análisis de falla de materiales
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Anlisis de Falla de Materiales
Fernando Medina Ingeniero Metalrgico
Analista de Falla en CECOB Unexpo 2003 Docente IUTPC
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Historia de las Fallas?
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Que debe conocer un analista de falla?
1.Ciencia de los Materiales (metales, Cermicas, Polmeros, etc.)
2.Procesos de fabricacin (Fundicin, Conformado, Soldadura)
3.Conocimiento de la industria (Qumica, Petrolera, Alimentos, Minera, Aeronutica etc.)
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Cul es el desafo de la Ingeniera de Materiales?
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Falla: Cese de la funcin o inutilidad de una pieza o material de Ingeniera.
La Pieza falla cuando:
La pieza llega a ser totalmente inoperante (fallas normalmente catastrfica)
Puede operar pero no puede realizar satisfactoriamente su funcin
El nivel de daos hace inseguro su uso
Porque los materiales fallan?
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Funcin
Diseo
Produccin del material
Procesos primarios de Fabricacin
Procesos secundarios de Fabricacin
Acabado
Ensamblaje
Almacenaje
Servicio
Costo Beneficio
Causas de la Falla:
Son variables y normalmente sinrgicas. Estn asociadas al:
Diseo y fabricacin de la pieza
Condiciones y tiempo de uso
ANALISIS DE FALLAS
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Funcin
Diseo
Produccin del material
Procesos primarios de Fabricacin
Procesos secundarios de Fabricacin
Acabado
Ensamblaje
Almacenaje
Servicio
Costo Beneficio
Falla
Anlisis de Falla
Objetivo del anlisis de falla:
Determinacin de la causa o causas
Rediseo para evitar fallas
Evitar fallas similares
Ayuda en caso de litigio penal, civil o mercantil
Indicar responsabilidades
ANALISIS DE FALLAS
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Errores de diseo Forma y dimensiones de la pieza
Seleccin del material
Evaluacin del material
Seleccin del proceso de fabricacin
Calculo de cargas esperadas, esfuerzos de diseo, desgaste (Condiciones de servicio)
Consideraciones del ambiente de servicio
Criterios para la seleccin del material (nivel de defectos permitidos)
Errores de ensamblaje
ANALISIS DE FALLAS
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Un anlisis para determinar los factores responsables que ocasionaron la prdida prematura o la inutilidad del elemento o pieza , que ayuda a prevenir que no ocurran fallas similares.
CRITERIOS PARA EL ANALISIS DE FALLAS: 1. Obtener informacin apropiada y completa. El analizador recoge y
genera toda la informacin que pueda concerniente a la falla. Esto incluye historia del elemento o pieza, funcin, historia de servicio, ensayos sobre la parte que fallo, estudios de laboratorio, clculo de esfuerzos, etc.
2. Crear una hiptesis para la causa de la falla. Esta etapa implica ordenar la informacin, confrontar teora y datos, aplicar experiencias, refutar hiptesis erradas, es decir aplicar pensamiento lgico ingenieril.
ANALISIS DE FALLAS
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CRITERIOS APLICABLES
1. Se debe hacer toda la investigacin necesaria que nos lleve a las causas de la falla
2. El anlisis debe de ser completo, pero no necesariamente exhaustivo. La profundidad depender de la importancia de la pieza y del costo asociado
3. No debe llegarse a un anlisis de falla con una idea preconcebida 4. El proceso del examen de la falla determinar los ensayos a
realizarse. Debe disearse una secuencia apropiada de los ensayos 5. Deben respetarse las exigencias tcnicas de los ensayos 6. La formacin cientfica e ingenieril del analizador es crtica 7. Debe rescatarse la mxima informacin de la falla. Simulaciones
pueden ayudar pero nunca suplican la realidad de las condiciones de la falla
ANALISIS DE FALLAS
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SECUENCIA RECOMEDABLE
1. Investigacin necesaria que nos lleve a las causas de la falla Historia termo mecnica, composicin qumica, diseo dimensional, condiciones de servicio, etc.
2. Inspeccin visual de la falla Anlisis de la fractura, grado de deformacin 3. Inspeccin con Lupa estereoscpica 4. Establecimiento de hiptesis en base a detalles macroscpicos de zona de inicio de la falla
y caracterizacin del tipo de fractura 5. Relacin de la inspeccin macroscpica con informacin sobre la falla y sus condiciones de
falla Validacin de la Hiptesis 6. En caso de dudas razonables y dependiendo del caso, Anlisis complementarios
i. Anlisis qumicos ii. Metalografa iii. Evaluacin de propiedades mecnicas
7. Relacin anlisis complementarios y de la inspeccin macroscpica con informacin sobre la falla y sus condiciones de falla Validacin de la Hiptesis
8. En caso de dudas razonables y dependiendo del caso, Anlisis complementarios especiales i. Microscopia electrnica de barrido ii. EDX, Auger, Difraccin de RX, etc. iii. Microscopia electrnica de trasmisin
9. Relacin anlisis complementarios y de la inspeccin macroscpica con informacin sobre la falla y sus condiciones de falla Validacin de la Hiptesis
ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
Herramientas Empleadas
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INSPECCION VISUAL
Anlisis macroscpico de la fractura y de su zonas cercanas
Inspeccin con lupa estereoscpica
OBJETIVO: Ubicar el inicio de la falla Establecer hiptesis sobre las causas de la misma Clasificar a la fractura segn su ductilidad o fragilidad
INDICADORES: Grado de deformacin Aspecto y brillo de la fractura Orientacin espacial de la fractura : Detalles de la fractura: Marcas chevron ?, labios de corte?, fibrosidad ?,marcas de
playa?, mltiples grietas?, presencia de xido?, presencia de coloraciones, superficiales?, presencia de discontinuidades?, presencia de concentradores de esfuerzos?, etc.
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Marcas Chevron
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Seccin transversal
Origen de la falla
Zona fibrosa
Marcas Chrevn
Labios de corteLas marcas indican el inicio y la
direccin de propagacin de la gieta
Seccin transversal
Origen de la falla
Zona fibrosa
Marcas Chrevn
Labios de corteLas marcas indican el inicio y la
direccin de propagacin de la gieta
Seccin transversal
Origen de la falla
Zona fibrosa
Marcas Chrevn
Labios de corteLas marcas indican el inicio y la
direccin de propagacin de la gieta
Zona fibrosa (opaca) Marcas chevron (brillante)
ANALISIS DE FALLAS
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Marcas chevron
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
ERRORES DE DISEO
Diseo original Diseo propuesto
Falla de un eje de un acero herramienta A6 diseo original y propuesto
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Falla de un acople de aleacin de Al- 7075 Diseo original y propuesto
Diseo original Diseo propuesto
Falla de un acople de acero 4130 Diseo original y propuesto
Diseo original Diseo propuesto
ANALISIS DE FALLAS
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INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS
ANALISIS DE FALLAS
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INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS
Bajo nivel nominal de esfuerzos
Sin concentrador de esfuerzos
Concentrador de esfuerzos medio
Concentrador de esfuerzos severo
Variacin de las marcas de playa en la fractura en funcin del nivel de la carga y de la magnitud de los concentradores de esfuerzos
ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS
Sin concentrador de esfuerzos
Concentrador de esfuerzos medio
Concentrador de esfuerzos severo
Variacin de las marcas de playa en la fractura en funcin del nivel de la carga y de la magnitud de los concentradores de esfuerzos
Alto nivel nominal de esfuerzos
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ANALISIS DE FALLAS
INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS
Diseo original Diseo optimizado
La variacin de las juntas genera variaciones sustanciales en el nivel de concentracin de esfuerzos
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ANALISIS DE FALLAS
INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS
Diseo original Diseo optimizado
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ANALISIS DE FALLAS
PRINCIPALES TIPOS DE FALLAS Sobercarga Mecnica
Fractura fragil
Fractura ductil
Fatiga Alto ciclaje
Bajo ciclaje
Mecanica
Trmica
Corrosin
Termofluencia (Creep)
Fractura por impacto
Corrosin
Fragilizacin por Hidrgeno
Desgaste
Erosin Abrasin
Cavitacin
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ANALISIS DE FALLAS
FRACTOGRAFIA APLICADA AL ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
Conjunto de tcnicas mediante la cual se realiza la observacin de la superficie de fractura de un material con el objeto de determinar realizar el anlisis de su falla o caracterizar el material
FRACTOGRAFIA
FRACTURA:
Separacin fsica en dos o mas partes de un material por efecto del avance de una o de mltiples grietas El material por la accin de un estado de esfuerzo aplicado, mas all de deformarse interna o externamente tiende a separarse en los planos de enlace atmico o en las uniones resultantes de los potenciales de interaccin en el estado slido que existen en los constituyentes o fases presentes.
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ANALISIS DE FALLAS
La observacin de la superficie de fractura puede proporcionar informacin sobre los siguientes parmetros que caracterizan la rotura de un componente o material de ingeniera en servicio:
Mecanismo de propagacin de la fisura
Fractotenacidad del material
Configuracin de las tensiones actuantes
Medio qumico involucrado
Origen de la fractura
Una fractografa es tanto ms til cuanto mayor sea la informacin que permita obtener. El anlisis resulta particularmente efectivo si se puede determinar el punto origen o comienzo de la fractura y se logra vincular este a las causas de la falla.
FRACTOGRAFIA APLICADA AL ANALISIS DE FALLA
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ANALISIS DE FALLAS
TECNICAS UTILIZADAS EN FRACTOGRAFIA
Inspeccin visual Evaluacin con lupa estereoscpica Evaluacin con Microscopia electrnica Analizador de imgenes Tcnicas de anlisis fractales
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ANALISIS DE FALLAS
INSPECCION VISUAL
Anlisis macroscpico de la fractura y de su zonas cercanas
Inspeccin con lupa estereoscpica
OBJETIVO: Ubicar el inicio de la falla Establecer hiptesis sobre las causas de la misma Clasificar a la fractura segn su ductilidad o fragilidad
INDICADORES: Grado de deformacin Aspecto y brillo de la fractura Orientacin espacial de la fractura : Detalles de la fractura: Marcas chevron ?, labios de corte?, fibrosidad ?,marcas de
playa?, mltiples grietas?, presencia de xido?, presencia de coloraciones, superficiales?, presencia de discontinuidades?, presencia de concentradores de esfuerzos?, etc.
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
Al usar luz visible, con una lupa, la resolucin puede disminuir hasta d 0,02nm (10 X) y con el
uso de un microscopio ptico se puede incrementar la resolucin hasta d 170 nm ( 1000 X).
d 0,2 a 0,02 mm .
Evaluacin con lupa
estereoscpica
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ANALISIS DE FALLAS
Sin embargo, si en lugar de utilizar la luz como rayo incidente sobre la muestra es utilizado un haz de electrones, se lograr disminuir notablemente . As con un microscopio electrnico de barrido, MEB (SEM- Scanning Electron Microscope por sus siglas en ingls) se incrementa la resolucin hasta d 50 A , y con uno de Transmisin, MET (TEM Transmisin Electrn Microscope por sus siglas en Ingls) hasta d entre 1 y 2 A (Aumentos entre 50.000 y 100.000 X, respectivamente).
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ANALISIS DE FALLAS
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO
MODO TIPO DE SEAL INFORMACION
REFLECTIVO ELECTRONES
REFLEJADOS
COMPOSICIONAL
CRISTALOGRAFICA
EMISIVO ELECTRONES
SECUNDARIOS
EMITIDOS
TOPOGRAFICA, CAMPOS
MAGNETICOS Y
ELECTRICOS
LUMINISCENTES FOTONES COMPOSICIONAL
ABSORBENTE ELECTRONES
ABSORBIDOS
TOPOGRAFICA
RAYOS X FOTONES RAYOS X COMPOSICIONAL
AUGER ELECTRONES AUGER COMPOSICIONAL
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ANALISIS DE FALLAS
REPLICAS METALOGRAFICAS
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
TECNICAS UTILIZADAS EN FRACTOGRAFIA
Es por lo tanto crucial conocer la informacin que proporciona cada tcnica para saber cual utilizar en el momento preciso segn lo que se requiere determinar.
Si se requiere una informacin macroestructural (cualitativa y semi cuantitativa), no es necesario incrementar la resolucin, ni utilizar tcnicas costosas ni especializadas. Bastara un macroataque y una inspeccin visual.
Si se requiere conocer (cuantitativamente) el tamao de grano o el nivel de inclusiones de un material, basta con seguir las normas ASTM y utilizar microscopia ptica a 100X, no tendra sentido utilizar otra tcnica mas costosa de mayor resolucin. Tcnicas complementarias a Fractografa
Si se requiere conocer las caractersticas morfolgicas de una fractura y su relacin con la microestructura de la aleacin, o es necesario evaluar finos precipitados o quizs los mecanismos de un fino proceso corrosivo y su ubicacin en una aleacin, conviene utilizar Microscopia electrnica de Barrido. Esta informacin asociada al tradicional anlisis metalogrfico y a los anlisis qumicos general de la muestra pude ser suficiente para llegar a obtener la informacin requerida
Sin embargo, en ocasiones se requiere una mayor, detallada y focalizada evaluacin, requirindose mas resolucin. Adicional a la informacin obtenidas con las otras tcnicas, se debera entonces utilizar Microscopia Electrnica de Transmisin.
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ANALISIS DE FALLAS
FRACTOGRAFIA Y TENACIDAD
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ANALISIS DE FALLAS
TIPOS DE FALLA
Fractura
Ductil Mixta Fragil
Variables
Intrnsecas Extrnsecas
Tipo y forma de vinculacin interatmica Estructura cristalina Homogeneidad del sistema Nivel de defectos
Temperatura Modo y de aplicacin de la carga Medio de servicio Distribucin de la carga
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ANALISIS DE FALLAS
Copa Cono
Morfologa de la Fractura Ductil
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ANALISIS DE FALLAS
Dimples en la Fractura Dctil
Coalescencia de microhoyuelos
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ANALISIS DE FALLAS
SUPERFICIE SUPERIOR
SUPERFICIE INFERIOR
FRACTURA DUCTIL
El avance de la grieta es intergranular
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ANALISIS DE FALLAS
La coalescencia de microhoyuelos formados a partir de precipitados y fases duras, genera el avance de la grieta en el interior de los granos
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ANALISIS DE FALLAS
Hoyuelos equiaxiales (tensin)
Hoyuelos eslongados (corte)
Hoyuelos eslongados (tensin biaxial)
Textura de la Fractura Ductil
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ANALISIS DE FALLAS
Fractura Fragil
CLIVAJE
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ANALISIS DE FALLAS
Deformacin Plstica
Grieta
N
f
borde de la grieta
Plano de deformacin plstica mxima
El avance de la grieta se facilita con precipitados coherentes
Avance transgranular de la grieta Reflejo de la luz
Avance intergranular de la grieta
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Planos de clivaje
Clivaje
Textura de la Fractura Fragil
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ANALISIS DE FALLAS
FRACTURA DUCTIL FRACTURA FRAGIL
DEFORMACIN (ESTRICCIN) MULTIPLE FISURACIN
MARCAS CHEVRON
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FRACTOMECANICA
Tensin Corte Compresin
Ductil Fragil Ductil Fragil Ductil Fragil
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ANALISIS DE FALLAS
fractura Zonas con evidencia de
deformacin
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
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ANALISIS DE FALLAS
TRANSICION DUCTIL-FRAGIL
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ANALISIS DE FALLAS
EFECTO DE LA TEMPERATURA
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ANALISIS DE FALLAS
EFECTO DE LA TEMPERATURA
Fractura Ductil
Fractura Fragil
HOYUELOS (DIMPLES)
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ANALISIS DE FALLAS
FATIGA
Falla catastrfica de tipo fragl que ocurre cuando un material es sometido a esfuerzos cclicos con valores nominales muy inferiores a los esfuerzos de fluencia.
Las grietas se nuclan normalmente de manera superficial o subsuperficial, las cuales avanzan progesivamente, generando estriaciones e intriaciones
El avance de la grieta es favorecido por las concentraciones de defectos e impurezas y por la disminucin de zona plstica en el frente de avance de la grieta. El avance de la grieta depender de los niveles de carga aplicada, del numero de ciclos, de la plasticidad y del nivel de microlimpieza del material y de la agresividad del medio
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ANALISIS DE FALLAS
FATIGA
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ANALISIS DE FALLAS
FATIGA
Origen
Marcas Conchoidales
Final de la fractura
Estriaciones de fatiga Morfologa de la fractura
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ANALISIS DE FALLAS