Tema IV Fallas Objetivos Adquirir los conocimientos básicos para identificar y prevenir las fallas y rotura de los materiales.

Sumario Bibliografía Básica : Callister, pp 154-184 Tema IV Conferencia 5 Sumario Fallas y roturas en los materiales. Roturas dúctiles y frágiles. Criterio de Griffith. Umbral de fragilidad en frío. Rotura por fatiga. Características y etapas. Modos de evitarla. Rotura por termofluencia. Características y etapas. Modos de evitarla. Bibliografía Básica : Callister, pp 154-184

Falla Es el término utilizado para significar que un producto:( pieza, componente, estructura) Se ha tornado completamente inoperable Es operable pero no satisface correctamente su función Se ha deteriorado seriamente y no es confiable para su uso continuado Es la separación de un cuerpo en dos o más partes en respuesta a una carga aplicada.

Errores de diseño ( subdimensionado, cargas no contempladas) En la mayoría de los casos, la generación de una falla se debe a alguno de los siguientes factores: Errores de diseño ( subdimensionado, cargas no contempladas) Errores en la selección y fabricación del material ( composición química, T.T) Sobreexigencias operativas en el servicio Inapropiado maquinado y ensamble

Propagación de la grieta Modos de fractura Frágil Dúctil Mecanismo Formación de la grieta Propagación de la grieta

Fractura dúctil Fractura frágil Apreciable deformación plástica antes y durante la propagación de la grieta Lenta propagación de la grieta, ofrecen resistencia a extenderse si no hay un incremento en la tensión aplicada Fractura frágil No hay deformación macroscópica Rápida propagación de la grieta, una vez que comienza su propagación continuará espontáneamente sin incremento de tensión aplicada

FRAGIL DUCTIL Desarrollo de la fractura dúctil Comienzo del cuello Aparición de cavidades Coalescencia de las cavidades Propagación de la fractura Fractura DUCTIL

Fractura dúctil. Tracción y cortante

Materiales no tan duros o de grano grueso

Transgranular Intergranular

Fundamentos de la mecánica de fractura Concentración del esfuerzo en el extremo de la grieta Kt será mayor cuanto más agudo y largo sea el defecto y se requerirá menor tensión de rotura para la fractura Factor de concentración de tensiones

Teoría de Griffith g Energía superficial de la grieta Griffith estableció que para los materiales frágiles existe una tensión crítica a partir de la cual el crecimiento de la grieta se produce espontáneamente y que es definida como aquella tensión que provoca que se exceda la resistencia teórica del material en el vértice de la grieta. g Energía superficial de la grieta Esto no ocurre en los materiales dúctiles

Fundamentos de la mecánica de fractura

Fundamentos de la mecánica de fractura Tenacidad de fractura en deformacions planas: Medida de la resistencia del material a la fractura frágil cuando hay una grieta presente geometía Longitud de grieta Resistencia

Ensayo para determinar la tenacidad a la fractura

Aplicaciones de la mecánica de fractura

Ensayo de impacto

Aspecto de la Fractura en el ensayo Charpy frágil dúctil Variación en el comportamiento con la temperatura de ensayo ( °C)

Limitaciones del ensayo charpy No relacionable con las condiciones de servicio La entalla no es verdaderamente una grieta Por tanto es un ensayo cualitativo o comparativo Para el diseño o para la predicción de una falla deben usarse los ensayos de tenacidad de fractura

Umbral de Fragilidad en frío UFF: Intervalo de T en el que la rotura pasa de frágil a dúctil T explotacion >Ts Zona frágil Zona de transición Zona dúctil

Factores influyentes en la posición del umbral de fragilidad en frío Efecto de diferentes materiales sobre la curva de transición

Efecto del contenido de carbono sobre la curva de transición

Efecto del contenido de Níquel sobre la curva de transición

Efecto del tamaño de grano sobre la curva de transición

Temperatura ( bajas T promueven el comportamiento frágil) Velocidad de deformación( altas velocidades promueve comportamiento frágil)

Comet

1949 1953 1954 El Comet DH106 hace su primer vuelo Es el primer avión comercial de reacción y presenta por primera vez cabina presurizada. 1949 2 de Mayo. Calcuta. Un Comet estalla poco después de despegar. La investigación muestra error humano. 1953 10 de Enero y 8 de Abril. Dos accidentes semejantes ocurren en rutas mediterráneas. Se prohíbe volar a los Comets. 1954

Se somete a un Comet a cambios de presión en un tanque Se somete a un Comet a cambios de presión en un tanque. Tras algo más de 1000 ciclos de presurización el Comet de ensayo estalla en el tanque de agua.

Diagnóstico. Las ventanillas grandes y cuadradas del Comet crearon concentración de tensiones en las esquinas que provocaron grietas tras sucesivos ciclos de presión. Las paredes poco rígidas permitían el desarrollo de las grietas con facilidad. Solución. Se cambió el diseño de las ventanillas y se reforzaron. Se adicionaron largueros de refuerzo en las paredes para impedir el desarrollo de las grietas. El Comet volvió a volar en 1958.

Fatiga

Fatiga es una forma de fractura que ocurre en estructuras sometidas a cargas cíclicas. Bajo estas condiciones la fractura ocurre a niveles de tensión menores que la tensión de rotura bajo condiciones estáticas.

ENSAYO DE FATIGA Ensayo de fatiga rotacional Tipo de probeta

Gráfico Esfuerzo-Número de Ciclos ( S-N ) Tipo I: Presentan un límite de fatiga (35 – 60 % del límite de rotura estática). Aceros, Titanio Tipo II: Hay una variación contínua del valor de esfuerzo a fatiga. Característico de aleaciones de Al-, Cu- y Mg

Aspectos macroscópicos de la superficie de fractura. inicio crecimiento (marcas de playa) rotura final

Tensiones medias Diseño geométrico Medio ambiente Factores que afectan la resistencia a la fatiga: Tensiones medias Diseño geométrico Efectos de superficie Medio ambiente

Tensiones medias

Tratamientos superficiales Efectos de superficie Rugosidad: Las marcas de maquinado son en esencia surcos , cuanto más profundos sean menor será la resistencia a la fatiga. Tratamientos superficiales Introducción de tensiones residuales compresivas ( shot peened) Endurecimiento superficial de los aceros ( cementación, nitruración)

Efectos de superficie Efecto del « shot penning »

Efecto del endurecimiento superficial de los aceros

Medio ambiente Un ambiente corrosivo acelera la velocidad a la cual se propaga una grieta por fatiga. La combinación de ataque corrosivo y tensiones cíclicas en una metal se conoce como corrosión-fatiga Fatiga térmica: Producidas por ciclos térmicos( turbinas, motores, reactores)

Termofluencia

Termofluencia Deformación plástica dependiente del tiempo que aparece bajo tensiones constantes a elevadas temperaturas.

ENSAYO DE TERMOFLUENCIA

Curva típica de fluencia

Termofluencia Comportamiento en función de la temperatura y el tiempo

Termofluencia Predicción de la vida útil

Factores que elevan la resistencia a la termofluencia Utilizar materiales de alto punto de fusión y elevado límite elástico Tamaño de grano debe ser grande Adición de segundas fases, precipitados insolubles en la fase matriz

Fractura Frágil Fractura Dúctil grieta aguda obtusa propagación rápida En resumen Fractura Frágil Fractura Dúctil grieta aguda obtusa propagación rápida lenta deformación nula apreciable rotura cristalina fibrosa

Mientras más bajo se encuentre el umbral de fragilidad en frío (UFF) más fiable será el material, pero por encima del mismo el material puede ser inseguro si el valor absoluto de AP( trabajo de propagación de la grieta) es pequeño.

Para el diseño o para la predicción de una falla deben usarse los ensayos de tenacidad de fractura

Límite de fatiga: Esfuerzo por debajo del cual nunca ocurrirá la ruptura. Resistencia a la fatiga: Nivel de esfuerzo para que la falla ocurra en un determinado número de ciclos. Vida a fatiga: Número de ciclos que resistirá un material a un esfuerzo dado.

La velocidad de fluencia estacionaria y el tiempo de ruptura son propiedades importantes obtenidas a partir de la curva de fluencia