Scientia et Technica Año X, No x, Mes 200x. UTP. ISSN 0122-1701 1

ANALISIS Y EVALUACION DE FALLAS DE UNA PIEZA MECANICA SOMETIDA A UNA

CARGA PROBOCANDO FRACTURA TOTAL EN LA PIEZA.

RESUMENCon este trabajo se busca analizar y evaluar las posibles causas de las fallas en un destornillador de pala con base a los procedimientos vistos durante el curso.

PALABRAS CLAVES: Análisis metalografico, análisis de dureza, simulación en algor, carga, acero de herramientas.

ERIC F. MOSQUERA V

Estudiante ingeniería mecatronicaUniversidad Autónoma de Occidenteeric.vassilizaitsev@gmail.com

1. INTRODUCCIÓNEn la actualidad el análisis y evaluación de fallas es de vital importancia para el diseño de nuevas estructuras de ingeniería o para resolver problemas de fallas causados por factores externos, los cuales someten a la pieza en cuestión a entrar en colapso. Todo esto se hace con el fin de identificar o determinar las posibles causas y con base a dicha determinación, poder establecer recomendaciones correctivas y preventivas.

Por medio de análisis matemáticos y simulación en software especializado se busca también prever posibles fallas estructurales y corroborar la fiabilidad de la estructura.

Figura 1. Herramienta objeto de análisis.

2. ANALISIS METALOGRAFICO.Preparación de la muestra: En este proceso consiste en separar de la pieza mecánica una pequeña muestra que posteriormente servirá para realizar el montaje.

La muestra no debe ser muy grande porque se dificultaría el proceso de pulido y se recomienda hacer un corte en cada dirección (transversal y longitudinal)

Montaje: Para que el manejo de la muestra sea más sencillo y seguro y además que al pulir no se pierda nada de  las fronteras de la pieza, son montadas en resinas epóxicas acrílicas o baquelita, que son materiales de alta dureza y muy buena resistencia mecánica y a la corrosión. Este montaje se puede hacer en frío o en caliente. Para este caso en particular la pieza fue sometida a una temperatura de 140 ºC.

Pulido: Los granos y otras características de los metales no pueden verse al menos que la muestra se desbaste y se pula para eliminar las ralladuras. Esto se consigue por medio de una seria de lijas que van desde la numero 80 hasta la numero 1000; teniendo en cuenta que la Nº80 tiene el grano mas grueso y la Nº1000 un grano mas fino. El pulido se realiza en un ángulo recto, luego en dirección perpendicular al pulido anterior.

Después de pasar la pobreta por la última lija a continuación la muestra pasa a los paños de pulido en donde se aplica alumina y agua para dejarlo listo para el ataque del reactivo.

Ataque: El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales del metal o aleación. El proceso debe ser tal que queden claramente diferenciadas las partes de la micro estructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que somete a la superficie pulida a una acción química. Los reactivos que se sutilizan consisten en ácidos orgánicos o inorgánicos y el álcali disuelto en alcohol, agua u otros solventes. Para el ataque de las muestras se aplico Nital.

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Figura 2. Montaje en baquelita

Figura 3. Aumento 10X

Figura 4. Aumento 20X

Figura 5. Aumento 50X

3. ACEROS PARA HERRAMIENTAS.Esta clase de aceros se caracterizan y se busca que posean una gran tenacidad, dureza, resistencia al desgaste y la dureza al rojo y son los factores mas importantes; por lo generar suele llamarse “acero para herramientas” cualquier acero que sea empleado para fabricar una herramienta, pero en general este termino es empleado para aceros que tienen alta calidad para corte o formado.

A continuación se expondrá una serie de aceros que son muy empleados para la elaboración de destornilladores.

El acero 465: Es una aleación de acero inoxidable martensítico cronoendurecido.

Esta aleación es magnética, con una dureza de 54HRC.

Acero 4140: Algunas aplicaciones para los aceros de herramientas son destinadas para la elaboración y fabricación de destornilladores; existen distintos materiales con los que se fabrican dichas herramientas, por ejemplo:

El acero 4140 se caracteriza por su estabilidad en caliente hasta 400°C, sin fragilidad de revenido, muy versátil y apto para esfuerzos de fatiga y torsión. Entre otras aplicaciones están llaves de mano, brazos de ejes, cigüeñales etc.

AnálisisQuímico

C Mn Si Cr Mo.38/43 .75/1.00 .20/.35 .80/1.10 .15/.25

Tabla 1. Aceros para herramientas 4140

Acero 5135: Para piezas de buena tenacidad y que no requieran una profundidad de temple muy alta.

El 5135 también es empleado para partes para vehículos, tractores, pasadores, tornillos y tuercas de alta resistencia.

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3. ANALISIS DE MICRODUREZA El análisis de microdureza dureza Brinell correspondiente al material fue de 320 HB y dureza Vikcers 337 HV.

Figura 5. Huella identador microdureza.

4. SIMULACION EN SOFTWARECon este modelado se trata de tener una visión más amplia acerca del efecto que causa una fuerza en un destornillador y así poder determinar las posibles zonas de concertación de esfuerzos por medio del método de elementos finitos.

En la simulación en Algor se aplico una fuerza equivalente a 1000 lbf cerca del mango de la herramienta y a su vez dejando restringido el vástago. Cómo resultado del análisis se observa áreas de colores más claros donde actúan los concentradores de esfuerzos.

Figura 6. Modelado 3D

Figura 7. Análisis de esfuerzos

5. FRACTURA EN UNA PIEZASe define como la separación o fragmentación de una solidó bajo la acción de una caga externa y se caracteriza por imperfecciones o concentraciones de esfuerzos localizado de intensidad crítica. Para que una fractura ocurra se debe aumentar la carga progresivamente hasta cuando ocurre un proceso de nucleacion.

La nucleación es una pequeña fisura de tamaño menor a la micra.

La grieta es una fisura o discontinuidad de la superficie externa o en la parte interna de una pieza, que produce:

Reducción de la capacidad de de soportar cargas.

Desempeño inadecuado y riesgo de falla. Reducción de vida útil del componente.

Con base a esto se puede decir que la fractura del material es del tipo frágil porque los fragmentos de la pieza pueden volverse a juntarse sin que haya cambios significativos en la geometría.

6. CONCLUSIONES

La cusa más probable por lo cual la herramienta sufrió una fractura frágil es debido a que esta herramienta en especial esta diseñada para recibir fuerzas de rotación y no de traslación como presuntamente fue utilizado el destornillador.

En la industria es común que empleen materiales de dureza considerables para la elaboración de destornilladores, pero para este caso la herramienta se empleo un acero con una dureza relativamente baja 320HB.

Como se puede observar en la simulación realizada en Algor, en la zona donde se une el mango con el vástago presenta una concertación de esfuerzo elevada, es por eso

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que es común ver que a este tipo de herramientas les implementen un pequeño refuerzo en aquella zona.

En realidad es difícil determinar con exactitud cual es el material y cuales son sus compuestos, con el cual se fabrico la herramienta, para ello se haría necesario desarrollar un análisis químico.

En la elaboración de herramientas es difícil seleccionar un material determinado ya que existen diversas características y aleaciones, las cuales pueden ser útiles. Por lo tanto es común correlacionar las características más importantes de diferentes materiales para llegar al acero que se desea.

N. BIBLIOGRAFÍA

Diseño mecánico por elementos finitos, diapositiva. Héctor Enrique Jaramillo.ASM Hand Book.www.uaovirtual.edu.co

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