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CAPTULO 1 CMO Y PORQU FALLAN LOS MATERIALES1. GENERALIDADES Una de las principales razones de la existencia de los ensayos no destructivos es la necesidad de hallar y eliminar defectos en piezas o conjuntos despus de haber sido fabricados y puestos en servicio y de esta manera, prevenir su fallo. Para poder implementar este mtodo eficientemente, el ingeniero o tcnico especialista en ensayos no destructivos debera saber cmo y por qu fallan los materiales. Adems deber conocer cules sern los requerimientos de servicio de la pieza y ser capaz de realizar una interpretacin apropiada de la indicacin revelada por el ensayo no destructivo. 2. PRIMEROS INTENTOS PARA EVITAR LAS FALLAS El remedio natural y obvio, cuando se rompa una pieza, era concluir que la pieza era dbil y deba ser reforzada deba ser ms grande y por lo tanto (se asuma) sera ms fuerte. Entonces alguien invent el trmino factor de seguridad. El conocimiento de la distribucin de los esfuerzos, tanto dinmicos como estticos, en una pieza no era muy extenso y ni siquiera exacto. Hoy en da existen varios mtodos muy precisos para el anlisis de esfuerzos, los cuales han ayudado inmensamente en estudios que han conducido al entendimiento de las fallas de los materiales. La conclusin ms importante que surgi de estos estudios fue el descubrimiento de que ms grande no significa ms fuerte.Actualmente el factor de seguridad ha adquirido un nuevo significado. El diseador puede utilizar con certidumbre una proporcin mucho mayor de la tensin mxima de los metales, ya que mediante el empleo de los mtodos de anlisis de tensiones, puede conocer de ante mano dnde y qu tan grande sern los esfuerzos en la pieza. Los factores de seguridad se han reducido y los mtodos de ensayo no destructivos han ayudado en parte a este objetivo, pues sin son aplicados como corresponde y apropiadamente interpretados, pueden eliminar casi enteramente el peligro de que sean admitidas piezas defectuosas en servicio. 3. RESISTENCIA vs FALLAS EN LOS METALES El estudio de los aceros y otros metales result en el entendimiento de los factores bsicos involucrados en la resistencia o debilidad, ductilidad o fragilidad, dureza o falta de ella. Rpidamente surgi que los esfuerzos bajo cargas dinmicas eran muy diferentes a aquellos producidos bajo condiciones estticas. Se encontr que las discontinuidades u otros defectos que aparentemente eran inofensivas en servicio esttico, se convertan en factores importantes que conducan a la falla bajo condiciones de operacin con esfuerzos variables. El simple hecho de hacer los metales ms resistentes mediante tratamientos trmicos o mediante la adicin de aleantes no evitaba las fallas durante el servicio, e incluso, a menudo, tenan el efecto contrario. En la actualidad el estudio de los diversos modelos defallas y las condiciones que llevan a que ocurran permite mejorar el diseo de las piezas evitando o minimizando las fallas durante el servicio. Se requiere la correcta eleccin del metal o aleacin y de los tratamientos trmicos apropiados para las condiciones de servicio esperados; anlisis de esfuerzos completos para asegurar que no exista ninguna concentracin de esfuerzos excesivos en las piezas, si se presentan cargas imprevistas; y una utilizacin total de los mtodos de ensayos no destructivos para asegurar que cada pieza no presenta defectos que puedan constituir una debilidad e introducir concentraciones de tensiones no admitidas por el diseo.1 de 5

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4. CMO FALLAN LOS ACEROS Se reconocen dos importantes tipos de falla en el acero. Estos son: Fractura Frgil, en la cual la rotura ocurre sin deformacin plstica; Fractura Dctil, en la cual ocurre deformacin plstica antes de la rotura. En ambos tipos de falla, la lnea de fractura cruza a travs de los bordes de grano, esto es, se expande a travs de planos dentro de los granos del metal. Sin embargo, estos planos de deslizamiento se encuentran en diferentes ejes del cristal segn el tipo de fractura de que se trate. La apariencia de la superficie de la fractura en estos dos modelos es completamente diferente. La superficie de una fractura dctil es de grano fino o suave, mientras que en el caso de la fracturafrgil tiene una apariencia cristalina. 5. CONDICIONES QUE LLEVAN A LA FALLA La siguiente lista enumera las ms comunes causas de fallas en hierro y acero: (A) Simples Sobretensiones, debido a sobrecargas; (B) Impacto, inducida por la elevacin sbita de los esfuerzos; (C) Fatiga, inducida por la variacin de los esfuerzos por debajo del lmite elstico; (D) Corrosin, inducida por la corrosin de los materiales tensionados; (E) Creep, inducido por la exposicin prolongada a altas temperaturas bajo cargas estticas. (A) SOBRETENSIONES Es obvio que si el acero se encuentra tensionado ms all de su resistencia, se romper. Una sobrecarga suficientemente grande como para producir este efecto puede ocurrir durante el servicio por diversas razones. Por ejemplo - Un avin viajando por aire calmo y que repentinamente encuentra turbulencia. Este cambio sbito de condiciones puede inducir cargas suficientemente severas como para separar las partes estructurales del avin. - Una pieza de un conjunto, que debido fatiga o alguna otra causa se rompe, y mediante una carga adicional a otro miembro produce sobre esta ltima esfuerzos demasiado altos como para que pueda soportarlos. - La frenada o salida repentina de un vehculo, tambin puede sobrecargar alguna pieza del chasis o del motor por encima de su resistencia y causar la rotura de alguna pieza. Las fallas provocadas por sobretensiones son generalmente del tipo dctil, aunque tambin pueden producirsefracturas de tipo frgil por este motivo, en el caso de metales muy duros o a bajas temperaturas. El efecto de la Temperatura Las fracturas frgiles a temperaturas ordinarias son ms factibles que ocurran slo en materiales duros que normalmente rompen con poca o ninguna fluencia plstica. Sin embargo, la temperatura tiene mucho que ver con el tipo de fractura de casi todos los aceros y aleaciones. A bajas temperaturas, aceros dulces que normalmente son dctiles fallarn de manera frgil, aunque no se aumenten rpidamente los esfuerzos aplicados. A elevadas temperaturas, tales aceros pueden tornarse quebradizos en caliente y fallan de modo frgil bajo sobretensiones. Sin embargo, en ambos casos es ms probable que ocurra la falla cuando el esfuerzo se aplica repentinamente, como sera el caso de impacto.2 de 5

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La composicin qumica de aceros y aleaciones tiene gran influencia en su comportamiento bajo condiciones de carga a bajas temperaturas. La sensibilidad a la entalla est definida como una medida de la reduccin de la resistencia de un metal causada por la presencia de concentradores de tensin. Los aceros que tienen una baja sensibilidad a la entalla soportarn mejor las condiciones que conducen a fallas frgiles que aquellos que tengan una alta sensibilidad a la entalla. Las aleaciones que presentan una estructura austentica a temperatura ambiente, como es elcaso de los aceros inoxidables austenticos, tienen una sensibilidad a la entalla muy baja y tienen bajas probabilidades de fallar de manera frgil, incluso a temperaturas muy bajas, a diferencia de los aceros al carbono o aleados. (B) IMPACTO El impacto es otra forma de producir una sobretensin. Un impacto es una fuerza aplicada en un perodo corto de tiempo y conducir a la rotura de una pieza. Tal rotura puede ser frgil y ocurrir en materiales normalmente dctiles, si el incremento del esfuerzo es suficientemente rpido. (C) FALLAS POR FATIGA En los primeros esfuerzos para entender por qu los metales fallaban en servicio se observ que las piezas en servicio, a menudo se rompan repentinamente cuando estaban sometidas a esfuerzos reversibles o variables, incluso cuando esos esfuerzos se encontraban por debajo del lmite elstico del metal. El examen de la superficie de fractura mostraba que una porcin de la misma era suave, con marcas concntricas, mientras que el resto era cristalina. Esto inmediatamente llev a asumir que cuando el metal se cansaba despus de un largo perodo de servicio, se cristalizaba y luego se rompa con un tipo de fractura frgil.

Fig. 1 Tpica superficie de rotura por fatiga Cuando comenzaron a emplearse los mtodos metalogrficos, el estudio de las fracturas con el microscopio mostr que no exista una verdadera diferencia entre la estructura del metal en la seccin donde se produca la rotura y el metalen cualquier otra parte alejada de la pieza. Y no pas mucho tiempo antes de que se descubriera la verdadera explicacin a este tipo de rotura parcialmente frgil. La fractura por fatiga comienza y se desarrolla muy lentamente en una primera etapa. Durante este perodo las caras de la fractura trabajan una contra la otra para producir la parte suave de la misma. El progreso de la fractura se produce en pequeos incrementos, y cada avance deja su marca circular para3 de 5

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darle a la superficie el aspecto de ostra. Cuando finalmente se quiebra la parte que an quedaba sana en la seccin, lo hace repentinamente produciendo la porcin rugosa de la seccin. 6. CONCENTRADORES DE TENSIN El examen de la zona suave de la fractura por fatiga casi siempre muestra marcas anilladas, que parecen tener un centro comn en algn punto de la superficie original de la pieza. Evidentemente es en este punto donde comenz realmente el lento progreso de la rotura por fatiga a lo largo de la seccin. Es bastante obvio que este punto de origen est asociado con algunos pequeos defectos superficiales, como puede ser una entalla, pitting o marca de una herramienta. Los mtodos experimentales de anlisis de tensiones muestran que las fuerzas que aparecen en una marca superficial de este tipo pueden ser varias veces mayor que el esfuerzo nominal sobre la superficie. Incluso si el defecto espequeo, esta multiplicacin de los esfuerzos locales es suficientemente alta como para iniciar la fractura. Por ejemplo, durante la rotacin del eje de un vagn de tren cargado, la tensin superficial se invierte con cada giro, pasando de valores altos positivos a valores altos negativos. La presencia de una muesca o rayadura circunferencial generar la concentracin de tensiones necesaria para iniciar una rotura. La inversin de las fuerzas durante el giro del eje hace que las caras de fractura acten entre s al ir avanzando la fractura. Eventualmente, la porcin del eje que an queda sana, se romper.

Fig. 2 - Concentracin de tensiones en una fisura o muesca superficial 7. BSQUEDA DE FISURAS POR FATIGA Las fisuras por fatiga casi siempre comienzan en la superficie, inducidas por la presencia de algn concentrador de tensiones. Es ms probable que aparezcan en regiones de altas tensiones. Estas reas incluyen orificios, muescas, cambios bruscos de seccin, nervaduras de rigidizacin, etc. Por lo tanto, los lugares ms adecuados para buscar fisuras por fatiga, son los lugares en donde se produce un cambio brusco de seccin, como filetes, chaveteros, empalmes, raz de filetes de roscas, dientes de engranajes, etc. Las fisuras de fatiga incipientes pueden ser muy pequeas y poco profundas, pero no deben ignorarse, ya que en la mayora de los casos, las condiciones que provocan la aparicin de la fisura, inician la propagacin de la misma. Laprofundidad de una fisura aislada puede estimarse a menudo por su longitud, ya que la propagacin tiende a ser uniforme en todas las direcciones desde el punto de origen. Las marcas caractersticas en una fractura de fatiga consisten en lneas concntricas uniformes e indican claramente el punto de origen. 8. CORROSIN Cuando el metal se encuentra al mismo tiempo sometido a esfuerzos y corrosin, las fisuras se desarrollan y progresan a travs de la seccin hasta que se produce la falla. La produccin de las fisuras4 de 5

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se debe al ataque corrosivo del borde de grano, de manera que la propagacin de este tipo de fisuras es intergranular, a diferencia de la fisura por fatiga que es transgranular. Este tipo de fallas se producirn en elementos cargados incluso en condiciones estticas. No es necesario que los esfuerzos que favorecen este ataque corrosivo estn aplicados externamente, ya que pueden ser esfuerzos residuales de alguna operacin previa, como deformacin en fro, tratamientos trmicos o soldadura. La velocidad de propagacin de las fisuras por corrosin-esfuerzo puede verse incrementada si las cargas son variables. Bajo tales circunstancias el fenmeno recibe el nombre de corrosin-fatiga. Las piezas que trabajan bajo cargas altamente reversibles y estn expuestas a corrosin, fallarn mucho ms rpido que si estuvieran sometidas slo a fatiga. Todos los valores delmites de fatiga resultan intiles cuando se incluye la corrosin en el anlisis. No hay lmites predecibles de duracin en el caso de corrosin-fatiga. El ensayo de partculas magnticas es til para localizar fcilmente la presencia de fisuras por corrosin-fatiga. 9. CREEP El acero bajo cargas de traccin y altas temperaturas experimenta cambios lentos que pueden eventualmente culminar en la falla de la pieza. El metal sufre una elongacin en la direccin de las tensiones. Este fenmeno es denominado creep. Mientras mayor es la carga y la temperatura, mayor es la magnitud del creep. Para propsitos de diseo se dispone de datos de creep de muchos aceros, a pesar de que el tiempo requerido para hacer una serie de ensayos de creep a varios niveles de tensiones y a varias temperaturas puede ser extremadamente largo. El progreso del creep es verdaderamente muy lento, especialmente a temperaturas y cargas bajas. Dichos ensayos han mostrado, sin embargo, que no hay un lmite de creep equivalente al lmite de duracin por fatiga, y en el diseo, las tensiones y temperaturas deben ajustarse de manera de que no se produzcan fallas durante la vida til de la pieza o estructura. Cuando se producen fisuras bajo condiciones de creep, las mismas progresan a lo largo de los bordes de grano, como en las fisuras por corrosin. Las fisuras debidas al creep, tambin pueden ser fcilmente detectadas mediante un ensayo de partculas magnticas.

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