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

Sumario Rotura Bibliografía Básica : Callister, pp 154-184 Tema IV Conferencia 7 Sumario Rotura 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. Fallas por deterioros superficiales. Desgaste. Clasificación. Modos de evitarlo. Oxidación y corrosión. Características, tipos y formas de prevenirlo 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 Fractura 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 Fatiga 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

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 Tenacidad de fractura: Medida de la resistencia del material a la fractura frágil cuando hay una grieta presente geometía Longitud de grieta Resistencia

Ensayo de impacto

Aspecto de la Fractura en el ensayo Charpy fragil ductil 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 Estructuras cristalinas ( ccc no presentan este fenómeno) Temperatura ( bajas T promueven el comportamiento frágil) Composición química: En aceros al carbono en estado recocido el % de C promueve el comportamiento frágil el Ni promueve el comportamiento dúctil Tamaño de grano ( tamaño fino promueve comportamiento dúctil) Velocidad de deformación( altas velocidades promueve comportamiento frágil) Textura

Problemas con los buques Liberty Segunda Guerra Mundial Se fabricaron masivamente en zonas tropicales y trabajaron en el Mar del Norte. No había experiencia en cascos soldados

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

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 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.

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

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 »

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 carga constante (inferior al límite de fluencia) y elevada temperatura

Termofluencia Comportamiento en función de la temperatura y el tiempo

Termofluencia Predicción de la vida útil

Factores que afectan la resistencia a la termofluencia Utilizar materiales de alto punto de fusión Elevado módulo de elasticidad Tamaño de grano debe ser grande Adición de segundas fases, precipitados insolubles en la fase matriz

Fallas por deterioros superficiales

¿Qué entendemos por desgaste? El desgaste se produce por la interacción entre dos superficies en contacto con movimiento relativo entre ellas y se expresa como variación en masa o dimensiones.

Factores que afectan al desgaste Cargas Velocidad Materiales en contacto Temperatura y características del medio Características de las superficies

Tipos de desgaste Deslizamiento Rodadura Cavitación Erosión Abrasión

Corrosión La destrucción superficial de un metal por reacción química o electroquímica con el medio ambiente. Mecanismos básicos Ataque químico directo: No hay un flujo apreciable de corriente a través del metal en distancias finitas Produce una capa escamosa o un depósito bien adherido de espesor uniforme en toda la superficie expuesta Ataque electroquímico : Presencia de zonas catódicas y anódicas a distancias finitas Flujo de electrones a través del metal de modo que el ataque es localizado

Las condiciones en que se encuentre la superficie de un metal influye en su tendencia a corroerse, si el medio corrosivo reacciona con el metal para formar una cubierta protectora adherente que inhibe cualquier deterioración posterior entonces se dice que se ha producido una pasivación ( Aleaciones de aluminio) Este fenómeno altera la posición del metal en la serie galvánica cambiando la actividad química del metal

Estudio individual Tipos específicos de corrosión. Formas de combatirlos Tipos específicos de desgaste. Formas de combatirlos