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Falla en componentes estructurales, modos de falla, diseño
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MECANISMOS DE FALLA DE COMPONENTES ESTRUCTURALES
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA
ANTONIO JOSE DE SUCRE VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE METALURGIA
ASIGNATURA: ANLISIS DE FALLA
Prof. Miriam Romero
INTRODUCCION
Qu entendemos por falla en un
componente estructural?
Definimos como elemento estructural a
cualquier elemento o componente cuya
funcin esencial sea la transmisin de
esfuerzos mecnicos o la retencin de
fluidos a presin. Esta definicin es muy
general e incluye por ejemplo desde una
biela en un motor de combustin interna
hasta una tubera de presin para
conduccin de fluidos a larga distancia.
Es necesario tener en cuenta que si bien la funcin
primaria de un elemento estructural es la transmisin
de esfuerzos o la retencin de presin, existirn en
general requerimientos adicionales que el elemento
deber satisfacer.
Por ejemplo, el elemento puede tener que cumplir su
funcin en un ambiente qumicamente agresivo o a
alta temperatura, bajo condiciones de desgaste
abrasivo o bajo flujo neutrnico, etc.
Estos requerimientos limitan en general el rango de
materiales que ser posible emplear para cumplir la
funcin estructural primaria.
Definiremos como falla de un elemento estructural a
cualquier situacin que impida que el elemento cumpla
su funcin de transmisin de esfuerzos o de retencin de
presin como se encuentra previsto en el diseo del
elemento es decir, la falla se produce cuando el
elemento se torna incapaz de resistir los esfuerzos
previstos en el diseo.
Esta definicin es muy general e implica por lo tanto
situaciones muy diversas.
Por ejemplo, la presencia de defectos en una soldadura
de un tubera que impide que la misma opere a la
presin de diseo, constituye una condicin de falla.
Un alabe de una turbina falla si el alabe se rompe o se
deforma excesivamente.
Estadstica mundial de fallas en equipos
conducentes a grandes prdidas (D. Mahoney
1992)
Esta tabla nos dice que el 60% de las mismas
corresponden a sistemas de tuberas, tanques y
reactores.
Obviamente una de las razones de esta elevada
proporcin es que estos componentes son los ms
comnmente empleados en las industrias de proceso,
pero una segunda razn la constituye el hecho de que
estos elementos comparten el atributo de representar
contenedores de presin.
Una caracterstica de todo recipiente o contenedor de
presin es que el mismo se encuentra sometido a un
estado esencialmente uniforme de tensiones. En otras
palabras, las tensiones varan poco de un punto a otro del
elemento. Esto implica que si en un punto del elemento se
inicia una rotura, la misma tender a propagarse a lo
largo del componente siendo muy baja la probabilidad
que se den las condiciones para una interrupcin de esta
propagacin.
Por otra parte, mientras muchos componentes
estructurales presentan elementos redundantes que
hacen que la falla de uno de ellos no implique
necesariamente el colapso del componente, los
contenedores de presin constituyen elementos crticos
sin redundancia lo que hace que una rotura se convierta
con alta probabilidad en una falla catastrfica.
Descripcin de los Modos de Falla.
Llamamos modo de falla al fenmeno o mecanismo responsable del
evento o condicin de falla. En este sentido, los modo de falla que en
general pueden afectar a un componente estructural, son:
Inestabilidad elstica (pandeo local o generalizado)
Excesiva deformacin elstica
Excesiva deformacin plstica (fluencia generalizada)
Inestabilidad plstica (estriccin, pandeo plstico)
Fatiga de alto ciclo y bajo ciclo
Corrosin, erosin, corrosin-fatiga, corrosin bajo
tensiones, etc.
Creep y creep-fatiga
Fractura rpida (frgil, dctil, mixta)
Los cuatro primeros modos de falla pueden ser
atribuidos fundamentalmente a falencias en el
diseo del elemento estructural (excepto en el
caso en que la falla se produzca como
consecuencia de una carga superior a las
mximas previstas en el diseo).
Los cuatro modos mencionados en ltimo
trmino, si bien pueden ser causados por un
diseo incorrecto, obedecen muchas veces a
factores introducidos durante las etapas de
fabricacin del elemento o a condiciones de
servicio.
Excesiva Deformacin e Inestabilidad
Elstica.
El modo de falla por excesiva
deformacin elstica se produce por
ejemplo cada vez que una pieza que debe
mantener sus dimensiones dentro de
ciertos lmites, sufre una deformacin
elstica que hace que aquellas excedan el
valor admisible, conduciendo a problemas
de interferencia tales como atascamiento
o a deflexiones excesivas.
En el caso de uniones soldadas por
ejemplo, la recuperacin elstica que
sigue a la liberacin de una pieza
inmovilizada durante la soldadura, puede
conducir a cambios dimensionales o
distorsiones inadmisibles. La forma ms
comn del modo de falla por inestabilidad
elstica es la constituida por el fenmeno
de pandeo.
Este se produce cuando un elemento estructural
esbelto tal como una columna es sometido a una
carga de compresin suficientemente alta segn
su eje longitudinal. Puede demostrarse que existe
una carga que depende del momento de inercia
de la seccin resistente, del mdulo elstico del
material, y de la forma de sujecin del elemento,
por encima de la cual las deflexiones laterales
crecen sin lmite conduciendo a la destruccin del
componente.
El fenmeno de pandeo puede adoptar una forma
global, es decir afectar a todo el componente
como en el caso de una columna, o ser local
afectando slo una parte de la estructura como
ocurrira en el caso de una fabricacin con paneles
en compresin donde slo alguno de tales paneles
sufre pandeo.
Excesiva Deformacin Plstica
La excesiva deformacin plstica constituye sin duda el
modo de falla mejor comprendido, y es la base del diseo
clsico de componentes estructurales.
Dicho diseo tiene como objetivo fundamental establecer
las dimensiones de las secciones resistentes necesarias
para asegurar un comportamiento elstico de las mismas.
Esto significa en teora que en ningn punto de una seccin
resistente se alcance una condicin de fluencia, es decir de
deformacin plstica.
Sin embargo, en las estructuras reales, y muy
particularmente en las estructuras soldadas, la presencia
de concentradores de tensin mas o menos severos es
inevitable.
De todos modos, en la medida que el tamao
de tales zonas plsticas sea pequeo en
relacin con las dimensiones caractersticas
de la seccin resistente, puede considerarse
que la seccin se comportar, al menos
desde un punto de vista ingenieril, de
manera elstica.
En cambio, si por un incremento en las
cargas las zonas plsticas se propagan hasta
alcanzar una fraccin significativa de la
seccin, nos encontramos ante una falla por
excesiva deformacin plstica.
En el caso extremo, la seccin completa
puede llegar a plastificarse y en tal caso
hablamos de una condicin de fluencia
generalizada.
Inestabilidad plstica
Bajo ciertas condiciones, un material que ha alcanzado la condicin plstica puede inestabilizarse
y conducir rpidamente a un colapso plstico. Un
ejemplo conocido de este fenmeno es la estriccin
que precede a la rotura en el ensayo de traccin de
un material dctil.
La inestabilidad plstica puede ser responsable
en otros casos de la propagacin rpida de una
fisura, dando as origen a un fenmeno de
fractura dctil rpida.
Hoy se sabe que muchas fallas catastrficas que
en el pasado fueron atribuidas a fracturas
frgiles, tuvieron su origen como inestabilidades
dctiles. El incremento logrado en las ltimas
dcadas en la resistencia y tenacidad de los
materiales, hace que el fenmeno de falla por
inestabilidad dctil sea objeto de especial
atencin por parte de ingenieros e
investigadores.
Fatiga
El fenmeno de fatiga es considerado responsable
aproximadamente de mas del 90% de las fallas
por rotura de uniones soldadas y precede muchas
veces a la fractura rpida.
Una discontinuidad que acta como concentrador
de tensiones puede iniciar bajo cargas cclicas una
fisura por fatiga que puede propagarse lentamente
hasta alcanzar un tamao crtico, a partir del cual
crece de manera rpida pudiendo conducir al
colapso casi instantneo de la estructura afectada.
La concentracin de esfuerzos se define como un pico en la
intensidad del esfuerzo que ocurre en un punto de
discontinuidad geomtrica de un elemento sometido a carga.
Ejemplos de tales discontinuidades geomtricas son: entallas,
taladros, roscas, reducciones de espesor, etc.
Los efectos de la concentracin de esfuerzos dependen de la
intensidad y tipo de carga (esttica o cclica), material,
geometra del elemento y geometra de la discontinuidad.
Se define el factor de concentracin de esfuerzos k como la
relacin entre el esfuerzo mximo o pico y el esfuerzo
nominal en la seccin neta, ambos en el rango elstico de
carga. Este factor k es aplicado al esfuerzo nominal presente
en el elemento para obtener el esfuerzo mximo de entalla,
que ser el que nos d finalmente el Factor de Seguridad en
el elemento.
La Fig. 3 muestra la superficie de fractura de un eje
en el que se inici una fisura por fatiga a partir del
concentrador de tensiones representado por el
alojamiento de la chaveta.
Recomendaciones Prcticas de
Diseo a Fatiga
La mejor prctica es tratar de reducir al mximo
el riesgo de fallos por fatiga en el diseo de
piezas sometidas a cargas cclicas. Se
recomienda:
Reducir/eliminar cargas cclicas.
Reducir operaciones - usar velocidades de rotacin ms
bajas, reemplazar piezas de forma regular.
Seleccionar materiales tolerantes a cargas cclicas.
Reducir/eliminar concentraciones de tensiones severas --
no permitir esquinas vivas o cambios de seccin bruscos.
Especificar procesos de fabricacin que den resistencia
a la fatiga -- trabajo en fro, granallado.
Especifican tratamientos trmicos que aumenten la
resistencia a fatiga -- Nitruracin/Carburizacin.
Sobredimensionar las piezas para reducir niveles de
tensin.
Precargar las piezas para convertir cargas cclicas en
cargas permanentes (precarga de tornillos).
Creep
Las deformaciones elsticas y plsticas que sufre un
material se suelen idealizar asumiendo que las
mismas se producen de manera instantnea al
aplicarse la fuerza que las origina. La deformacin
que puede desarrollarse posteriormente en algunas
situaciones y que progresa en general con el tiempo,
se conoce con el nombre de creep.
Para los materiales metlicos y los cermicos, la
deformacin por creep se torna significativa por
encima del rango de temperaturas 0.3/0.6 Tf, donde
Tf es la temperatura absoluta de fusin del material.
La adecuada seleccin de materiales
para servicio a alta temperatura es un
factor esencial en el diseo resistente al
creep.
En general, las aleaciones metlicas
empleadas contienen elementos tales
como Cr, Ni, y Co en distintas
proporciones segn las caractersticas
especficas buscadas. El fenmeno de
creep puede conducir a excesivas
deformaciones plsticas o culminar en la
rotura de un elemento estructural.
Fractura rpida
Algunos metales sometidos a un ensayo de traccin
presentarn una estriccin en la zona central de la probeta
para romper finalmente con valores de reduccin de rea que
pueden llegar en algunos casos al 100%.
Este tipo de fractura se denomina dctil y es caracterstica
de materiales del sistema cubico de caras centradas (fcc) en
estado de alta pureza. Por el contrario, muchos slidos,
particularmente metales cbicos de cuerpo centrado (bcc) y
cristales inicos, presentan fracturas precedidas por
cantidades muy pequeas de deformacin plstica, con una
fisura propagndose rpidamente a lo largo de planos
cristalogrficos bien definidos, llamados planos de clivaje,
que poseen baja energa superficial. Este tipo de fractura se
denomina frgil.
Si bien la diferenciacin anterior es de gran importancia
conceptual y prctica, desde el punto de vista ingenieril es
tambin importante caracterizar el proceso de fractura
segn la velocidad con que se desarrolla.
Desde este punto de vista la fractura rpida se caracteriza
por la propagacin inestable de una fisura en una
estructura; en otras palabras, una vez que la fisura
comienza a crecer el sistema de cargas de por s produce
una propagacin acelerada de aquella.
Las velocidades de propagacin pueden ser desde unos
centenares a algunos miles de metros por segundo. Este
tipo de fractura rpida puede o no estar precedida por una
extensin lenta de la fisura. La extensin lenta de una
fisura, en cambio, es una propagacin estable y que
requiere para su mantenimiento un incremento continuo de
las cargas aplicadas.
La fractura rpida constituye el modo de falla
ms catastrfico y letal de todos los
mencionados.
La misma se produce en general bajo cargas
normales de servicio, muchas veces inferiores a
las de diseo.
Por tal motivo, la fractura rpida no es precedida
por deformaciones macroscpicas que permitan
tomar medidas para evitarla o para reducir la
gravedad de sus consecuencias.
Una vez iniciada, pocas veces se detiene antes
de producir la rotura completa de componente.