s comunes para la identificación rápida de metalesi-\ r-rlss¡¿r, las propiedades magnéticas y el peso del.:a r el ensayo químico de gota.

incluyen

metal, el

t ¡¡.crr/ -. :':,.ti,e Evaluation and euality Control, Metals Handbook, gm ed., vol- - :'.1 ^:.:ernationa'1.

I

Inspecciónvisual

E¡ ¡u¿ =--:i.-a de Inspección No Destructiva que suministra un medio para

a--r -. :raminar varios defectos superficiales, tales como corrosión, con-Erü¡.--.,r.:- terminado de la superficie y discontinuidades superf,rciales. Es el

-ñ.§: :< rnspección más utilizado para detectar y examinar grietas en la

-L-_<=ez .-s;¡ffción se puede hacer a simple vista, sin ayuda de aumentos, o

- e *':zación de microscopios de interferenciapara medir la profundidad

-aÉa-. en el terminado de superficies finamente pulidas. El equipo usa-

- ¡ q;.rdar en la inspección visual incluye:

i:n-,: : opios. Tanto flexibles como rígidos, para iluminar y observar áreas

H¿s cerradas e inaccesibles.

-t---.-,-¿i de imagen. Utilizados como sensores remotos y para desarro-

-;r :egistros visuales permanentes en forma de fotografias, videocintas;

==bién imágenes mejoradas por computador.i-:=-z¿s de magnificación. Para evaluar terminado y formas de superfi-:s , calibración de perf,les y contornos), así como microestructuras dess::-:cie.i-:;: :olorantes de penetración o fluorescentes, y partículas magnéti-

--:, P:--a resaltar la observación de grietas de la superficie y, en algunasrr:ai.tr:]€S. cerca de la superficie en el caso de las inspecciones con par-:r.:-.:.-i ma_méticas.


Bonoscopros

Un boroscopio (f,rgura 4.1) es un

mina y permite la inspección de

cámaras de dificil acceso.

dispositivo óptico de forma tubular que ilu-superficies internas de tubos estrechos y de

Lentes oculares

(a)

Lentes oculares

Anillo paradioptrías

Manijas de controlde cuatro vías paraartlculación de punta

Guía para luz Cubierta protectora

Fuente de luz

Campo de..- vis¡ón \

Longitud oe *---**--ltrabajo

Conector para guíade luz

(manija interior)

Gufa para luzA la fuente

de luz(integral o separada)

Figura 4.1 Tres diseños típicos de boroscopios: a) boroscopio rígido con una lámparaen el extremo distal; b) boroscopio flexible con fuente de luz; c) boroscopio rígidó con

haz deluz en el eje. Referencia l.

(c)

Proyector para lámpara ¡g"''ffiE-- ru

Control de ControlEje de rotaciónpará pesquisa

orbital

,il

e ilu-iyde

Inspección visual 6l

= :-r:. que puede ser rígido o flexlble, de longitud y diámetro variables,r-r¡rñ=? -a conexión óptica requerida entre el extremo de visión y los lentes& :o<:'..' a la distancia de la punta del boroscopio. Hay tres formas de

-r; :.¡:ierión óptica:

-: :-:bo rígido, con una serie de lentes de relevo.- -: :-:bo normalmente flexible (también puede ser rígido), con un ma-:- : ie fibras ópticas.

¿ _-,,qen del sensor de imagen desde un dispositivo de acoplamientoE *sa (Coupled charge Device, ccD) hasta la distancia de la punta.

=s-: =3s diseños básicos del tubo pueden tener focos f,rjos o ajustables deFr- :. objetivo en la distancia de la punta. Esta punta distal tiene tam-

r --<=-i r espejos que def,rnen las direcciones y el campo de visión (figu-¿i. t]-eralmente se utilizan unaluz guia de ñbra ópticay una lámpara:r:r:i-'3 luz blanca para el sistema de iluminación, aunque también se

--r,.: luz ultravioleta para inspeccionar superficies que se tratan con

-:etrantes fluorescentes. Algunas veces se emplean diodos emiso-.- 'i::: la punta parala iluminación en videoscopios con longifudes de

--:'. trres de quince metros.

Figura 4.2 Direcciones típicas y campo de visión enboroscopios rígidos. Referencia l.

pm-De profundidad

;-'F+_é

ante Retrospectivo


Snr,sccróN

Los factores que influencian la selección de un boroscopio rígido o flexibi:para ttllizarlo en una aplicación específica son foco, iluminación, magni-

ficación, longitud de trabajo, dirección de la visión y medio ambiente.

Foco Y RESoLUCTóN

En general, la calidad óptica de un boroscopio rígido se incrementa a medic¿

que se aumenta el tamaño de los lentes. Por tanto, la mejor selección es u¡boroscopio con el tamaño más grande posible de los lentes. Para los fibroscopior

la resolución depende de la exactitud del alineamiento y del diámetro de ¡rfibra en el manejo de la imagen. Las fibras de diámetro pequeño suministrrmás resolución y contraste cuando se combinan con un buen alineamiento ülas fibras.

IruvrNrcróN

La intensidad requerida de la fuente deltz se determina por la reflectividadla superficie, por el área de la superficie que se va a iluminar y por las pérdi

de transmisión a través de la longitud del boroscopio. Para longitudes de

bajo mayores de seis metros, los boroscopios rígidos con una lámpara en

extremo distal suministran la máxima cantidad de iluminación sobre el á

más ancha. La iluminación con fibra óptica en boroscopios con longitudes

trabajo menores de seis metros es siempre más brillante y resulta apropi

para aplicaciones sensibles al calor, porque los filtros pueden iluminar r

frecuencias infrarroj as,

MacNmrcacróN Y cAMPo DE vrsróN

Estos parárnetros están interrelacionados: el campo de visión disminulemedida que aumenta la magnificación (los aumentos). La relación precisa e

magniflcación y campo de visión la especifica el fabricante. El grado

magnificación para una aplicación determinada se logra por el campo de r

sión y la distancia de los lentes del objetivo al objeto. La magnificación

lexibleI

hagni-

I

hedida

lesunpopios

Ddelal.htsffan

to del¡nt

i

had de

hotou,

la.,ru-fenet[el área

fdes o"

Spiada

ilF::::pron se

Inspección visual 63

cuando se reduce el campo de visión o cuando disminuye la dis-& ¡os lentes al objeto.

X:T DE TRABAJO

Faie dictaminar algunas veces la utllización de un tipo particular de

? Por ejemplo, un boroscopio rígido con una distancia grande de

F&i estar limitado por la necesidad de instalar soportes adicionales.los videoscopios permiten una mayor distancia de trabajo que los

DE LA vrsróN

fto':copios flexibles y los videoscopios son adecuados frecuentemente¡ g¡ punta artictlada, con punta de visión lateral o hacia delante. Las;:rcunferenciales y panorámicas se diseñan para inspeccionar tubos y

GÉnlturas cilíndricas. un espejo localizado en el centro permite la vi-m ángulo recto para visión panorámica.

E dezote de visión hacia delante permite inspeccionar el érea directa-h¡a delante del cabezote de visión. se emplea cuando se examinan

o t-ondos de huecos ciegos y cavidades.

L¡ =bezotes delanteros-oblicuos desvían la dirección de la visión en undel eje del boroscopio, lo cual permite la inspección de rincones al

&i r-.riñcio perforado. El cabezote de visión retrospectiva desvía el conow en ángulo retrospectivo al eje del boroscopio, suministrando una

{it{ área que pasa justamente delante del boroscopio. sirve saber todons+-cionar el cuello de cilindros y de botellas.

hroecopios flexibles y rígidos se pueden fabricar para resistir una varie-& ¡rnbientes. Aunque éstos pueden operar a temperaturas desde -34 has-

f t- algunos boroscopios diseñados especialmente pueden utilizarse a

--n'ras de 1.925 oc. Además, se pueden construir boroscopios para usarlos

--.rhos liquidos.

64 Fundamentos del anólisis defalla

Se requieren boroscopios especiales para utilizarlos a presiones por enci-ma de la presión ambiental y en atmósferas expuestas a radiaciones. Los

boroscopios que se usan en ambientes gaseosos deben construirse a prueba de

explosión.

ApuclcroNBs

Los boroscopios se emplean principalmente en programas de mantenimiento

de equipos, donde pueden ayudar a reducir o a eliminar la necesidad de para-

das costosas. Algunos tipos de equipos, tales como turbinas, tienen puertas de

acceso diseñadas especialmente para boroscopios. Los boroscopios suminis-

tran medios para verificar en servicio defectos en varios equipos, tales como

componentes automotores, turbinas y tuberías de procesos.

SpNsonns óprrcos

Laluz que puede detectarse a simple vista y con sensores ópticos tiene algu-

nas ventajas sobre los métodos de inspección basados en radiación nuclear, de

microondas y ultrasónica. Por ejemplo, una de las ventajas delaluz visible es

su capacidad de enfocar el haz de prueba sobre la superficie de inspecciónPuede resultar una resolución altamente especial de este enfoque definido. Io

cual es útil en aplicaciones de calibración y perfilado.

Los tipos de sensores de imagen empleados en inspección visual incluyer

1. Tubos de televisión de videcon o plumbicon

2. Videcones de Acoplamiento Secundario de Electrones (SEC)

3. Orticones de imagen e isocones de imagen.

4. Dispositivos de sensores de acoplamiento de carga.

5. Placas holográficas.

Las cámaras de televisión con tubos videcon son útiles en niveles altos

luz (aproximadamente 0,2 ]l¡ulrfi), mientras que los orticones, los isocone--

los SEC son útiles en niveles de iluminación menores.

Los dispositivos de acoplamiento de carga son apropiados para emp

en muchas aplicaciones en procesamiento de información, como sensor

imagen en la tecnología de cámara de televisión. Los dispositivos de acop

enci-

Los

de

to

para-

de

altos de

v

de

acopla-

Inspección visual 65

son mejores que los sensores de imagen de fubo de vacío porde su tecnología de estado sólido, su operación a bajos voltajes,

de potencia, su amplio intervalo dinámico, su respuesta a lay al cercano infrarrojo, y su reproducibilidad geométrica de la loca-

- h imagen.

de la imagen (o retroalimentación visual en sistemas de robots)h milización de ccs como sensor óptico o el empleo de señal de

$¡e se convierten en forma digital.as(res ópticos se usan también en aplicaciones de inspección que no

imágenes. Sin embargo, en algunas aplicaciones las fuentes de luzson muy efectivas en aplicaciones de inspecciones sin imagen

sensores ópticos.

DE MAGNIFICACIÓN

de magnificación se ntilizan en calibración de referencia visual.hs tolerancias son muy estrechas para determinarras al ojo, se usan

ópticos o los microscopios para lograr magniflcaciones que5a500X.nicroscopio para hacer herramientas consta de un microscopio monta-

una base que soporta una mesa ajustable, un mecanismo de transpor-h mesa y una iluminación suplementaria. varios lentes de objetivo su-

el intervalo de magnificación que va de 10 a20OX.

OPTICOS

-spositivos de magnificación que proyectan la silueta de piezas peque-

'ma pantalla grande. La silueta aumentada se coteja luego contra unade comparación óptica,la cual es un dibujo o plano aumentado de la

(Pe se va a callbrar. Los comparadores ópticos están disponibles conque van desde 5 hasta 500 X.

Ls piezas que poseen contornos con nichos se pueden calibrar tambiénen comparadores ópticos que utilizan un pantógrafo. Un brazo

¡mtografo es una aguja que traza el contomo del hueco de la pieza y el


otro brazo transporta un seguidor que es visible en la trayectoria de la luz. Amedida que la aguja se mueve, el seguidor proyecta un contorno sobre la pan-

talla.

RrrnnnNcu

1. Non Destructive Evaluation and Quality Control, Metals Handbook,9ft ed., vol17, ASM International.

uz. Apan-

ú... vol.

Inspección con líquidospenetrantes

ai- =. -- :.etodo no destructivo, utilizado para encontrar discontinuidades

!i¡.--: :- : superflcie de un sólido, sobre todo en materiales no porosos. Las!'.:-_* -=. üe los defectos se pueden encontrar independientemente de su

E-' :: :- conflguración, de la estructura interna y de la composición quitr- --: : :.eza de trabajo, así como también de la orientación del defecto.-i,= :- :,,s pueden penetrar dentro de varios tipos de aberfuras diminutasc '-.:=:-..:ie. tan finas como 0,1pm a4¡tm de espesor, por acción de capila-E: : : :::ro. el proceso es apropiado para detectar todos los tipos de grie-& .-t=- :,ries. juntas, porosidad, rechupe, laminaciones y discontinuidades'- -::, S: emplea ampliamente para inspeccionar metales ferrosos y noF'- : :r r,,rrrriá de productos trabajados, o en productos fundidos, en piezasE r= ---_:..l de polvos, en objetos cerámicos, plásticos y de vidrio.

: -: :.. de inspección por líquidos penetrantes es relativamente flácil de

!=---:-- - -;.r QUe existen pocas limitaciones de material y de geometría y es

- :.-: El equipo es muy simple y la inspección se puede rcalizar en

r': : jr3S en la manufactura de una pieza, y también después de que la'- >: :. ¡uesto en servicio. Se requiere relativamente poco entrenamiento

:- ' -'¡r--r poro efectuar la inspección. En algunos casos, la sensibilidadE : - : ie penetración es mayor en aceros ferromagnéticos que la inspec-

=Ér :, - :.rículas magnéticas.. r-.-,:lpal limitación de la inspección por líquidos penetrantes es que

-- -:-;J¡ar únicamente imperfecciones abiertas en la superf,rcie. Se deben

.c.. -' - :: ¡s métodos para hallar defectos y discontinuidades por debajo de la

--- - : otro factor que puede inhibir la efectividad de la inspección por1-- - : :-letrantes es la rugosidad de la superficie del objeto. Las superfi-

D


cies extremadamente rugosas y porosas son propensas a producir indicaciones

falsas.

Aunque el método de inspección por 1íquidos penetrantes se utiliza cor

frecuencia para inspeccionar algunos tipos de piezas de metalurgia de polvos-

el proceso generalmente no es el más apropiado para inspeccionar piezas de

metalurgia de polvos de baja densidad, porque el penetrante entra en los poros

y regisfia cada poro como un defecto.

PmNcrpros rÍslcos

La inspección por líquido penetrante depende principalmente de la habilidai

del líquido para humectar la superficie de lapieza o de la muesÍa, para flurr

sobre la superficie para formar una películarazonablemente uniforme y pars

migrar dentro de la cavidad abierta de la superficie. Las cavidades de intere*t

son generalmente tan pequeñas, que con frecuencia no se pueden observar ¡

sirnple vista. La habilidad de un líquido determinado para fluir sobre la super-

ficie y de penetrar en las cavidades de la superficie depende en especial de:

l. La limpi eza de la superflcie.

2. La configuración de la cavidad.

3. El tamaño de la cavidad.

4. La tensión superficial del líquido.

5. La habilidad del líquido para humectar la superficie.

Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido causan tenstcl

superficial. Un ejemplo de la influencia de la tensión de la superficie es

tendencia de un líquido libre, tal como gota de agua, a contraerse en forma

esfera. En una gota,latensión superficial está conkabalanceada por la pres

hidrostática interna del líquido. Cuando el líquido se pone en contacto con

superficie sólida, lafaerzacohesiva responsable de la tensión superficial

pite con lafircrza de adhesión entre las moléculas del líquido y la supe

del sólido. Estas fuerzas asociadas determinan el ángulo de contacto entre

líquido y la superficie. Si el ángulo es menos de 90o, el líquido tiene

habilidad para humectar.

)lones

2 COn

olvos,

zas de

poros

bilidad

n fluiry pata

interés

efvar a

super-

al de:

tensiónI

ie es la

rma de

PreslonDOn Una

al com-

nerficierentre elt

¡ buenai

i

Inspección con líquidos penetrantes 69

DEL PROCESO

.:emente del tipo de penetrante que se utilice y de otras variacio-a i :-.r-eso básico, la inspección con líquidos penetrantes requiere por

;jlco etapas esenciales:

Itgaración de la superficie. Todas las superficies de la pieza de trabajo1-'* que limpiarse completamente y secarse muy bien antes de la inspec-

s:c I ¡s discontinuidades expuestas en la superficie deben estar libres de

l=li- de agua y de otros contaminantes, por 1o menos 25 mmmás allá del

r€a .Tle se va a inspeccionar para aumentar la probabilidad de detección.

-f¡Icación del penetrante. Se aplica el líquido penetrante de manera

4r+eiada para formar una película del penetrante sobre la superficie

fr.r ,t-r menos 13 mm más allá del área que se va a inspeccionar. Se deja

= :quido sobre la superficie por un tiempo suficiente para que penetre

= ..s defectos. Este tiempo está basado en la experiencia. Seguidamen-

E s riuesffan algunos tiempos típicos para diferentes materiales y tipos

¡: &ttctos (tabla 5.1).

Tabla 5.1Tiempos típicos de penetración para un penetrante coloreado

-¡.rficie bajo examen Tipo de defecto Tiempo de

penetración

(min)

Grietas de tratamiento térmico 2

en aluminioen acero

l:r.}]as

a preslon

en molde permanente

- --arburo para corte de metal;¡s de corte

RectificadoGrietasGrietasPorosidadGrietas yGrietas yGrietasPlieguesCosturasPorosidad superficialPliegues fríosPorosidad por rechupeBronce pobre

Grietas en acero

Grietas en la punta

porosporos

10

10

2-52-5

t0-20t0-20

2020

10-203-10

l0-203-102t02-t02-t0

::s tiempos deben determinarse experimentalmente en cada caso. Referencia l.

70 Fundamentos del análisis defaÜa

Remover el exceso de penetrante. La remoción uniforme del exceso

de penetrante es necesaria para una inspección efectiva, pero debe evi-

tarse la limpieza excesiva. Los penetrantes pueden lavarse utilizandoprimero agua, que se trata previamente con emulsificador y luego lava-

do con agua, o removerlos usando un solvente.

Aplicación del desarrollador. El desarrollador puede aplicarse en for-

ma de polvo (polvo seco), por inmersión y en spray (desarrolladores ec

agüa).El desarrollador ha de permanecer sobre la superficie durante urtiempo suficiente (diez minutos, como mínimo) para permitir que ex-

traiga el penetrante de los defectos de la superficie, con el fin de que

forme indicaciones de estos defectos. Para grietas estrechas pueder

requerirse tiempos más largos. El desarrollador suministra también urtrasfondo uniforme para ayrdar en la inspección visual.

Inspección. Después de tener un desarrollo suficiente, se examina l:superficie visualmente para detectar las indicaciones de la extraccicr

del penetrante de las aberturas de la superficie. Este examen ha de rea.

lizarse en un ambiente de inspección apropiado. La inspección visibi.:

del penetrante se realiza con luz blanca de buena calidad. Cuando sutilizan penetrantes fluorescentes, la inspección se efectúa en un árer

oscura apropiada utilizando l:uz negra (ultravioleta), la cual hace que dpenetrante emitaluz visible. En la figura 5.1 se muestran el penetrante ¡el desarrollador.

Srsrnlras DE PENETRACTóN

Las aplicaciones con inspección de líquidos penetrantes se han desarrol

para manejar una amplia variación en tres sistemas básicos de penetra

Éstos se clasifican en general en: a) sistemas de lavado con agua; b) si

posemulsionables; c) sistemas de remoción con solventes.

Srsruuas DE LAVADo coN AGUA DEL pENETRANTE

Están diseñados de tal manera que el penetrante se lava directamente de

superficie con agua. Se pueden utilizar para procesar piezas de trabajo ráp

exceso

be evi-'uando

o lava-

en for-

Dres en

tnte un

lue ex-

de que

pueden

¡ién un

nina la

racción

de rea-

visible

rndo se

un área

I que el

trante y

nollado

ttrantes.

ristemas

úe de la

o rápida


. No obstante, es impofante controlar el lavado con cuidado,rs fenetrantes de lavado con agua son sensibles al lavado en exceso.

-Ehra v la velocidad de la remoción dependen de las condiciones deli¡r-<iLl tales como las características de la pistola de aspersión, de la

3sua y de la temperatwa, de la duración del ciclo de lavado, de las

de la superficie de trabajo y de las características del penetrante

5-l -\cciones del penetrante y del desarrollador. a) El líquido penetra dentro deálena por acción de capilaridad. b) El exceso de penetrante en la superficie

! -¡e\

e por frotado con bayetilla, por lavado con agua, tratándolo con un

-si:¿dor o removiéndolo con un solvente. c) Se aplica el desarrollador en la

xra absorber el penetrante líquido que está dentro de la grieta para formarr o-acrón de la grieta superficial. Al penetrante líquido se le ha agregado un

-a :¡n compuesto fluorescente. Dependiendo de la cantidad de penetrante querca ei desarrollador, el ancho de la grieta puede parecer cien veces más grande

de su tamaño real. Referencia 1.

...*- ' offi'",


Srsrsua PosEMULSIoNABLE

Los penetrantes de alta sensibilidad que no son solubles en agua se utilizar

para asegurar la detección de defectos diminutos en algunos materiales. Comt'

no son solubles en agua, el peligro de retirarlos fuera de los defectos se redt¡'

ce. Estos penetrantes requieren una operación adicional en el proceso de in-i-

pección. Se debe aplicar un emulsif,tcador después de la aplicación del pene-

trante y después del tiempo de penetración. El emulsificador hace que el pen*

trante sea soluble en agua, de tal forma que el exceso de penetrante se puedr

remover por lavado con agua. Por tanto, el tiempo de emulsificación debc

controlarse cuidadosamente, de modo que el penetrante en la superficie s¿r

soluble en agua pero no el penetrante dentro de los defectos. Los penetrantes

posemulsificables incluyen los lipofilicos (de base aceite) y los hidrofílic,r

(de base agua).

SrsrpIr¿a DE REMocIóN poR SoLVENTES

En ocasiones es necesario inspeccionar sólo un área pequeña de la pieza

inspeccionat urfia pieza en su sitio en lugar de una estación regular de im'pección. En estas situaciones, se utilizan los penetrantes de remocrón

solventes. Normalmente, el mismo tipo de solvente se emplea para

prelimpieza y para remover el exceso de penetrante. Este proceso de

trante es conveniente y amplía el intervalo de aplicaciones de la inspecc

por penetrantes.

Los penetrantes de remoción por solventes tienen una base de

remoción óptima del solvente se hace eliminando la mayor parte del

te que sea posible con una toalla apropiada o con una bayetilla libre de pe

y luego mojando ligeramente la toalla limpia con solvente y frotando

remover el penetrante remanente. Finalmente, hay que frotar con una toalla

papel seco o con bayetilla limpia.

El penetrante puede removerse también echándole solvente a la su

ficie, en la misma forma que con los penetrantes solubles en agua. La

nica de solvente es particularmente útil para piezas grandes, pero

utilizarse con cuidado para prevenir la remoción del penetrante de los

fectos.

o

lns-

pof

Ia

pene-

ton

lusa,

para

de

super-

téc-

debe

los de-

Inspeccién con líquidos penetrantes 73

& remoción por solvente se utiliza principalmente en aplicacio-

m es práctico para aplicaciones de producción porque requie-

ü extensiva.

PARA DETECCIÓN POR LÍQUIDOS PENETRANTES

de líquidos penehantes: fluorescentes y visibles. Cada tipopa cada uno de los tres sistemas (de lavado con agua, pos-

y de remoción por solvente).

ión por líquidos fluorescentes se utilizan líquidos penekantes

cm brillo bajo luz ultravioleta. La sensibilidad de un penetran-

depende de su habilidad para formar indicaciones que parez-

frerrtes dehv en un área oscura. Los niveles de sensibilidad de

tuescentes son ultrabajo (nivel Y),bajo (nivel 1), alto (nivel 4)

5).

ifo con penetrantes visibles utiliza un penetrante que normal-

y que produce indicaciones de color rojo vivo que contrastan

Uúco del desarrollador aplicado bajo la iuz visible. Estas indi-

observarse bajo luz blanca adectada. La sensibilidad de los

se conoce como nivel 1 y es adecuada para muchas apli-

it An penetrante y su uso dependen de Iá'calidad de la inspec-

ión de la superficie de trabajo, del tipo de procesamiento y

deseada.

IE LAVADO EN AGUA

rsmoyer el exceso de penetrante supe(f,cial aon agua directa-

del tiempo de penetración adecuado. El emulsificador está in-

cl penetrante de lavado con agua. Cuando se utiliza este tipo de

c¡ muy importante que se controle adecuadamente la remoción

penetrante de la superficie para impedir el sobrelavado, el cual

el penetrante dentro de 1os defectos.


PBNBTRaNTES PoSEMULSIFICANTES LIPoFÍLICoS E HIDRoFÍLICoS

Son insolubles en agray, por tanto, no son removibles por lavado con agua.

Se diseñan para removerlos selectivamente de la superficie utilizando un

emulsificador separado. La aplicación adecuada del emulsificador, y por el

tiempo adecuado, se combina con el exceso de penetrante de la superficie.para formar unamezcla lavable con agua y pararemoverlo de la superficie. Elpenetrante que pefinanece dentro de los defectos no está sujeto a sobrelavado.

si el emulsificador está confinado a la superficie y cuando la discontinuidadestá cerrada.

PENnTRRNTES REMoVIBLES PoR SoLVENTE

Se utilizan principalmente cuando se requiere portación y para inspeccionráreas localizadas. Con el fin de minimizar la posibilidad de remover el pene-

trante de las discontinuidades, se debe evitar lartllización de cantidades exce-

sivas de solvente.

CANacTBÚSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS

Los penetrantes fluorescentes y visibles, de lavado con agua, pcsemulsificables

o los de remoción por solvente, deben tener cieftas características físicas pa.n

cumplir adecuadamente sus funciones. Los principales requerimientos de irxpenetrantes son:

1. Estabilidad química y consistencia fisica uniforme.2. Un punto encendido (flash point) no menor de 95 oC, pues los que F

nen puntos de encendido menores constituyen un peligro potencia- ,rincendio.

3. Alto grado de humectabilidad.

4. Baja viscosidad, para permitir mejor cobertura y minimizar el núde pérdidas.

5. Habilidad para penetrar rápidamente las discontinuidades y en

completa.

6. Brillantez suficiente y permanencia de color.

gua.

Dun

»r el

Ecie,

b. ElI

lado,


Z hcia química con los materiales que se están inspeccionando y con

Ls reipientes.

a Ba3a toricidadpara proteger al personal.

t- Sa:ado lento.

L Fril remoción.

IL O§or inofensivo.

E- Bqo costo.

Resistencia ala luz ultravioletay a la degradación por calor.

.{DORES

iticadores son líquidos utilizados para poder lavar con agua el exce-

Fetrante aceitoso de la superficie. Pueden ser de base aceite o de base

cmulsif,rcadores de base aceite funcionan por difusión. El emulsificador

dentro de la película del penetrante y 1o vuelve soluble espontánea-

.n asua. La tasa ala ctal se difunde dentro del penetrante detetmtna su

de emulsificación. Debido a que el emulsificador actaaconrapidez,la

rn de lavado se ha de hacer velozmente para evitar sobreemulsificación.

I¡ emulsificadores de base agua se suministran generalmente como líqui-

anrnUados, los cuales se diluyen en agua en concentraciones del 5 al

¡ra aplicaciones de inmersión en tanques y del 0,05 al5%o paru aplica-

por aspersión. Funcionan por desplazamiento del exceso de penetrante

q fisig delapiezapor acción detergente. Lafuetza del chorro de agua

-iáción con aire de los tanques abiertos suministran la acción de lavado,

irx el detergente desplaza el exceso de penetrante de la superficie.

DE SOLVENTE

@iadores de solvente difieren de los emulsificadores en que remueven

ctso de penetrante de la superficie a través de la acción directa del sol-

El penetrante se disuelve por el Solvente. Los limpiadores de solvente

¡ -f,am¿bles y no inflamables. Los primeros no tienen halógenos pero re-

r-¡!*Em peligro de incendio, mientras que los segundos contienen por 1o

pata


regular solventes halogenados, los cuales los hacen inapropiados para algunas

aplicaciones, debido generalmente a su alta toxicidad o porque son indesea-

bles por los efectos que tienen sobre algunos materiales.

DrsrnnoLLADoRES

A causa de que el penetrante que emerge desde una pequeña abertura en la

superficie es diminuto, la evidencia visual de su presencia debe resaltarse. Los

desarrolladores se utilizanparu esparcir el penetrante disponible en el defecto.

para incrementar por tanto la cantidad de luz emitida o la cantidad de contras-

te que haga el defecto visible para el ojo.

Los desarrolladores deben tener las siguientes propiedades y característi-

cas para funcionalidad óptima:

1. Debe absorberse para maximizar la mancha.

2. Debe tener un tamaño de grano fino y una forma de partícula para dis-

persar y exponer el penetrante dentro de un defecto,para producir indi-

caciones fuertes y bien definidas del defecto.

3. Debe ser capaz de suministrar un trasfondo de contraste para las indica-

ciones cuando se utilicen penetrantes coloreados de contraste.

4. Debe ser facil de aplicar.

5. Debe formar una película delgada y uniforme sobre la superficie.

6. Debe ser fácilmente humectable por el penekante en el defecto (el li-

quido debe permitir que se esparza sobre las superficies de las partícu

Ias).

7. No debe ser fluorescente cuando se utiliza conpenetrantes fluorescentes

8. Debe ser fácil de remover después de la inspección.

9. No debe contener ingredientes perjudiciales para las piezas de inspec-

ción ni para el equipo utilizado en la operación de inspección.

10. No debe contener ingredientes perjudiciales o tóxicos para el operador.

Cuatro formas de desarrolladores se utilizan comúnmente: polvo seco (for-

ma A), soluble en agua (forma B), suspendible en agua (forma C) y suspendible

en solvente (forma D).

en la

Inspe:cción con líquidos penetrantes 77

SECOS

de polvo seco se utllizan ampliamente con penetrantes

pero no se pueden usar con colorantes de luz visible porque no

satisfactorio en la superficie de habajo. Éstos deben ser

para permitir aplicación fácrl,y adherirse a superficies secas

peHcula fna. La adherencia del polvo no deberá ser excesiva,

de penetrante en las grietas finas es insuficiente para salir

fina. Para propósitos de almacenamiento, manejo y aplicación

n deberán ser higroscópicos y tendrán que pelmanecer secos. La

ita su habilidad para fluir porque se aglomeran.

y rcmoción

¡rocesamiento manual incluye generalmente una estación para

en un tanque abierto. Las piezas se sumergen dentro del pol-

se recoge con una cuchara o con las manos y se vacía sobre la

de polvo se remueve por agitación o golpeando ligeramente la

ién se pueden aplicar con pistolas de aspersión o con pistola

Los operarios tendrán que usar guantes de caucho y respiradores.

modernos incluyen un sistema de exhosto.

uÚtvtEpos

suspensiones del polvo desarrollador en agua (el más utlliza'

ílcuosas de sales apropiadas y suspensiones de polvo en sol-

suspendibles en agua permiten altas velocidades de

lr inspección de piezas pequeñas y se deben aplicar inmediata-

de que se lave el exceso de penetrante y antes del secado.

se suministran como concenffado de polvo seco para diluir-

recomendadas (de 0,04 a0,l2kg/litro). Se debe man-

cuidadosa. Mucho o poco desarrollador sobre la superficie de

afectar seriamente la sensibilidad.

-r


DBsannorrADoRES soLUBLES EN AGUA

Se pueden ttihzar penetrantes fluorescentes y visibles posemulsionables. Nose recomienda usarlos con penetrantes de lavado con agua por la posibilidadde lavar los penetrantes dentro de los defectos cuando el desarrollador no se

controla adecuadamente. Se suministran como polvo seco concentrado para

dispersar en agua en las proporciones recomendadas, por lo general de 0,r2 a

0,24 kg por litro. Las ventajas de estos desarrolladores son:

1. El baño preparado es completamente soluble y no requiere agitación.2. El desarrollador se aplica antes de secar, disminuyendo el tiempo de

desar:rollo.

3. La película del desarrollador seco sobre la pieza es completamente so-

luble en agüay se remueve con facilidad con agua después de la inspec-

ción.

DBsannonADoRES No ACUosos suspENDtBLES EN soLVENTE

Se emplean en los procesos de penetrantes fluorescentes y visibles. Esta for-ma de desarrollador produce una película blanca sobre la superficie de la pie-za,la oual da la máxima indicación de color de contraste blanco con el rojo del

penetrante y genera indicaciones fluorescentes muy brillantes.Los desamolladores suspendibles de solvente no poroso se suministran lis-

tos para su utilización y contienen las partículas del desarrollador suspendi-

das en wa mezcla de solventes volátiles. Estos solventes se seleccionancuidadosamente para compatibilidad con el penetrante. También contienensurfactantes en un dispersante que reviste las partículas y reduce su propen-

sión a aglomerarse.

Esta forma de desarrollador es la más sensitiva cuando se usa con pene-

trantes fluorescentes porque la acción del solvente contribuye a la adsorción 1

a sus mecanismos. En muchos casos en los cuales hay grietas muy estrechas ¡pequeñas, el polvo seco, y los desarrolladores solubles en agua y suspendibles

en agua, no hacen contacto con el penetrante entrapado, lo cual resulta en la

falla del desarrollador para qear la acción capilar y la tensión superficial para

sacar el penetrante de la falla.

.Nolidad

to se

pafa

,12 a

ión.

rcde

le so-

§pec-

E for-

la pie-

rjo del

an lis-

pendi-

cionan

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ropen-

l pene-

rción y

echas y

ndibles

henlaial para


E - roiiador de solvente suspendible no acuoso entra en el defecto y se

.-=o del penetrante. Esta acción aumenta el volumen y reduce la

iel penetrante.

ft .rs:ipos de desarrolladores basados en solventes: no inflamables (sol-

;cr:ados) e inflamables (solventes no clorinados). Ambos tipos se

r:iramente. La selección se basa en la naturaleza de la aplicación y

i :ru ie aleación que se vaya a inspeccionar. La aplicación de estos

se hace por pistola de aspersión.

fEL DESARROLLADOR

: ie que los desarrolladores cumplen un papel importante en la ins-

:e penetrantes, resulta fundamental seleccionar el desarrollador para

-:'rado trabajo, Por ejemplo, en superficies muy planas o pulidas, el

:B-.a Do se adhiere de manera satisfactoria y los desarrolladores húme-

t¡r'. :rn trabajo mejor. Inversamente, en superficies muy rugosas el pol-

- = mucho más efectivo.

h s.eccionar el desarrollador hay que seguir estas reglas generales:

- - s* un desarrollador húmedo en lugar de uno seco en superficies muy

'=¡lear un desarrollador seco en superficies muy rugosas.

- jiza desarrolladores húmedos para la inspección de alta producción

ie piezas pequeñas por su mejor facilidad de aplicación y velocidad de

-<!1-l-er cuidado al usar desarrolladores húmedos donde existan filetes

-:dos. porque allí se acumula el desarrollador que puede enmascarar

,:-¡ indicaciones de los defectos.

I .x desarrolladores de solvente son efectivos para revelar grietas finas

1 profundas, pero no son satisfactorios para defectos anchos y poco pro-

:::ldos.

i.i limpieza y la inspección de las superficies rugosas son dificiles cuando

s ha utilizado un desarrollador húmedo en inspecciones previas.

= ssarrollador no produce indicaciones sino que absorbe simplemente el

-E-te que está presente en los defectos y lo hace más visible.

-

B0 Fundamenfos del análisis de falla

RnqunrunuENTos DE Eeurpo

con excepción de la fuente de ltz ultravioleta (luz negra) para uso con pene-

trantes fluorescentes, no hay equipos especiales que sean absolutamente esen-

ciales para la inspección con líquidos penetrantes. Una inspección efectiva se

puede rcalizar con equipos mínimos relativamente simples, pero este métodose debe considerar sólo cuando: a) No se tienen muchas piezas. b) se van ainspeccionar regiones específicas de piezas grandes. c) No se requiere sensi-

bilidad máxima. d) La inspección debe realizarse en el campo.

Por tanto, la mayor parte de las inspecciones con líquido penetrante se hace

con equipos diseñados específicamente para un fin concreto.

Se dispone de varios equipos o "unidades de paquete", las cuales incorpo-ran todas las estaciones y controles necesarios, especialmente cuando se van ainspeccionar piezas pequeñas de varias formas y tamaños. A continuación se

muestra una unidad de paquete para un sistema de penetrante fluorescentelavable con agua.

Estación 1

Aplicación delpenetrante

Estación 4lnspección conluz ultravioleta

Estación 3Lavado

con agua

Estación 2Escurrido

Estación 5SecadoEstación 6

líquido

Tabloidede control

Figura 5.2 Equipo típico de siete estaciones para inspección de piezas que utiliza unsistema de penetración fluorescente de lavado con agua. Referencia 1.


*ma estiá diseñado para procesar un flujo constante de piezas que

a través de siete estaciones: aplicación del penetrante, drenaje del

- penetrante, lavado con agua, inspección bajo fuz ultravioleta para

d hvado completo, secado, aplicación del desarrollador e inspec-

con lámpara ultravioleta para detección de los defectos. La unidad

estaciones par a la limpieza preliminar ni p ar a po slimpieza, las cua-

en áreas separadas. Este equipo está disponible en varios tama-

- pede modificar para requerimientos específicos. El tamaño de las

y h forma son los factores que influyen en la selección del equipo. Alh se mueska el arreglo utilizado en una fundición para procesar

(figura 5.3).

5.3 Arreglo del equipo utilizado en una fundición parala inspección de gran& piezas fundidas de especificaciones rígidas. Las piezas se mueven con polea

diferencial y transportadoras de rodillos. Referencia 1.

de las piezas es absolutamente indispensable en la inspección por

Peaefantes para obtener resultados exactos. La remoción inadecuada

outaminantes de la superficie puede resultar en indicaciones erróneas

82 Fundamentos del análisis de fallo

1. El penetrante no entra en el defecto.

2. El penetrante pierde su habilidad para revelar el defecto porque reaccio-

na con el contaminante contenido en é1.

3. La superficie adyacente al defecto retiene demasiado penetrante, lo cual

enmascara la verdadera apariencia del defecto.

Los métodos de limpieza se clasifican en general en métodos químicos,

mecánicos, con solventes y combinaciones de estos procedimientos.

Los métodos más comunes de limpieza y sus principales usos se resumen

seguidamente (tabla 5 .2):

Tabla 5.2

Aplicaciones de los diferentes métodos de prelimpieza para inspecciónpor líquidos penetrantes

Método Uso

1. Mecánico

. Granallado en tambor

. Chorro abrasivo de metal

. Abrasivo de chorro húmedo

. Cepillo de alambre

. Alta presión de agua y vapor

Remueve costra ligera, rebabas, fundente de soldadu-

ra. Óxido, material de fusión y de corazones. No debe

utilizarse en metales suaves como aluminio, magnesio

y titanio.

Remoción de costra gruesa y ligera, firndente, óxido.

material de moldeo y de corazones, pintura y depósi-

tos de carbono, en general cualquier depósito desme-

nuzable. Puede trabajarse en portátil o en frjo.

Lo mismo que para el seco, excepto cuando los depo

sitos son ligeros; se requiere mejor control de dimen-

siones.

Remoción de costras ligeras, fundente.

Se usa normalmente con detergente alcalino o limpia-

dor. Remoción de contaminantes de taller como acei-

te de corte, compuestos de pulido, grasa, viruta y de-

pósitos de maquinaria de descarga eléctrica. Se utiliza

cuando se deben mantener las dimensiones. Barato.

Se usa normalmente con detergente y agua o con ur

solvente. Remoción de contaminantes de taller par:

grandes cantidades de piezas pequeñas.

. Limpieza ultrasónica

0-

ral

DS,

leNi

¡du-

leb€

Esio

údo,

Éri-Fe-I

Fp"Pen-iI

FPiu-ircei-¡

I de-i

liliza

F.h""lpu*i

sal fundida

am vapor

mhente


Remueve oxidación, costra, aceites, grasas, material

de pulido y depósitos de carbón. Se utiliza para artícu-

los grandes en los que los métodos manuales son muy

exigentes en mano de obra. También se emplea en alu-

minio para remover costras superficiales.

Soluciones fuertes para remover costra gruesa, solu-

ciones para costra ligera, ataque débil, soluciones para

remover manchas en metal.

Acondicionamiento y remoción de costra gruesa.

Remoción de aceite de mecanizado y grasa. General-

mente se emplean solventes clorinados. No es apro-

piado para titanio.

Lo mismo que el vapor de solvente para desengrasar,

excepto que es una operación manual. Se pueden em-

plear solventes no clorinados. Se usa para limpieza de

bajo volumen.

DEL SISTEMA PENETRANTE

[r f,mma y el peso de las piezas, como también el número de piezas

¡ra inspección, pueden influenciar la selección del sistema de pe-

Y COSTO

de sensibilidad y el costo son generalmente los factores

al seleccionar un sistema. Los métodos más sensibles son

b rnás costosos. Hay muchas operaciones de inspección que re-

máxima sensibilidad, pero también hay otras en las cuales no se

rcha sensibilidad pero que pueden producir resultados equrvo-


En una base práctica, los tres sistemas de penetrante principales se clasifi-can en seis sistemas o variaciones de sistemas. Los seis sistemas en orden de

sensibilidad decreciente y de costo decreciente son:

1. Fluorescente posemulsif,rcable.

2. Fluorescente removible con solvente.

3. Fluorescente lavable con agua.

4. Visible posemulsificable.

5. Visible de remoción con solvente.

6. Visible de lavado con agua.

A continuación se comparan las sensibilidades y los usos de estos seis sis-

temas (tabla 5.3).

Tabla 5.3

Comparación de sistemas penetrantes

Lavables con agua Posemulsificables De remoción en solvente. Tintas penetrantes visibles.La más baja sensibilidad.

. Apropiados para áreas de

superficies grandes.

Mayor sensibilidad que loslavables con agua.

Apropiado para áreas grandesy para cantidades grandes depiezas similares.

Cuando el lavado con agua

no es posible o deseable.

Para inspección específica.Recomendado para áreas

pequeñas y geometrías

simples.

PENETRANTES FLUORESCENTES

. Menor sensibilidadde los penetrantesfluorescentes.

. Apropiado para áreas degran superficie.

. Apropiado para grandes

cantidades de piezas

similares.'. Apropiado para

discontinuidades estrechasy profundas.

.- Recomendado parasuperficies rugosas

(piezas fundidas en arena)

lavables con agua.

Apropiado para grandes

cantidades de piezas similares.

Adecuado para defectosanchos y poco profundos ygrietas poco anchas.

Los contaminantes debenremoverse antes de lainspección.

Apropiado para grietas poresfuerzos, intergranulares yde rectificado.

de remoción por solvente.Visibles.

Donde el lavado con agBa

no es posible o no deseable

Para inspección por gota.

Recomendado para áreas

pequeñas y geometríassimples.

Mayor sensibilidad que los Mayor sensibilidad que los

Referencia 1

úfi-

tde


Itr razones ambientales, los sistemas penetrantes de lavado con agua se

-ia uulizar aunque el sistema de solvente sea preferible.

tcrrc-.rs coN Eeurpos roRTÁTTLES

L ir ms-pección con líquidos penetrantes los materiales para el ensayo pue-

Esrarse al sitio de trabajo, cuando las piezas no pueden llevarse aI ítrea de

rn. La inspección portátil de penetrante por el sistema de remoción

:nir-Ente se utiliza extensamente para revisar puntos de soldadura en las

solo interesa inspeccionar áreas limitadas y en las cuales la inmersión

i ¡ie la soldadura no es práctica. En general, los métodos y los procedi-

rc utilizados con equipos portátiles son esencialmente los mismos usa-

csn la inmersión f,rja.

O CO\JIJNTOS PORTATILES

dtsponibles equipos para inspección fluorescente y visible por el siste-

& rmoción por solvente. Los tres componentes: limpiador, penehante y

, se empacan en recipientes de volumen y en tarros de aspersión

). La selección entre atomización y frotado depende del tipo y del

del defecto, del tamaño del área de ensayo y del grado de prelimpieza

- ¡slrmpi eza qlre se vaya a realizar . La limpieza y la remoción del pene-

- realizan con bayetillas libres de hilazas y con toallas de papel.

=IC.\CIONES Y NORMAS

* práctico establecer ningún tipo de normatividad universal debido a larariedad de componentes y de conjuntos sometidos a inspección por

tes. a las diferencias en los tipos de discontinuidades comunes a

i a las diferencias en el grado de integridad requerido. Generalmente

L ¿srndares de calidad para los tipos de discontinuidades reportados por

ry----ión con penetrantes se establecen por uno o más de los siguientes

--ürs.

Iteagua

le.

ülca.

¡as

¡

SIS-

"*Ft.'

¡gua

eable.

pta.

bas

§i

I


1. Adopción de estándares que se han utilizado con éxito para piezas simi-

lares.

2. Evaluación de los resultados de la inspección de penetrantes por exa-

men no destructivo.

3. Análisis experimental y teórico de esfuerzos.

EspBcrrrcecroNES

Una especificación es un documento que delinea en forma típica el diseño ylos requisitos de funcionalidad. La especificación deberá incluir los métodos

de inspección y los requerimientos basados en el procedimiento de inspección

y de ensayo, pero esto es dificil con la inspección de penetrantes, porque la

terminologíaparatrabajar con especificaciones de calidad es a menudo ambi-

gua en este campo.

Las especificaciones aplicables a la inspección por penetrantes general-

mente se dividen en dos categorías amplias: aquellas que involucran materia-

les y equipos, y aquellas que se relacionan con los métodos y con las nonnas-

Hay varias noÍnas'y especificaciones de uso común. Por ejemplo:

ASTM - E165 Práctica normativa para el método de inspección por pene-

trantes.

ASTM -E270 Definiciones normativas de los términos relacionados con

la inspección por penetrantes.

ASME - SEC,- V Código Asme, sección V, artículo 6. Calderas y recipientes

de presión.

Además, existen norrnas ASTM para cada uno de los sistemas de

ción. Ver ASTM E 1208, 1209, 1210, 1219, 1220, E 1135, D 2512.

Srsrnnms DE coNTRoL

Junto con las especificaciones anteriores, se utilizan varios métodos y tipos

Normas para verificar la efectividad de los penetrantes líquidos. Uno de

métodos más antiguos y más utilizados frecuentemente involucra los ta


,je cromo, los cuales están disponibles en conjuntos que contienen

3=isas. medianas y f,nas. Adicionalmente, se han producido otros

tie inspección para indicaciones específicas requeridas para una

s-ODCfet2.

l¡:s¡¿rlares de aceptación y rechazo parala inspección de colorantes de

- establecen generalmente para cada articulo individual o para

áe aniculos por el diseñador. En muchos casos, la aceptación y el

- ;undamentan en la experiencia que se tiene con artículos similares,

rr^-rpal factor es el grado de integridad requerido.

-l¡r Isrn¡cf ive Evaluation and Quality Control, Metals Handbook,9'h ed., ASM---¡-iOnal.

Documents

Fundamentos Del Analisis de Falla