ejemplo ing superficie

EVALUACIÓN DE LA FALLA OCURRIDA EVALUACIÓN DE LA FALLA OCURRIDA EN EL EJE DE UN MOTOR ELÉCTRICOEN EL EJE DE UN MOTOR ELÉCTRICO

Formulación del problemaFormulación del problema

Se presenta el análisis del eje de un motor eléctrico con el fin de Se presenta el análisis del eje de un motor eléctrico con el fin de conocer las posibles causas que ocasionaron la falla. Para ello conocer las posibles causas que ocasionaron la falla. Para ello se hizo un conjunto de pruebas que permitieron concluir como se hizo un conjunto de pruebas que permitieron concluir como condición inicial que el eje había sido recuperado con un condición inicial que el eje había sido recuperado con un recubrimiento exterior realizado con Thermal Spray. recubrimiento exterior realizado con Thermal Spray.

DETALLES EXPERIMENTALESDETALLES EXPERIMENTALES

Al eje se le realizó prueba de dureza utilizando un Durómetro Vicker con Al eje se le realizó prueba de dureza utilizando un Durómetro Vicker con punta de diamante. Las indentaciones se tomaron en diferentes puntos de la punta de diamante. Las indentaciones se tomaron en diferentes puntos de la superficie del eje que falló. Los puntos donde se realizaron las indentaciones superficie del eje que falló. Los puntos donde se realizaron las indentaciones se presentan en las figuras 1 y 2.se presentan en las figuras 1 y 2.

Figura 1Figura 1

Detalles experimentalesDetalles experimentalesUna primera toma de dureza se realizó mediante cuatro Una primera toma de dureza se realizó mediante cuatro indentaciones cercanas al sitio donde ocurrió la falla y se indentaciones cercanas al sitio donde ocurrió la falla y se determinó el promedio de la dureza. También se realizó una determinó el promedio de la dureza. También se realizó una segunda prueba de dureza en una región distante al sitio donde segunda prueba de dureza en una región distante al sitio donde ocurrió la falla. Se tomaron otras cuatro indentaciones y se ocurrió la falla. Se tomaron otras cuatro indentaciones y se determinó el promedio para cada una de las tomas.determinó el promedio para cada una de las tomas.

Figura 2Figura 2

DETALLES EXPERIMENTALESDETALLES EXPERIMENTALES

La microestructura del eje se analizó mediante el La microestructura del eje se analizó mediante el analizador de imágenes Leica. Se prepararon analizador de imágenes Leica. Se prepararon metalográficamente dos fracciones del eje, una del sitio metalográficamente dos fracciones del eje, una del sitio donde ocurrió la fractura y otro en un sitio lejano de donde ocurrió la fractura y otro en un sitio lejano de donde ocurrió la falla, para llevarlo al analizador de donde ocurrió la falla, para llevarlo al analizador de imágenes.imágenes.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOSANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

En la tabla 1. se presentan las durezas encontradas en cada punto indicado en En la tabla 1. se presentan las durezas encontradas en cada punto indicado en las figuras 1 y 2.las figuras 1 y 2.

Tabla 1


Con base en los datos de la tabla 1, se consideró que la dureza del Con base en los datos de la tabla 1, se consideró que la dureza del eje es muy poco homogénea. Además, los valores de dureza eje es muy poco homogénea. Además, los valores de dureza tomados en el sitio cercano donde ocurrió la falla presentan tomados en el sitio cercano donde ocurrió la falla presentan durezas bajas. El promedio fue de 157 HV, lo cual indica que durezas bajas. El promedio fue de 157 HV, lo cual indica que esta disminución de dureza pudo haber influido para que, por este esta disminución de dureza pudo haber influido para que, por este sitio, se iniciara la falla. Los valores de dureza encontrados en la sitio, se iniciara la falla. Los valores de dureza encontrados en la región alejada de la falla son más elevados; el promedio fue de región alejada de la falla son más elevados; el promedio fue de 216 HV. Estas durezas son características de un acero de bajo 216 HV. Estas durezas son características de un acero de bajo porcentaje de carbono, aproximadamente de un AISI 1040porcentaje de carbono, aproximadamente de un AISI 1040..


Los valores de dureza obtenidos a través del radio del Los valores de dureza obtenidos a través del radio del eje también fueron muy bajos. En promedio, la dureza eje también fueron muy bajos. En promedio, la dureza de esta región fue de 161 HV. La diferencia de durezas de esta región fue de 161 HV. La diferencia de durezas entre las zonas cercanas a la falla y la zona alejada, entre las zonas cercanas a la falla y la zona alejada, indica una disminución local de las propiedades indica una disminución local de las propiedades mecánicas. Estas propiedades pudieron ser modificadas mecánicas. Estas propiedades pudieron ser modificadas por efectos externos al eje de análisis, como por por efectos externos al eje de análisis, como por ejemplo, algún tipo de tratamiento térmico o proceso de ejemplo, algún tipo de tratamiento térmico o proceso de recubrimiento.recubrimiento.

ANÁLISIS DE LA MICROESTRUCTURAANÁLISIS DE LA MICROESTRUCTURA

Se observó la zona del eje, donde se presentó la falla, éste fue Se observó la zona del eje, donde se presentó la falla, éste fue maquinado, y luego se le aplicó un revestimiento, posiblemente maquinado, y luego se le aplicó un revestimiento, posiblemente utilizando la técnica utilizando la técnica Thermal-SprayThermal-Spray. Lo anterior se deduce por . Lo anterior se deduce por observación visual de un anillo alrededor del eje. Se muestra en las observación visual de un anillo alrededor del eje. Se muestra en las figuras 3 y 4, y también se deduce por la micrografía de la figura 5, que figuras 3 y 4, y también se deduce por la micrografía de la figura 5, que se obtuvo en el analizador de imágenes referente a la estructura se obtuvo en el analizador de imágenes referente a la estructura interna de este material.interna de este material.

Figura 3 Figura 4 Figura 5


En la micrografía de la figura 6 se observa otro sitio de la En la micrografía de la figura 6 se observa otro sitio de la estructura del anillo. Se presentan granos alargados y bastante estructura del anillo. Se presentan granos alargados y bastante grandes, característicos de material en polvo. También se observa grandes, característicos de material en polvo. También se observa la presencia de poros, que es típico en materiales que se aplican la presencia de poros, que es típico en materiales que se aplican como revestimiento. como revestimiento.

Figura 6

Se considera que al aplicar un revestimiento alrededor del eje, el calor produjo embastecimiento del grano; por lo tanto ocasionó una disminución de las propiedades mecánicas del acero, lo cual debilitó la estructura interna del eje y, como consecuencia, es probable que esto haya contribuido a la fractura del eje.


En la micrografía de la figura 7 se presenta la estructura en una En la micrografía de la figura 7 se presenta la estructura en una región alejada del sitio de falla, y en la figura 8 presenta la región alejada del sitio de falla, y en la figura 8 presenta la estructura en el sitio donde ocurrió la falla. En ambos casos se estructura en el sitio donde ocurrió la falla. En ambos casos se observa la fase ferrita y un alto porcentaje de fase perlita, que es observa la fase ferrita y un alto porcentaje de fase perlita, que es característico de un acero AISI 1040. Pero se diferencian en que característico de un acero AISI 1040. Pero se diferencian en que el tamaño de grano se encuentra embastecido en la estructura que el tamaño de grano se encuentra embastecido en la estructura que corresponde al sitio donde se presentó la falla. El corresponde al sitio donde se presentó la falla. El embastecimiento del tamaño de grano posiblemente fue embastecimiento del tamaño de grano posiblemente fue ocasionado por el calentamiento al aplicar el recubrimiento ocasionado por el calentamiento al aplicar el recubrimiento alrededor del eje. El porcentaje del constituyente perlítico alrededor del eje. El porcentaje del constituyente perlítico calculado en la microestructura fue de 56% y en la fase ferrita, de calculado en la microestructura fue de 56% y en la fase ferrita, de 44%.44%.


Figura 7 Microestructura de sitio lejano donde ocurrió la falla (20X)

Figura 8 Microestructura del sitio donde ocurrió la

falla, (20X)

ANÁLISIS DE LA FALLAANÁLISIS DE LA FALLALa característica de la zona donde se produjo la falla determina La característica de la zona donde se produjo la falla determina en cierto grado las condiciones de carga por las que se produjo la en cierto grado las condiciones de carga por las que se produjo la fractura. Al analizar la figura 9 se encuentra que la zona de fractura. Al analizar la figura 9 se encuentra que la zona de fractura denominada como zona A tiene la forma de una elipse, y fractura denominada como zona A tiene la forma de una elipse, y en la zona B no son visibles las marcas de playa que caracterizan en la zona B no son visibles las marcas de playa que caracterizan una fractura progresiva. También presenta la formación de un una fractura progresiva. También presenta la formación de un anillo exterior circunferencial demarcada como zona C.anillo exterior circunferencial demarcada como zona C.

Todo lo anterior indica que la rotura se produjo debido a una alta Todo lo anterior indica que la rotura se produjo debido a una alta tensión nominal y un alto coeficiente de concentración de tensión nominal y un alto coeficiente de concentración de esfuerzos. Se encontró que el eje en la región de falla presentó un esfuerzos. Se encontró que el eje en la región de falla presentó un recubrimiento superficial. Para la aplicación del revestimiento recubrimiento superficial. Para la aplicación del revestimiento del eje se maquinó la superficie exterior, generando filetes (Ver del eje se maquinó la superficie exterior, generando filetes (Ver figura 10), que incrementaron los efectos de las cargasfigura 10), que incrementaron los efectos de las cargas ..

ANÁLISIS DE LA FALLAANÁLISIS DE LA FALLA

Figura 9 Sección del eje donde se presentó la falla, del lado

hacia el interiordel motor

Figura 10 Sección maquinada del eje para la aplicación del

recubrimiento

ANÁLISIS DE LA FALLAANÁLISIS DE LA FALLA

Si se observa la forma transversal de la falla en el eje, Si se observa la forma transversal de la falla en el eje, ésta se presenta casi a nivel o a ras en su sección, esto ésta se presenta casi a nivel o a ras en su sección, esto indica que la falla ocurrió por efecto de momentos indica que la falla ocurrió por efecto de momentos torsores esencialmente y además, que el material torsores esencialmente y además, que el material presenta una fractura de carácter dúctil para este tipo de presenta una fractura de carácter dúctil para este tipo de carga. Lo anterior corrobora el análisis metalográfico, carga. Lo anterior corrobora el análisis metalográfico, ya que indica que el acero es de bajo porcentaje de ya que indica que el acero es de bajo porcentaje de carbono por lo tanto su dureza es baja y su carbono por lo tanto su dureza es baja y su comportamiento es dúctilcomportamiento es dúctil..

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

Los valores de dureza que se midieron y que presentaron poca Los valores de dureza que se midieron y que presentaron poca homogeneidad pudieron también influir en la resistencia nominal homogeneidad pudieron también influir en la resistencia nominal del eje, ya que los valores más bajos de dureza 157 HV se del eje, ya que los valores más bajos de dureza 157 HV se presentaron en el punto donde se inició la fractura.presentaron en el punto donde se inició la fractura.

En los análisis de fases se encontró que el tamaño de grano se En los análisis de fases se encontró que el tamaño de grano se encuentra embastecido debido a un sobrecalentamiento del eje al encuentra embastecido debido a un sobrecalentamiento del eje al aplicar el revestimiento. La morfología de las huellas dejadas por aplicar el revestimiento. La morfología de las huellas dejadas por la falla, indica que la rotura se produjo debido a una alta tensión la falla, indica que la rotura se produjo debido a una alta tensión nominal y un alto coeficiente de concentración de esfuerzosnominal y un alto coeficiente de concentración de esfuerzos ..

CONCLUSIONESCONCLUSIONES La concentración de los esfuerzos se produjo por el deficiente La concentración de los esfuerzos se produjo por el deficiente maquinado realizado para la aplicación del recubrimiento, lo que maquinado realizado para la aplicación del recubrimiento, lo que debilitó la sección y generó grietas superficiales. El proceso de debilitó la sección y generó grietas superficiales. El proceso de recubrimiento también pudo haber modificado los radios de recubrimiento también pudo haber modificado los radios de entalle en la zona de fractura, pero su comprobación no se pudo entalle en la zona de fractura, pero su comprobación no se pudo realizar por la característica de la falla que no permitió medir el realizar por la característica de la falla que no permitió medir el radio de entalle.radio de entalle.

Si es estrictamente necesario aplicar un recubrimiento, debe Si es estrictamente necesario aplicar un recubrimiento, debe hacerse con especial cuidado para evitar que el hacerse con especial cuidado para evitar que el sobrecalentamiento embastezca el tamaño de grano, el cual sobrecalentamiento embastezca el tamaño de grano, el cual produce una disminución en las propiedades mecánicas del produce una disminución en las propiedades mecánicas del material.material.

MÉTODOS NUMÉRICOS APLICADOS EN LAMÉTODOS NUMÉRICOS APLICADOS EN LAMECÁNICA DE FRACTURA COMPUTACIONALMECÁNICA DE FRACTURA COMPUTACIONAL

FUNDAMENTOS TEÓRICOSFUNDAMENTOS TEÓRICOS

Elementos finitos (MEF) yDiferencias finitas (MDF)

Discretización del dominio

Elementos deContorno (MEC)

Discretización del contorno

Los métodos de contorno tienen algunas ventajas importantes sobre los métodos de dominio:

Hay una disminución del tiempo de preparación de los modelos. Trabaja sólo sobre el contorno del dominio de cálculo. En particular, el MEC al requerir únicamente la discretización del contorno, trae consigo una reducción de la dimensionalidad del problema con respecto al MEF o al MDF. Pueden tratar mucho más fácilmente problemas que involucren dominios infinitos. Se obtiene el mismo grado de precisión en las dos variables duales del problema (p.ej. desplazamientos y tensiones, potenciales y flujos).

MétodosNuméricos

Dominio

Contorno

Elementos finitos

Elementos de Contorno

Diferencias finitas

MALLADO EN CADA UNO DE LOS MÉTODOSMALLADO EN CADA UNO DE LOS MÉTODOS

Nodo

Nodo

Nodo

MALLA DE ELEMENTOS DE CONTORNO MALLA DE ELEMENTOS DE CONTORNO

2D 3D

Datos geométricos yPropiedades Mecánicas

Módulode

Preproceso

Modulo principal de

análisis(Proceso)

Módulode

Postproceso

Fin

Remallado dela superficie

de grieta

Análisis decrecimiento y

propagación degrietas

¿Crece la grieta?

SI

NO

ESQUEMA DE LA ESQUEMA DE LA

METODOLOGÍAMETODOLOGÍA

COMPUTACIONALCOMPUTACIONALGID v8.0.2

BIE3DH

J-THERMO

FEMAP

(malla deformada)

PLACA RECTANGULAR CON ORIFICIOPLACA RECTANGULAR CON ORIFICIO

Efecto de la Temperatura

Apertura de la grieta y deformación de la malla

T = 23 °C T = 50 °C T = 70 °C

CUERPO CILÍNDRICO CON GRIETA CUERPO CILÍNDRICO CON GRIETA CIRCULAR INTERNACIRCULAR INTERNA

Efecto de la TemperaturaApertura de la grieta y deformación de la malla

T = 23 °C T = 50 °C T = 70 °C

PROBETA CON GRIETA LATERAL PROBETA CON GRIETA LATERAL INCLINADAINCLINADA

Efecto de la TemperaturaApertura de la grieta y deformación de la malla

T = 23 °C T = 50 °C T = 70 °C

ejemplo ing superficie

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