ApMat (P3)

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  1. 1. MATERIALES DE INGENIERÍA (Parte 3) Julio Vergara Aimone ICM 2312
  2. 2. INTRODUCCION Esta es la última sesión de la materia relativa a los materiales y las formas típicas de falla. La práctica de la ingeniería reconoce diferentes tipos de fallas que se pueden sistematizar para su evaluación y emisión de lecciones. A partir del ensayo de tracción se puede inferir un efecto por cedencia, en el cual ciertos planos cristalográficos se deslizan. Asimismo, habría deformación modificándose levemente la forma original del componente. En ciertos casos, su función se degrada por una interferencia física. J.Vergara ICM2312
  3. 3. INTRODUCCION La mayoría de las fallas en ingeniería se escapan a esos fenómenos simples de reconocer. El diseño mecánico inicialmente se limita a esos dos modos de falla y por cierto dedicaremos gran parte del curso a su estudio y análisis. Las fallas reales son más complejas, y difíciles de reconocer y evitar al momento del diseño, ya que suele darse una integración de variables que de- gradan el rendimiento mecánico previsto del com- ponente y de paso el prestigio del diseñador, que lo suponía infalible, irrompible, insumergible, etc. J.Vergara ICM2312
  4. 4. INTRODUCCION Después de revisar los principales modos de falla, veremos dos modos que son típicos en la práctica profesional y que son dolores de cabeza para los ingenieros y analistas de falla: fractura y fatiga. Asimismo, no es raro que los modos de falla se vean agravados por la influencia del ambiente de operación y por la impericia de las personas que los gestionan y mantienen. En el curso veremos ejemplos de modos de falla, algunos emblemáticos por las consecuencias y analizaremos hasta qué punto se pudieron evitar. J.Vergara ICM2312
  5. 5. INTRODUCCION Aplicación Ambiente Cargas Material T E, sy, sUTS, ef, sF, n, E+ r, KIC, $, Cp, k, a, … n Comportamiento f (si, ej,...) < sADM Desarrollo J.Vergara ICM2312
  6. 6. MECANISMOS DE FALLA Hemos visto antes el ambiente que se impone a los materiales. Ahora veremos los tipos de falla que suelen encontrarse en los materiales. J. Collins sugiere una clasificación sistemática a partir del cómo la falla pudiera ser anticipada, originando la siguiente: A) Manifestaciones de Falla. La falla se des- B) Agentes Inductores de Falla. cribe completa con estas tres. C) Localizaciones de falla. J.Vergara ICM2312
  7. 7. MECANISMOS DE FALLA A) Manifestaciones de Falla: Se pueden definir 4 manifestaciones gruesas de falla, con algunas subcategorías: 1) Deformación elástica. 2) Deformación plástica. 3) Fractura o Ruptura. 4) Cambios en el material. a) Materialúrgico (i.e. cambio de fase, HAZ, creep) b) Químico (i.e. corrosión, fuego, reacción exotérmica) c) Nuclear (i.e. níquel en cobalto, intersticios, voids) J.Vergara ICM2312
  8. 8. MECANISMOS DE FALLA B) Agentes Inductores de Falla: Se pueden definir cuatro agentes principales, con algunas subcategorías: 1) Fuerza 2) Temperatura Estacionario/transiente Muy baja/baja/amb./alta Cíclica/random Cíclica/random 3) Tiempo 4) Ambiente hostíl Muy corto/corto/largo Químico Nuclear (neutrones) J.Vergara ICM2312
  9. 9. MECANISMOS DE FALLA C) Localizaciones de Falla: Se pueden definir dos localizaciones gruesas de inicio de la falla, ya sea porque se altera la micro- estructura del material o por un efecto geométri- co, i.e. concentración de esfuerzos, indentación, accidente. Estas pueden ser: 1) Volumétricas. 2) Superficiales. J.Vergara ICM2312
  10. 10. MECANISMOS DE FALLA Ejemplo: Aloha 243 A) Manifestaciones de Falla. Fractura frágil (por fatiga) Descripción de falla: B) Agentes Inductores de Falla. Fuerza cíclica; Amb. salino. C) Localizaciones de falla. Corrosión Fatiga Superficial (bajo remaches) J.Vergara ICM2312
  11. 11. MECANISMOS DE FALLA J. Collins sugiere 23 modos de falla que se ven en la práctica. Algunos son unilaterales, otros se potencian y otros se realimentan. Por ejem- plo corrosión–fatiga: la fatiga se acelera por la corrosión, pero ésta también acelera la última. 1) Deformación elástica: Interferencia mecáni- ca inducida por fuerza o temperatura. 2) Cedencia: deformación plástica de elemen- to dúctil, por cargas. Interferencia mecánica. 3) indentación: perforación por carga estática con desgaste, i.e. rodillos (brinelling). J.Vergara ICM2312
  12. 12. MECANISMOS DE FALLA J. Collins sugiere 23 modos de falla (cont.). 4) Ruptura dúctil: ruptura del elemento cuando muestra deformación plástica y dúctil. 5) Fractura frágil: ruptura del elemento cuando muestra deformación elástica y frágil. 6) Fatiga: Separación abrupta inducida por car- ga cíclica, resultante en una grieta inestable. Hay fatiga de alto ciclo, bajo ciclo, térmica, superficial, impacto, corrosión, rozadura friccionante (fretting). J.Vergara ICM2312
  13. 13. MECANISMOS DE FALLA J. Collins sugiere 23 modos de falla (cont.). 7) Corrosión: falla del mecanismo por efecto ambiental sobre la parte, con varios tipos: Ataque localizado, grieta con microquímica (crevice), muy localizada (pitting), galvánica, intergranular, percolado, erosión, cavitación, hidrógeno, biológico, asistido (SCC). 8) Desgaste: proceso combinado con cambio de dimensiones y pérdida local de masa. Abrasivo, adhesivo, corrosivo, deformado, impacto, oscilante (fretting). J.Vergara ICM2312
  14. 14. MECANISMOS DE FALLA J. Collins sugiere 23 modos de falla (cont.). 9) Impacto: falla por el efecto de cargas no estáticas, que deforman el elemento. Puede concudir a fractura, deformación, desgaste, fatiga, etc. 10) Fretting: aspereza y desgaste superficial por efecto de un desplazamiento relativo. Puede ser de tipo fatiga, desgaste (cambio en dimensión) y corrosion. J.Vergara ICM2312
  15. 15. MECANISMOS DE FALLA J. Collins sugiere 23 modos de falla (cont.). 11) Creep: notable deformación plástica acu- mulada por esfuerzo y temperatura. 12) Relajación térmica: falla asociada a creep, i.e. reducción de pretensión de un perno. 13) Ruptura por esfuerzo: falla relativa a creep que resulta en la ruptura de la pieza. 14) Shock térmico: alto gradiente térmico que impone deformaciones diferenciales. J.Vergara ICM2312
  16. 16. MECANISMOS DE FALLA J. Collins sugiere 23 modos de falla (cont.). 15) Agripamiento: deformación plástica áspera por fricción (calor), i.e. falla del lubricante. 16) Espalación: desprendimiento de partes de la pieza, que deja de funcionar, i.e. shield. 17) Daño por radiación: cambio de propiedades mecánicas, i.e. fragilización de un polímero por radiación o DNDT en acero al carbono. 18) Corrosión por esfuerzo (SCC): tensión en ambiente hostíl impuesto a un material sus- ceptible, i.e. interior de loop recirc. de BWR. J.Vergara ICM2312
  17. 17. MECANISMOS DE FALLA J. Collins sugiere 23 modos de falla (cont.). 19) Doblamiento: deformación crítica de una columna por la aplicación de cierta fuerza. 20) Doblamiento por creep: deformación crítica activada después de un tiempo por creep. 21) Desgaste por corrosión: combinación am- plificada de desgaste y corrosión. 22) Corrosión fatiga: combinación amplificada de fatiga y corrosión. 23) Creep fatiga: combinación amplificada de fatiga y creep. J.Vergara ICM2312
  18. 18. MECANISMOS DE FALLA Resumiendo los 23 modos de falla, tenemos: 1) Deformación elástica. NUESTRO FOCO 2) Cedencia. 13) Ruptura por esfuerzo. 3) Indentación. 14) Shock térmico. 4) Ruptura dúctil. 15) Agripamiento. 5) Ruptura frágil. 16) Espalación. 6) Fatiga. 17) Daño por radiación. 7) Corrosión. 18) Stress Corrosión Cracking. 8) Desgaste. 19) Doblamiento (buckling). 9) Impacto. 20) Doblamiento por creep. 10) Fretting. 21) Desgaste por corrosión. 11) Creep. 22) Corrosión fatiga. 12) Relajación térmica. 23) Creep fatiga. Vimos casos en clases J.Vergara ICM2312
  19. 19. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: algo de historia Varias estructuras han experimentado fallas catastróficas por cargas que imponen esfuerzos bajo el límite elástico, sin justificación conocida. Este problema se documenta en el S-XIX en ciertos sistemas ferroviarios. Se nota la influencia de diferentes variables (composición, tamaño de grano, modo de fa- bricación, tipo de impacto, soldadura, etc.) Este fenómeno no es materia obligatoria en varias carreras de ingeniería mecánica. J.Vergara ICM2312
  20. 20. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: “The Boston Molassacre” Un estanque de 15 m por 27 m f, con 8,7 ML de melasa, colapsó abruptamente, ma- tando a 21 e hiriendo a 150, con una ola de melasa via- jando a 50 km/h. Al parecer una fragilización intrínseca (materiales) más cargas repetidas de bajo ciclo, sujeta a una fermentación, cede en un día no tan frío de enero de 1919 (invierno). J.Vergara ICM2312
  21. 21. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Liberty Ships SS Schenectady (1943). Fractura Clase Liberty: 233 cargueros fallaron catastrófica en este petrolero T2 gravemente en navegación y otros (500 #, 70 días), que ocurrió en el 1050 tuvieron fallas menores. Al final puerto, poco después de haber se construían en 5 días (tasa de falla completado pruebas iniciales. inicial: 30%, final: 5%). J.Vergara ICM2312
  22. 22. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Aviones Julio 1949: De Havilland ingresa a un terreno inexplorado: prueba el 1er avión jet comercial. Comet 1 DH Ghost 50 Mk1 W-1 Gloster E28/39 J.Vergara ICM2312
  23. 23. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Aviones De Havilland Comet Dos aviones se destruyen en (1er jet civil). Reducía la dura- vuelo sin causa aparente. La ción del vuelo desde Nueva investigación nota una grieta York a Londres en 4 horas. en la ventana de navegación. Rediseñaron la ventana, pero la empresa De Havilland no pudo recuperarse en el tiempo (por las investigaciones aeronáu- ticas) y perdió el liderazgo de su notable producto frente al Boeing 707. J.Vergara ICM2312
  24. 24. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Aviones Ensayo de presurización (fatiga) realizado a un H. Comet a media- dos de los años 50, por la Royal Aircraft Establishment, para co- nocer la causa de los accidentes. Los ensayos confirmaron un dise- ño deficiente y materiales suscep- tibles. Las ventanas se rediseña- ron y reforzaron, pero ya no pudo recuperarse frente al B-707. J.Vergara ICM2312
  25. 25. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Vasijas de presión. Falla catastrófica de una vasija Falla catastrófica de una vasija de de presión después de 7 horas a presión nueva durante una prue- 85% de la presión de diseño, por ba hidráulica. La falla se habría falla de una soldadura en la tapa debido a H2 en la HAZ y a un tra- de registro (1970). tamiento térmico incompleto. J.Vergara ICM2312
  26. 26. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Caja de motores. Falla catastrófica prematura de una caja de un motor de cohete de f = 6.6 m sometido a un ensa- yo de presión hidráulica (1965). Este cilindro se fracturó cuando la presión había alcanzado sólo el 56% del valor de la prueba (6 MPa). Este test se realiza típica- mente a una presión que supera el nivel de trabajo en 10%. J.Vergara ICM2312
  27. 27. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Observación del ensayo de tracción s s Frágil Dúctil e e J.Vergara ICM2312
  28. 28. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Concentración de esfuerzo Ejemplo: barra rectangular. F 20·103 sl = = = 200 MPa A 0.012 J.Vergara ICM2312
  29. 29. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Concentración de esfuerzo Ejemplo: barra con hendidura curva. F 20·103 sl = = = 285 MPa A 0.007·0.01 J.Vergara ICM2312
  30. 30. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Concentración de esfuerzo Ejemplo: barra con muesca. F 20·103 sl = = = 285 MPa A 0.007·0.01 J.Vergara ICM2312
  31. 31. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Concentración de esfuerzo Ejemplo: barra con una grieta. F 20·103 sl = = = 285 MPa A 0.007·0.01 J.Vergara ICM2312
  32. 32. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Concentración de esfuerzo Ejemplo: barra con grieta. Si tuviera un comportamiento elástico lineal, se vería esto: c sZ = 2s r J.Vergara ICM2312
  33. 33. MECÁNICA DE FRACTURA Fractura: Concentración de esfuerzo Ejemplo: barra con grieta. Supongamos que sy = 400 MPa. La resistencia del ligamento cerca de la grieta supera el límite elástico. Si fuera frágil habría fallado a 18 kN, y menos aún en un ambiente de baja temperatura (debajo del NDTT). J.Vergara ICM2312
  34. 34. MECÁNICA DE FRACTURA De Fractura a Mecánica de Fractura Para explicar los efectos de fisuras en la integridad de los materiales, surge la mecánica de fractura (MF). Se desarrolla una teoría distinta a la de dislocaciones (que explica bien la deformación y fallas a nivel atómico). Pionero: Alan A. Griffith (ingeniero aeronáutico de la RAE). Comprender la relación entre sU y E, ... en vidrio. J.Vergara ICM2312
  35. 35. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos s s Material idealmente frágil sU (teor) E sU (teor) = n = 3 a 10 n a Pero sU (real) << sU (teor) s J.Vergara ICM2312
  36. 36. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos Definición: Resistencia en cuerpos agrietados. Alan Griffith define Fractura cuando: da ∞ dt da dt Este proceso es irreversible. s no provoca este disparo La Energía Potencial se libera como Energía de Superficie, y otras formas. a J.Vergara ICM2312
  37. 37. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos Recordemos la Densidad de Energía de Deformación (Energía Elástica) ey  sy s y2 Ue = s·de ≈ ee = (= resiliencia) 2 2E 0 La fractura ocurrirá cuando:  s y2  Energía da ∞ > a 2E a Superficial dt J.Vergara ICM2312
  38. 38. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos Diferencias de Energía En Energía Superficial DUS = 2 (2a) g = 4ag En Energía Elástica p a2s2 DUD = t«2a E DUD = p a2s2 (1-n2) t»2a E Ref: Inglis (grieta elíptica) J.Vergara ICM2312
  39. 39. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos Condición para Inesta- bilidad y fractura frágil   DUS - DUD = 0 a a 2p as2 4g - =0 E 2Eg s= s en 2D pa 2Eg s= e en 2D p a (1-n2) J.Vergara ICM2312
  40. 40. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos En presencia de una grieta: ¿ s = f (E) ó s =f( E ) ? En fractura, la Energía Elástica se torna: Energía Energía Energía  + + ? Elástica Superficial Cinética (sonido) J.Vergara ICM2312
  41. 41. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos Energía superficial: teoría versus laboratorio: [ en J/m2 ] g teórico g experimental Vidrio 1 1 Cerámica 1 102 Acero 1 103 J.Vergara ICM2312
  42. 42. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos Energía superficial: teoría versus laboratorio: [ en J/m2 ] g teórico g experimental Vidrio 1 1 Cerámica 1 102 Acero 1 103 La diferencia de energía superficial, en el caso de cerámicas y rocas se explica por la creación de microgrietas durante el proceso de fracturación. J.Vergara ICM2312
  43. 43. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos Energía superficial: teoría versus laboratorio: [ en J/m2 ] g teórico g experimental Vidrio 1 1 Cerámica 1 102 Acero 1 103 En metales, parte de la energía se disipa en trabajo plástico en la grieta (punta). Energía Energía Energía Trabajo  + + Elástica Superficial Cinética Plástico J.Vergara ICM2312
  44. 44. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Fundamentos En fractura: 2Eg s= pa Rearreglando: s p a = 2 E g s p a = EGC Tenacidad (kJ/m2) s p a = EGC Factor de Tenacidad a Intensidad K ≤ = Kc la Fractura de Esfuerzo (MPa m ) J.Vergara ICM2312
  45. 45. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Tenacidad METALES CERAMICOS POLIMEROS COMPOSITOS 103 Metales y GC Ductiles aleaciones Gc alto HY130 102 Acero dulce Aleac. Ti GFRP kJ/m2 Acero Resist. BFRP Compositos Gc medio 101 Cerámicos (crist.) Polímeros Aleac. Al Madera ┴ y vidrios (amorfo) Polipropileno CFRP Polietileno Gc bajo Gc medio Acero al C Cemento F. Nylon Poliestireno 100 BCC/HCP Policarbonato PMMA Madera II Epoxy Cermets @T Poliester 10-1 Be Si3N4 SiC, MgO Al2O3 10-2 Vidrio Hielo Ref : Ashby y Jones 10-3 J.Vergara ICM2312
  46. 46. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Tenacidad a la Fractura METALES CERAMICOS POLIMEROS COMPOSITOS 200 Ductiles Metales y KC 100 aleaciones HY130 Kc alto Acero dulce Acero Resist. 50 Aleac. Ti GFRP Compositos MPa m Acero al C BFRP Kc medio 20 Cerámicos (crist.) Polímeros Aleac. Al CFRP y vidrios (amorfo) Kc bajo Kc bajo BCC/HCP 10 @T Madera ┴ Cermets Be Cemento F. 5 Si3N4 Polipropileno Al2O3 Nylon 2 SiC MgO Polietileno Poliestireno Policarbonato Madera II 1 Rocas PMMA Poliester 0.5 Vidrio Epoxy Hielo Ref : Ashby y Jones 0.2 J.Vergara ICM2312
  47. 47. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. RMS Olympic RMS Titanic RMS Britannic D = 52.250 ton (1912) Harland & Wolff L = 269; B = 28; T = 10 m (White Star Line) J.Vergara ICM2312
  48. 48. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. El RMS (Royal Mail Ship) Titanic se hundió por inatenciones que lo llevaron a colisionar contra un iceberg, con extensa pérdida de vida humana y material. La coli- sión fue la consecuencia inicial. La fractura de materiales contri- buyó al hundimiento del buque en una forma que se explicará a continuación. J.Vergara ICM2312
  49. 49. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. El efecto de la Tº fue clave en la “tragedia” del RMS Titanic, comprobado en los años 90. Colisionó por la amura de es- tribor a ~20 nudos contra un iceberg de 150 mil toneladas. “Ice report. In latitude 42.00º North to 41.25º North, longitude 49.00º West to 50.30º West. Saw much heavy pack and great number of large icebergs, also field ice. Weather good, clear. MXG” J.Vergara ICM2312
  50. 50. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. Las planchas del Titanic eran de acero, convertido en hor- nos tipo Martin-Siemens básico, que producía un material rico en O, P y S, y pobre en Mn. El acero para los buques clase Olympic provenía de Dalzell and Colvilles & Co. El RMS Queen Mary I (1936, hoy en CA) usó el mismo acero. Esa composición promueve la formación de sulfuros (i.e. FeS), que se aloja en los bordes de grano y lo hace frágil, en especial a bajas temperaturas. La proporción de Mn:S del acero del Titanic era de menos de 7:1 (un acero actual tiene una relación de 200:1). J.Vergara ICM2312
  51. 51. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. Remaches de fierro Remaches de acero Remaches de fierro Como la soldadura aún no era común, las planchas se unían por remaches (3 MM) de acero (hidraúlicamente, cuando era accesible la remachadora) y de fierro (manualmente). J.Vergara ICM2312
  52. 52. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. Contaba con 6 salones de calderas (25 dobles y 4 simples) y 2 plantas propulsoras (2 máquinas recíprocas a vapor de triple expansión en 4 cilindros -12 MW@75 rpm- y una turbina irrev. de LP “Parsons” -13.5 MW@165 rpm-). Un timón. Vm = 23 kn. J.Vergara ICM2312
  53. 53. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. Tenía 16 zonas compartimentadas (15 mamparos estancos). El diseño de estabilidad en condición dañado consideraba flotar con cuatro compartimientos contiguos inundados. J.Vergara ICM2312
  54. 54. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. El diseño de estabilidad dañada no consideraba flotar con seis compartimientos contiguos inundados. El hundimiento fue inminente (en 2 h. 45 m.), con 1.517 personas. La causa: “Diseño + Materiales + Medio ambiente + Procedimiento” J.Vergara ICM2312
  55. 55. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. El área comprometida se encuentra en la proa, por estribor, bajo la LF. Una serie de 5 aperturas, con un total de sólo 1.2 m2, logró hundirlo. Una de las salvaguardias son los materiales. En es- te caso, eran susceptibles a la fractura. Buenos remaches pudieron tolerar el impacto. J.Vergara ICM2312
  56. 56. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. Una carbonera comenzó a arder en los primeros días. Ello pudo contribuír a reducir la resistencia de algunas vigas y planchas del mamparo estanco del Salón de Calderas 6 (por recocido). Esto está en un plano especulativo. Durante el hundimiento, el buque (~viga) no fue capaz de tolerar el peso agregado de agua en la proa y la perdida de boyantez en la popa. El buque se partió por “quebranto” a popa de la chimenea 3 en una junta de expansión soldada. El frio y una microestructura susceptible de NDTT lo hacía incapaz de resisitir a la colisión contra el iceberg. J.Vergara ICM2312
  57. 57. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Temperatura. s Curvas CAT  Series de “Detención de Grieta”. Acero sy Acero s/sy 1.0 s A baja temperatura, poco 0.5 importa cuán bajo es el NDTT esfuerzo aplicado  las °C grietas se dispararán sin 0.0 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 posibilidad de arresto. J.Vergara ICM2312
  58. 58. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Tipos de ensayo común. CTS SEN Compact tensile Specimen Single Edge Notch J.Vergara ICM2312
  59. 59. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Composición. Se conoce el efecto de impurezas en el material, en especial S, P, O. En un comienzo fue muy lenta la incorporación de nuevas prácticas de fundición y manufactura de metales. J Energía Absorbida Efecto de la composición química disperso -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 °C J.Vergara ICM2312
  60. 60. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Composición. Décadas después, por medio 0.20 0.18 E A36 de “ingeniería forense”, se han 0.16 (kJ) 0.14 identificado algunas causas, 0.12 Titanic Longitudinal 0.10 en el ámbito de los materiales, 0.08 Titanic 0.06 Transversal de este accidente: 0.04 0.02 °C ● C- (forma carburos, Fe3C). 0.00 -100 -50 0 50 100 150 200 ● S- (inclusión en bordes de grano). ● Ni+, Mn+, Cr+, V+ (elementos de aleación). ● Mayor tamaño de grano (opuesto a sy). ● Laminación en el sentido del esfuerzo. J.Vergara ICM2312
  61. 61. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Velocidad de impacto. También se ha conocido el efecto del tiempo de impacto. La explicación radica en la tasa de absorción y conversión de energía en trabajo plástico y la forma de la grieta (punta). J Energía Absorbida Efecto de la tasa de impacto lento rápido -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 °C J.Vergara ICM2312
  62. 62. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Dirección del esfuerzo. Modo I Modo II Modo III Corte en Apertura Corte en Plano Corte Fuera de Plano Más probado y experimentado Ensayos sólo recientes J.Vergara ICM2312
  63. 63. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Efecto del espesor. Componentes (especímenes) de diferente espesor arrojan diferentes valores de Tenacidad a la Fractura. Pero, más allá de cierto espesor mínimo (B), la tenacidad a la fractura adquiere un valor constante (KC), al cual se le llama Tenacidad a la Fractura de deformación plana (eZ=0). Esta es una propiedad inherente del material. Bajo ese espesor mínimo (B), la tenacidad a la fractura KC aumenta para luego decrecer. Ese valor máximo se conoce como tenacidad a la fractura de esfuerzo plano (sZ=0). J.Vergara ICM2312
  64. 64. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Efecto del espesor. Este efecto es de conocimiento reciente. En deformación plana, el material no puede deformarse libremente. Comportamiento Frágil Tenacidad a la Fractura (KC) (esfuerzo triaxial) Esfuerzo Plano (2D) Modo KIC Mixto Tenacidad a la Fractura, Deformación Plana (2D) en Deformación Plana Ejemplo: Modo I Espesor de Probeta (B) J.Vergara ICM2312
  65. 65. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: BMIN en Ensayo de Fractura. s Mecánica de Zona K La punta de la grieta es Fractura Lineal a Zona una zona plástica, que Plástica Elástica (LEFM) permite estimar BMIN s sY Condición sY = sys K sys sY = (q = 0) q 2pr rP r J.Vergara ICM2312
  66. 66. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: BMIN en Ensayo de Fractura. s Mecánica de Zona K Con ello, se condiciona Fractura Lineal a Zona la zona plástica de la Plástica Elástica (LEFM) grieta a una norma. s sY En deformación plana 2 1 KIC sys rP = 2 (e = 0) 6p sys Z q rP r J.Vergara ICM2312
  67. 67. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: BMIN en Ensayo de Fractura. s Mecánica de Zona K La zona plástica se Fractura Lineal a Zona desprecia si B es al Plástica Elástica (LEFM) menos 50 veces rP. s LEFM vale si rP 2 1 KIC es < 1/50 B y si rP = 2 (e = 0) 6p sys Z q rP < 1/50 de a. Tamaño mínimo: a,B ≥ 2.5 (KIC/sys)2 J.Vergara ICM2312
  68. 68. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: más allá del rango lineal s Mecánica de Sólo la zona alrededor de la a Zona Fractura Lineal Plástica punta de la grieta es plástica Elástica (LEFM) (grueso del cuerpo: estable). s s Mecánica de Zona plástica es mayor cerca a Zona Fractura Elásto- Plástica de la grieta (alejado de lineali- Plástica (EPFM) dad por efecto plástico). s s Mecánica de Opera en regímenes de alta a Zona Fractura (tpo y Creep temperatura en el que toda la T°) (HTTDFM) sección se torna plástico. s J.Vergara ICM2312
  69. 69. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: más allá del rango lineal s Mecánica de Zona K a Zona Fractura Lineal Plástica K = f (s a Q) Elástica (LEFM) s Q = forma grieta s Mecánica de Zona J a Zona Fractura Elásto- Plástica J = f (s e a Q) Plástica (EPFM) s s Mecánica de Zona C . a Zona Fractura (tpo y Creep C* = f (s e a H) T°) (HTTDFM) s J.Vergara ICM2312
  70. 70. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: KIC de algunos materiales. Material KIC (MPa m0.5) sys (MPa) ac (mm) Al 7178-T651 23 570 2.1 Al 2014-T651 24 455 3.6 Al 2024-T3 44 345 21.0 Ti-6Al-4V 55 1035 3.6 Ti-6Al-4V 115 910 20.5 Acero 4340 60 1515 2.0 Acero 4340 99 860 16.8 SS 350 Maraging 39 2240 0.4 SS 350 Maraging 55 1550 1.6 2 2a s 1 KIC Ref: Hertzberg sd sd si sd = ys aC = 2 p s2d J.Vergara ICM2312
  71. 71. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Resumen. Esta disciplina correlaciona la geometría de un componen- te (i.e. con grietas micro o macroscópicas) con el material (i.e. KIC, tenacidad a la fractura) utilizado en una condición de carga operacional (i.e. esfuerzo y medio ambiente). Con esto se puede estimar la susceptibilidad del equipo a una fractura o la carga máxima que éste tolerará sin una falla catastrófica. El análisis de seguridad en fractura es análogo al usado en la evaluación de seguridad de materiales en su resistencia. J.Vergara ICM2312
  72. 72. MECÁNICA DE FRACTURA Mecánica de Fractura: Resumen. Análisis de Resistencia Análisis de Fractura F de materiales de materiales F s KI sys Ensayo KIC F e sys Propiedad KIC a F A 2a F F Carga s s Y F s= ≥ sys Severidad y Criterio KI = Y·s pa ≥ KIC A sys KIC n= s Seguridad n= KI J.Vergara ICM2312
  73. 73. FATIGA DE MATERIALES Fatiga de Materiales: Fundamentos El proceso de fatiga corresponde al crecimiento e inestabi- lidad de grietas debido a cargas cíclicas, en contraste con la fractura, que conduce a fallas mediante cargas estáticas. La fatiga se relaciona con la fractura pues típicamente es la forma de crear una microgrieta (i.e. De Havilland Comet). Asimismo, el último ciclo de fatiga, en el que el componente falla, culmina en una fractura. En ese momento, KI (intensidad de esfuerzo) habrá supera- do a KIC (tenacidad a la fractura). J.Vergara ICM2312
  74. 74. FATIGA DE MATERIALES Fatiga de Materiales: Fundamentos La secuencia de la fatiga del material es la siguiente: Se crean microgrietas o consolidan las pre- Formación existentes por esfuerzos alternantes. La plas- de grietas ticidad local (tip) genera fluencia por ciclo. Concentración de tensión agrava plasticidad Propagación local (tip) y la grieta crece, normalmente en de grietas un plano perpendicular a la carga aplicada. El Factor de Intensidad en la grieta (K) supera Falla por el valor crítico de Tenacidad a la Fractura del Fractura material (Kc) y falla catastróficamente. J.Vergara ICM2312
  75. 75. FATIGA DE MATERIALES Fatiga de Materiales: Fundamentos La dimensión común de fatiga es la resistencia en función del número de ciclos a la fatiga. Sf ni En realidad, la fatiga su Regla de Palmgren-Miner i=1 Ni Σ = 1 depende de la histo- ria (el orden importa) s1 y del esfuerzo medio s2 en cada ciclo s3 S´ e n1 n2 n3 Ciclos aplicados a si N1 N2 N3 Ciclos hasta fatiga a si 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 Nf J.Vergara ICM2312
  76. 76. FATIGA DE MATERIALES Fatiga de Materiales: Fundamentos La extensión de la grieta se relaciona con la amplitud del esfuerzo (Ds), así como con su longitud inicial (a0). 6.0 6.0 a a Ds3 > Ds2 > Ds1 a3 > a2 > a1 5.0 5.0 4.0 da da 4.0 dN2 dN3 3.0 3.0 N x105 N x105 2.0 2.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 J.Vergara ICM2312
  77. 77. FATIGA DE MATERIALES Fatiga de Materiales: Fundamentos El comportamiento señalado en las curvas anteriores ha sido conocido por muchas décadas. En los años 60, Paul Paris concluyó que podían integrarse a través del factor de intensidad de esfuerzo (K = Y·s pa ). En particular, se podía relacionar DK = Y·Ds pa ). La Ley Paris-Erdogan relaciona el factor de intensidad de esfuerzo a la tasa de crecimiento de la grieta en el rango subcrítico del régimen de esfuerzo cíclico, usando un dia- grama log-log, y que permite estimar la vida remanente. J.Vergara ICM2312
  78. 78. FATIGA DE MATERIALES Fatiga de Materiales: Fundamentos da La Ley de Paris señala: = C·DKm = C·(Y·Ds pa)m dN Acá, da es el avance de la grieta (de inicio a fractura, ac – ai). DK es el rango (Kmax – Kmin) del factor de intensidad de es- fuerzo (diferencia de intensidad extremas de carga), N es el número de ciclos. C y m son constantes del material. Nf ac Arreglando e da integrando: ∫0 dN = ∫ ai C·(Y·Ds) ·(pa) m m/2 2 (ai(1-m/2) - ac(1-m/2)) Nf = C·(m-2) ·(Y·smax)m ·(p)m/2 J.Vergara ICM2312
  79. 79. FATIGA DE MATERIALES Fatiga de Materiales: Fundamentos 10-1 10-1 Forma Crecimiento inestable C·DKm Tamaño Región III (Fractura) Crecimiento Leve gráfica: 10-2 Región I (Umbral) Región II (Paris) 10-2 granos Crecimiento Estable 10-3 Tamaño 10-3 da inclusiones dN 10-4 10-4 mm m Tamaño ciclo precipitados 10-5 K 10-5 Kmax Km Kmin 10-6 C t 10-6 DK MPa m Tamaño 10-7 10-7 atómico 101 2·101 5·101 102 J.Vergara ICM2312
  80. 80. FATIGA DE MATERIALES Ensayo de Fatiga Se someten probetas del material a cargas cíclicas de cierta amplitud (valor medio y rango) y frecuencia. La fatiga sobre- viene por micro-grietas que se crean y propagan, hasta que se vuelven inestables y el resto del material no es capaz de sostener la carga y tal sección falla en forma frágil. El material “normalmente” tolera una carga menor que a la fluencia uniaxial. Una explicación: microdeslizamiento osci- lante en los granos. Otra explicación: creación de disloca- ciones que producirían exceso de vacancias en los planos de deslizamiento. J.Vergara ICM2312
  81. 81. FATIGA DE MATERIALES Fatiga Observada: Ejemplos Inicio (Kf) Marcas de playa Fractura rápida Ref: Hertzberg y otros J.Vergara ICM2312
  82. 82. FATIGA DE MATERIALES Ensayo de Fatiga El ensayo debe reflejar el nivel de carga esperado (diferen- te grado de deformación plástico), por eso puede ser de: a) Alto ciclo (baja amplitud y alta frecuencia, típico de un ala en vuelo) o b) bajo ciclo (gran amplitud y baja frecuencia, típico de un ala en cada aterrizaje). Además debe emular en la mejor forma posible el ambiente de operación. Los ambientes clásicos son los salinos (co- rrosivos, caso Boeing 737 de Aloha), de alta temperatura (álabes de turbogas), o de baja temperatura. J.Vergara ICM2312
  83. 83. FATIGA DE MATERIALES Ensayo de Fatiga Cara Típicas máquinas de ensayo: Barata Rotatoria con flexión en un Uniaxial de lazo controlado extremo (otras son en el centro) por señal digital o analógica J.Vergara ICM2312
  84. 84. FATIGA DE MATERIALES S S Ensayo de Fatiga s m= 0 2Sa s m> 0 2Sa t t Típicas curvas de fatiga: su Sa Sa Estas curvas se aplican y en el Diseño Mecánico. SNi f e Se < 0.5 su Sf < 0.4 su su sm= 0 SNi f s m> 0 y s m= 0 sm> 0 Aceros y aleaciones ferrosas Aleaciones no ferrosas 103 104 105 106 107 108 109 Nf 103 104 105 106 107 108 109 Nf J.Vergara ICM2312
  85. 85. FATIGA DE MATERIALES Ensayo de Fatiga Ejemplo: Reactor experimental de fusión nuclear. La vasija central (30 ton), soporta fuerzas cíclicas por torsión de las bobinas, con barras apernadas a dos placas. Las bobinas SC operan a baja temperatura en LN2 (196 °K). J.Vergara ICM2312
  86. 86. FATIGA DE MATERIALES Ensayo de Fatiga Barras (48) de Aleación Inconel 718, operando cíclicamente a -77°C. Por ende, se requería ensayo de fatiga de bajo ciclo. Ref: MIT PFC J.Vergara ICM2312
  87. 87. FORMAS COMBINADAS Estas formas exigen pruebas dedicadas Formas de falla combinada, por ejemplo Corro- sión Fatiga, Shock Térmico o Fractura Asistida por Irradiación, imponen requisitos adicionales al diseño, materiales especiales y nuevos desa- fíos al diseñador. En este casos, los proble- mas se multiplican (no se suman), y crece la suscep- tibilidad de los materiales. J.Vergara ICM2312
  88. 88. FORMAS COMBINADAS Estas formas exigen pruebas dedicadas Por ejemplo, la fatiga en ambiente corrosivo impondrá un margen ex- tra, i.e. una fracción KSCC/KIC, acor- de al material y el medio ambiente. Ambiente en una cámara o recipiente Normalmente requiere un test de- dicado con las condiciones previs- tas de carga, el material seleccio- nado y el ambiente esperado. J.Vergara ICM2312
  89. 89. CONCLUSIONES Aunque el diseño mecánico “clásico” limita las formas de fallas al comportamiento elástico que imponen los esfuerzos y deformaciones asocia- das, el análisis en diseño mecánico moderno no debe subestimar otros modos de falla. La mayoría de las fallas en ingeniería se escapan a esos fenómenos evidentes. No es raro que ellos agravados por la impericia de los operadores. Dos modos de falla, de reciente data y no simples de comprender, son la fractura y la fatiga. J.Vergara ICM2312
  90. 90. CONCLUSIONES Las fallas reales suelen ser complejas, y difíciles de reconocer y de evitar al momento del diseño, ya que suele darse una integración de variables que degradan el rendimiento mecánico previsto del componente y de paso el prestigio del diseña- dor, que lo suponía infalible, irrompible, imbatible, insumergible, etc. El diseño se torna notablemente más complejo en el caso de modos paralelos y acoplados de degra- dación y falla, que pueden dar lugar a más de una veintena de tipos de falla. J.Vergara ICM2312

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