analisisdela falla de anillos de fijación de corte de fabricación iraní
DESCRIPTION
Analisis de la Falla de Anillos de Fabricación debido a defectos de fabricación.TRANSCRIPT
0
ANÁLISIS DE FALLAS DE UN ANILLO DE FIJACIÓN DE UNA
MAQUINARIA DE CORTE DE LÁMINAS METÁLICAS DE
FABRICACIÓN IRANÍ.
Elaborado por:
Ing. Pablo Mármol A, PhD. Doctor en Metalurgia y Ciencia de los Materiales
1
Diciembre, 2012
INDICE
PAG.
SUMARIO 2
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Inspección ocular y registro fotográfico 4
Análisis Macrofractográfico y Macromorfológico 5
Análisis Microfractográfico y Análisis Químicos puntuales por la técnica EDX en Microscopía Electrónica de Barrido (M.E.B) 7 Análisis Metalográficos en Microscopía Optica y M.E.B. asistidos con Análisis EDX 12 Análisis de composición química de la aleación por Fluorescencia de Rayos X 14 Análisis de composición química para los elementos C y S por Gasometría 15 Ensayos de Dureza 16 Cálculo de Esfuerzos en la zona de defectos superficiales por la técnica de modelaje F.E.A. (Análisis por Elementos Finitos) 17 DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES 22 RECOMENDACIONES 24
2
1) SUMARIO:
En el mes de Noviembre 2012 se solicitó a esta empresa asesora, la ejecución
de un estudio de Análisis de Fallas de un anillo de fijación de una maquinaria de
corte de láminas metálicas de fabricación iraní, debido a la presencia de fallas
tempranas por agrietamiento-fractura en dichos componentes. Para ello el
solicitante suministró una pieza en forma de anillo, fabricado de fundición de
hierro, con una falla por fractura frágil y presencia de numerosas
“macroporosidades” en su Cara Frontal.
Para realizar dicho estudio, se trasladaron las piezas falladas al Laboratorio de
Análisis de Fallas de la Universidad, donde fueron sometidos a una serie de
Análisis y Ensayos con la finalidad de determinar la causa raíz del problema de
falla que afecta estos anillos.
Una vez concluidos los ensayos y análisis realizados para el estudio, ha podido
concluirse que el anillo analizado falló debido a la presencia de dos factores:
1) La presencia de discontinuidades microestructurales compuestas por material
“segregado” (compuesto de los ementos Ca, Si y S) dentro de las piezas ,
provenientes de un proceso de fabricación defectuoso.
2) La presencia de “defectos superficiales” (macroporisidades) que actuaron
como “concentradores de esfuerzos” que pudieron elevar los esfuerzos de
servicio a magnitudes que podrían llegar hasta prácticamente el doble de los
esfuerzos normales en la pieza sin estos defectos.
La presencia de estos “concentradores de esfuerzo” en conjunto con el
debilitamiento inherente del componente producido por la presencia de material
segregado dentro de la aleación, generaron durante un “pico de esfuerzo” normal
del funcionamiento del equipo, una condición de sobresfuerzo que no pudo ser
tolerada por el material, llevándolo a la falla ya referida.
3
2) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
Para la elaboración de este estudio, se ha seguido la siguiente secuencia de
análisis y ensayos:
2.1) Inspección visual y registro fotográfico del componente fallado, para el
necesario registro fotográfico del componente fallado a ser estudiado y la
observación de características de interés relativas a la falla.
2.2) Análisis Macrofractográficos y Micromorfológicos de la pieza fallada: con la
finalidad de determinar la zona primaria de agrietamiento, la secuencia de
agrietamiento y la zona terminal de fractura, así como otras características de
interés.
2.3) Análisis Microfractográfico en Microscopía Electrónica de Barrido, asistido con
análisis químicos puntuales por la técnica de Espectroscopía de Energía
Dispersiva (rayos X característicos, EDX-EDS), en Microscopía Electrónica de
Barrido.
2.4) Análisis metalográficos de secciones adyacentes a la zona primaria de
fractura y del cuerpo de los anillos mediante observaciones en Microscopía Optica
y Microscopía Electrónica de Barrido.
2.5) Análisis de composición química por Fluorescencia de Rayos X (PMI).
2.6) Análisis químico para la determinación del contenido de Carbono y Azufre de
la aleación por técnicas de Gasometría analítica.
2.7) Ensayos de Dureza, realizados en forma de barrido de dureza por medio de
ensayos de Dureza por Escleroscopía de Impacto.
2.8) Modelaje de esfuerzos utilizando un programa de Elementos Finitos para
mostrar el efecto de las “macroporosidades” presentes en los esfuerzos de
servicio.
4
3) RESULTADOS EXPERIMENTALES:
3.1) Resultado de la Inspección visual y registro fotográfico:
SERIE FOTOGRÁFICA N° 1:
Imágenes correspondientes al anillo fallado suministrado por el solicitante. Puede apreciarse en la zona
correspondiente al borde de inserción de los tornillos de apriete, como se ha producido una fractura frágil . También
es notoria la cantidad de “huecos”, (macroporos producidos por evolución gaseosa durante el colado del metal
fundido en el proceso de fabricación) en la Cara Frontal del anillo, coincidiendo con la zona de inicio de fractura.
5
3.2) Resultados de los Análisis Macrofractográficos y Micromorfológicos
(asistidos con Microscopía Esteoroscópica de mediana magnificación):
SERIE FOTOGRÁFICA N° 2:
En estas fotografías puede apreciarse en detalle la zona primaria de agrietamiento incluida en una sección
desprendida del cuerpo principal por el evento de fractura. Los círculos y flechas rojas señalan la zona de comienzo
del agrietamiento la cual coincide con uno de los agujeros o macroporosidades anormales presentes en el anillo y se
propaga en la dirección indicada por las líneas amarillas. Este agujero ha actuado como un concentrador de
esfuerzos que ha contribuido al proceso de agrietamiento del anillo.
6
SERIE FOTOGRÁFICA N° 3:
Detalle de la zona de inicio de agrietamiento donde se aprecia la zona del agujero notandose su forma totalmente
esférica, la cual es típica de “burbujas” de gas atrapadas en el colado de la aleación fundida. Pueden observarse
además agrietamientos secundarios (señalados por las flechas rojas) que indican el estado de frágilidad de esta
aleación.
7
3.3) Resultados de los Análisis Microfractográficos en Microscopía
Electrónica de Barrido asistidos con Análisis Químicos puntuales por
técnica EDX-EDS:
SERIE N° 4:
Zona de “segregación” del elemento Calcio, ubicada en la zona primaria de fractura, con concentraciones
anormales entre 14,74 y 21,62%, producto de un proceso de fusión de la aleación donde no hubo disolución-
difusión completa de este elemento de aleación utilizado como “inoculante” para reducir el tamaño y mejorar
la distribución de las hojuelas de grafito.
8
SERIE N° 5:
Otra zona ubicada en la zona primaria de fractura que muestra “cristales” de un elemento segregado, que el
análisis químico puntual por la técnica EDX-EDS en Microscopía Electrónica de Barrido muestra que tiene un alto
contenido del elemento Calcio, indicando nuevamente la presencia de “discontinuidades microestructurales”
producidas por un proceso de disolución incompleta de los elementos de inoculación durante el proceso de fusión
de la aleación.
9
SERIE N° 6:
Observación de la superficie del componente adyacente al “poro” que sirve como nucleador del agrietamiento que
lleva a la fractura. Puede notarse que la superficie no es uniforme sino que existen “discontinuidades”
subsuperficiales anormales que al ser analizadas muestran estar compuesta por los elementos Silicio y Calcio.
10
SERIE N° 7:
Observación en la zona central de la superficie de fractura del componente. Pueden observarse nuevamente
partículas de material “segregado” en el material. El análisis químico muestra contenidos excesivos del elemento
Azufre (42,4%) y el elemento Silicio (10,05%), los cuales pueden considerarse como contaminación el primero y
“anormal” el segundo por su contenido inusual.
Element
Line
Norm.
Wt.%
C K 18.48
O K 3.34
Na K 0.45
Mg K 0.30
Al K 1.39
Si K 10.05
S L 42.04
Cl K 0.13
K K 0.43
Ca K 1.77
Mn K 0.34
Fe K 21.28
Total 100.00
11
SERIE N° 8:
Patrón microfractográfico presente mostrando una textura de agrietamiento mixto transgranular-intergranular
(patrón de agrietamiento por fragilidad) acompañada de hojuelas de grafito.
12
3.4) Resultados de los Análisis Metalográficos en Microscopía Optica y
Microscopía Electrónica de Barrido asistida con EDX-EDS:
SERIE FOTOGRÁFICA N° 8:
Metalografías correspondientes a las zonas adyacentes a la zona primaria de agrietamiento, mostrando la
microestructura característica de una fundición gris perlítica con hojuelas de grafito tipo “A”, con la presencia de
numerosas zonas de defectos compuestos por gran cantidad de porosidades subsuperficiales (flechas amarillas) y
“partículas de material segregado” (Azufre, Silicio y Calcio) contenidas en la aleación (flechas rojas).
13
SERIE FOTOGRÁFICA N° 9:
Metalografías observadas en Microscopía Electrónica de Barrido en las cuales puede observarse claramente la
presencia de “zonas segregadas”/contaminación, localizadas puntualmente en la matriz de la aleación. Los resultados
de los ensayos de Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X característicos (EDX-EDS) nuevamente muestran
que dicho material está compuesto por altos contenidos de los elementos Calcio, Silicio y Azufre.
14
3.5)Resultados de los Análisis de composición química por Fluorescencia
de Rayos X (PMI).
Para determinar la composición química del anillo fallado, fue sometido a ensayos
de Fluorescencia de Rayos X (PMI) utilizando un equipo portátil para ello; los
resultados presentados corresponden al promedio de los resultados del ensayo
realizado por triplicado.
El resultado indicó que se trata de una fundición férrea con microaleantes (Níquel,
Cromo, Vanadio, Cobre y Molibdeno).
SERIE FOTOGRÁFICA N° 10:
Las imágenes muestran la ejecución del ensayo de Fluorescencia de Rayos X, en el anillo fallado y los
resultados obtenidos en la pantalla del equipo en uno de los tres ensayos realizados. La tabla presentada
muestra el promedio de los resultados obtenidos.
Tabla N° 1: Resultados de los Análisis por Fluorescencia de Rayos X.
15
3.6) Resultado de los Análisis de composición química de los elementos C y
S por gasometría analítica:
Para determinar de manera exacta el contenido de los elementos Carbono y
Azufre, se extrajeron virutas metálicas de varios sitios del anillos y se ensayaron
por el método de gasometría analítica.
El resultado mostrado corresponde al promedio de los resultados de los análisis
realizado por triplicado.
Elemento % Promedio
Carbono 3,28%
Azufre 0,012%
El porcentaje del elemento Carbono obtenido corresponde al rango de este
elemento en este tipo de aleaciones, el porcentaje del elemento Azufre está en el
topo superior del rango normal (0,06-0,12%) de este elemento.
Tabla N° 2: Resultados de los Análisis Gasomet´ricos
16
3.7) Resultado de los ensayos de dureza:
Para comprobar la resistencia mecánica de la aleación utilizada para la fabricación
del anillo, se realizaron ensayos de dureza por el método de escleroscopía de
impacto.
Los resultados obtenidos corresponden al rango de resistencia mecánica típica de
una fundición de hierro gris perlítica, (con una Resistencia Máxima (UTS) del
orden de 45.500 psi (para el valor promedio de durezas obtenido).
Se reportan los valores promedios obtenidos de un “barrido de dureza” (al menos
15 puntos en cada zona):
Zona Dureza Brinell (HB) Promedio
Cara Frontal del Anillo 245
Pared Lateral del Anillo 235
Zona: Cara Frontal del Anillo
Zona: Pared Lateral del Anillo
Tabla N° 3: Resultados de los Ensayos de Dureza
17
3.8) Resultado del modelaje por Elementos Finitos para determinar el efecto
de las “macroporosidades” en los esfuerzos de servicio del componente:
En vista de la presencia de “macroporosidades” importantes en la cara frontal del
anillo y de la presencia de uno de estos defectos en el punto de inicio de la
fractura que produjo la falla, se realizó un modelaje para el cálculo de los
esfuerzos que se generan en el anillo “con y sin” la presencia de este defecto
superficial.
Los resultados hallados mostraron que la presencia de esta “macroporosidad” en
la zona primaria de agrietamiento, produce esfuerzos de casi el doble de magnitud
en comparación con los esfuerzos que se generan en el componente si no existen
este tipo de defectos.
Para el modelaje se dibujó la pieza utilizando el programa SOLID WORK 2012,
para el modelaje de los esfuerzos se utilizó el programa Patran-Nastran 4D.
Figura N° 1:
Izquierda: Dibujo del anillo realizado en Solid Work sin defectos en la Cara Frontal
Derecha: Dibujo del anillo realizado en Solid Work con un defecto (agujero semiesférico) en la Cara Frontal
(encerrado en el círculo rojo), colocado en la misma posición de la zona de origen de fractura de la pieza estudiada.
18
Figura N° 2:
Superior: Detalle del defecto en la Cara Frontal (agujero semiesférico) utilizado para el modelaje. Centro: Cara Frontal “sin defecto” utilizada en el modelaje. Inferior: Izquierda, Mallado del componente sin defecto (2.023 elementos, 3660 nodos); Derecha, Mallado del componente con el “defecto” (3.230 elementos, 4.125 nodos).
19
Figura N° 3:
Resultado del modelaje para la determinación de esfuerzos en la Cara Frontal del anillo en la condición:
“sin defecto superficial”. El resultado muestra valores de esfuerzos del orden de 20.500 psi, los cuales
están por debajo del 50% del esfuerzo de rotura de esta aleación.
20
Figura N° 4:
Resultado del modelaje para la determinación de esfuerzos en la Cara Frontal del anillo en la condición:
“sin defecto superficial”. El resultado muestra valores de esfuerzos del orden de 43.500 psi, los cuales
están cercanos al valor de resistencia máxima de la aleación, por lo que en operación durante un “pico
de esfuerzos” fácilmente el valor podría superar la resistencia máxima y fallar por fractura.
21
Figura N° 5:
Comparación de los resultados obtenidos en el modelaje con la pieza en la condición “sin defecto en la
Cara Frontal” del anillo y en la condición “con defecto”; se aprecia que en la última condición
prácticamente se duplican los esfuerzos en la zona.
22
4)DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES:
4.1) La pieza estudiada muestra claramente la presencia de defectos de
fabricación provenientes del proceso de fusión y colado de la aleación; estos
defectos están constituidos por:
4.1.1.) La presencia de “partículas y zonas de material segregado”, compuesto
principalmente por los elementos inoculantes Calcio y Silicio ( típicamente
utilizados en la fabricación de este tipo de fundiciones para refinar las láminas de
grafito) ; en el caso presente estos elementos no se distribuyeron uniformemente
en la matriz de la aleación sino que quedaron acumulados en zonas puntuales,
debido probablemente a que no se dieron las condiciones de temperatura, tiempo
suficiente y/o la agitación adecuada para que se disolviesen adecuadamente en el
baño fundido durante la etapa de fabricación de la aleación. Adicionalmente se
pudo detectar además un alto contenido de azufre en estas zonas segregadas,
proveniente probablemente de contaminación del baño fundido.
4.1.2) La presencia de estos defectos produjo “exceso de gases” durante el colado
que no evolucionaron adecuadamente fuera de la pieza colada, dejando defectos
superficiales (macroporosidades) en la pieza colada. Es conocido que la
presencia excesiva del elemento azufre en la fundición produce cantidades
excesivas de gases durante el colado y solidificación.
4.2) La CAUSA RAÍZ de la falla estudiada está relacionada directamente con la
presencia de estos “defectos”, ya que estas discontinuidades microestructurales
(la presencia de partículas y material segregado) produce concentradores internos
microscópicos de la aleación que la debilitan ante la aplicación de esfuerzos
externos y aunque su efecto no puede detectarse como una disminución de
dureza de la aleación, su presencia afecta severamente la tenacidad de la
aleación (la cual no puede estimarse a partir de las mediciones de dureza).
23
4.3) El estudio del efecto de la presencia de estos defectos superficiales como
“concentradores de esfuerzos” macroscópicos en la pieza realizado a través del
modelaje por la técnica de Elementos Finitos, demuestra claramente el efecto
perjudicial de los mismos ya que incrementan de manera importante los esfuerzos
de servicio (casi los duplican) a valores muy cercanos a la resistencia máxima de
la aleación, lo que produce que en cualquier condición de “esfuerzos picos” de
servicio (normales en las operaciones de arranque de la maquinaria o en cualquier
eventualidad de funcionamiento) puedan superarse los valores de resistencia
máxima de la aleación y se produzca una falla por fractura frágil, similar a la
detectada en la pieza fallada del presente estudio.
4.4) Los resultados de los ensayos de dureza y análisis de composición química
realizados muestran que la aleación corresponde a una típica fundición de hierro
gris de baja aleación, en el rango estándar para este tipo de aleaciones. Por esta
razón no puede hablarse de una aleación fuera de especificaciones mecánicas y
químicas, sino que en este caso el problema proviene de un proceso de
fabricación defectuoso que produjo “puntos débiles” y “macroporosidades” que
ocasionaron la falla del anillo en condiciones normales de operación.
4.5) Finalmente en relación a la falla estudiada puede concluirse que La presencia
de estos “concentradores de esfuerzo” en conjunto con el debilitamiento inherente
del componente producido por la presencia de material segregado dentro de la
aleación, generaron durante un “pico de esfuerzo” normal del funcionamiento del
equipo, una condición de sobresfuerzo que no pudo ser tolerada por el material,
llevándolo a la falla ya referida.
24
5) RECOMENDACIONES:
En base a los resultados hallados en este estudio, se recomienda:
5.1) Hacer el reclamo correspondiente al fabricante de estos componentes debido
a que la falla producida no guarda relación con operaciones de ajuste equivocadas
(como sobretorque o sobre apriete de los tornillos) sin debido a la mala calidad de
fabricación y defectos presentes inaceptables bajo ningún código de control de
calidad de fabricación y de funcionamiento.
5.2) Descartar todas las piezas con defectos superficiales evidentes, porque en
este caso son un indicio de defectos internos de fabricación que debilitan la
aleación y la colocan en situación de alto riesgo para falla.