Analisis y prevencion de fallos
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ANALISIS Y PREVENCION DE FALLOS. INTRODUCCIÓN En la industria es importante la elección del material mas adecuado para su aplicación, sabiendo: Características y propiedades del material. Análisis de fallos: Estudio sistemático de la naturaleza de los distintos modos de fallos.

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ANALISIS Y PREVENCION DE FALLOS

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Presentation Transcript


ANALISIS Y PREVENCION DE FALLOS

INTRODUCCIÓN

En la industria es importante la elección del material mas adecuado para su aplicación, sabiendo:

Características y propiedades del material.

Análisis de fallos:

Estudio sistemático de la naturaleza de los distintos modos de fallos.

Prevención de fallos:

Aplicar conocimientos proporcionados por el análisis para evitar desastres.

La información de los materiales es suministrada mediante los ensayos realizados sobre probetas.


Clasificación de ensayos:


CÁLCULO DE LA ENERGÍA DE IMPACTO

Ensayos de resiliencia


Los ensayos de resiliencia


ResilienciaTenacidadDuctilidad


Resiliencia:


Existen dos variantes básicas del ensayo de resiliencia desarrolladas ambas a principios del siglo XX.


  • Ensayo Charpy


  • Ensayo Izod


Ejemplos de péndulos comerciales:

Péndulo de uso didáctico


Péndulo de uso industrial


Péndulos de baja energía


Probetas

Norma UNE 7290-72


Algunas probetas comunes son:


Brochadora para realizar la entalla de una probeta


Ensayo Charpy


- Conocidas las alturas inicial y final del martillo

Energía inicial:Energía final:Energía absorbida:Resiliencia:


Conocidos los ángulos inicial, α, y final, β, y la longitud L del brazo del martillo

Altura inicial: Altura final:Resiliencia:


Datos del ensayo de impacto Charpy para algunas aleaciones


Datos del ensayo de impacto Izod para distintos polímetros


Comparación entre ‘latón rojo’(Cu 23000-061) y una aleación hcp frágil (Mg AM100A)


Variación de la Tª de transición dúctil-frágil con la composición del acero


Energía de impacto Charpy frente a Tª para aleaciones Fe-Mn-0,05C


TENACIDAD DE FRACTURA


  • Tenacidad:Capacidad de un material para absorber energía antes de la fractura.

  • Tenacidad de fractura:La resistencia a la fractura de un material cuando existe una grieta. Resistencia a ser roto cuando existe una fisura.

  • Los materiales muy frágiles tienen valores bajos de tenacidad de fractura (KIC ) al contrario que los más resistentes.


TENACIDAD DE FRACTURA: KICI Carga modo I (uniaxial)C Crítico


Y factor geométrico de orden la unidad tensión total aplicada en el momento de la rotura longitud de una grieta superficial


Valores típicos de tenacidad de fractura (KIC) para distintos materiales


Mecanismos para aumentar la tenacidad de fractura de los cerámicos frenando el avance de la grieta


FATIGA DE MATERIALES

ENSAYO DE FATIGA


Definición de Fatiga y ejemplos

Fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas.

Forma de rotura que aparece en estructuras que están sometidas a fuerzas cíclicas (puentes, aviones o componentes de máquinas)

Es de una gran importancia

Implica una deformación elástica del material

Su estudio data de mediados del s. XIX


Clasificación ensayos de Fatiga y conceptos importantes

  • Amplitud constante:

    Ensayos de bajo número de ciclos (<104-105 ciclos)

    Ensayos de alto número de ciclos (>104-105 ciclos)

  • Amplitud variable:

    Ensayos de alto número de ciclos.

  • Vida a la fatiga: nº de ciclos hasta rotura.

  • Resistencia a la fatiga: Máxima tensión bajo la cual el material no se rompe.


Máquinas de ensayo para el estudio del fenómeno

Wohler (1819-1914)

Máquina de Moore (ensayo de flexión rotativa)


Curvas S-N o de Wohler

Curva S-N con límite de fatiga:

Curva S-N sin límite de fatiga:


Proceso de rotura

INICIO:

  • Deformación plástica local en la superficie del metal

  • Discontinuidades acusadas superficiales

  • Formación de la grieta


  • PROPAGACIÓN:

  • ETAPA I:

  • Propagación de la grieta

  • de forma lenta

  • ETAPA II:

  • Aumento de la velocidad de propagación

  • Formación de marcas de playa y estrías

  • ROTURA:

  • Aumento de la grieta en anchura

  • Rotura final


Factores que intervienen en la rotura por fatiga

DISEÑO:

  • Gran influencia

  • Las Discontinuidad geométricas  Concentradoras de tensión

  • ↑Discontinuidad, ↑concentración de tensiones

  • Soluciones: Modificar el diseño


TRATAMIENTOS SUPERFICIALES:

  • Rayas y surcos  Limitan la vida a la fatiga

  • Soluciones: Mejora del acabado superficial (Procesos de “Granallado” o “Perdigonado”)

    ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL:

  • Aumento de dureza superficial y vida a la fatiga (Proceso de “Carburación” y “Nitruración”)


Influencia del medio

FATIGA TÉRMICA:

  • A Temperaturas ↑

  • Sin aplicación de tensión mecánica

  • Dilatación y contracción

    FATIGA CON CORROSIÓN:

  • Tensión y ataque químico

  • Reducción del espesor

  • Aparición de fisuras o picaduras

  • Corrosión del interior

  • Disminución de la vida a la fatiga


ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

-Definen la calidad intrínseca de un producto sin deteriorarlo.

-Permiten la inspección del 100% de la producción, y la obtención de datos de todo el volumen de un producto o pieza.

-Contribuyen a mantener un nivel de calidad uniforme en el producto y en la producción.


¿Qué es la uniformidad?

-Es un índice de calidad de las propiedades físico-químicas y tecnológicas de la pieza.

¿Qué otorga la uniformidad?

-Prestigio a la industria, seguridad al proyectista y confianza al usuario.

-Es una comprobación de la calidad de lo fabricado.


ENSAYOS POR LIQUIDOS PENETRANTES

-Sirven para detectar grietas en la superficie de sólidos no porosos.

-Se utiliza un líquido que por capilaridad penetra en las posibles grietas de la pieza.

-Aplicable a materiales no magnéticos: aluminio, magnesio, acero inoxidable, cobres, bronces, latones y otras aleaciones y metales. También cerámicas vitrificadas, vidrio y plásticos.


Etapas básicas del ensayo

1. Limpieza y preparación previas de la superficie.

4. Aplicación del Revelador.

5. Observación.

2. Penetración del líquido.

3. Eliminación del exceso de líquido penetrante.


¿Qué propiedades afectarán a la penetrabilidad de los líquidos?

  • Viscosidad se recomiendan valores medios.

  • Tensión superficial y poder humectante  están ligadas del tal forma que contra más baja sea la primera más alta será la segunda.

  • Volatilidad  debe ser pequeña.

  • Inercia química Inerte y resistente a la corrosión con respecto a los materiales a inspeccionar.

  • Toxicidad, olor, irritación de la piel se prefiere que sean inocuos sacrificando algunas características.


Tipos de líquidos penetrantes

  • -Penetrantes fluorescentes: incorporan en su composición un pigmento fluorescente.

  • Autoemulsionables: se eliminan con agua.

  • Postemulsionables: se aplica un emulsificador.

  • En medio acuoso: se usan en caso de riesgo de incendio.

-Penetrantes coloreados: son disoluciones de pigmentos coloreados. Tienen la ventaja de que no se necesita una fuente luminosa especial para observarlos (luz visible).


PROCEDIMIENTO DE LIQUIDOS PENETRANTES

  • Limpieza de la zona a inspeccionar, con cepillo metálico o trapo húmedo en limpiador.

  • Aplicación del penetrante, mediante brocha o spray (baño para piezas grandes)

  • Espera de unos 15-20 min. para que se produzca la penetración.


  • Eliminación del penetrante, mediante trapos húmedos en eliminador.

  • Aplicación del revelado.

  • Espera de unos 15 min. hasta que el revelador haga efecto.

  • Evaluación del ensayo.


ENSAYOS POR PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

-Permiten detectar discontinuidades superficiales y subsuperficiales en materiales ferromagnéticos.

- Se aplica un campo magnético  provocará la aparición de distorsiones cuyo componente vectorial será perpendicular al campo externo.

-Las distorsiones atraen a unos polvos procedentes de una suspensión vertida previamente, mostrando por acumulación y de manera visual las grietas del material.


Ferromagnetismo

-Es una propiedad de la materia que surge cuando se aplica un campo magnético externo. Este provocará la alineación de los dipolos magnéticos del material ante ese campo externo (imanación).

-Este comportamiento de la materia se presenta en el hierro puro, cobalto, níquel y en aleaciones de estos metales entre sí. También tiene lugar en el gadolinio y en el disprosio.

-Los dipolos magnéticos reciben el nombre de dominios en los materiales ferromagnéticos.


Ilustración de los dominios ferromagnéticos


Curva de histéresis

  • De 0 a A  Imanación.

  • Cerca de A  Pte 0 por la imanación de saturación.

  • De A a B  Reducción del campo aplicado hasta un valor 0. (Histéresis)

  • Punto B  Campo remanente (el sumatorio de los dominio en la pieza ya no es cero en ausencia de campo externo).

-Es a través de la interpretación del ciclo de histéresis como se detectan tensiones internas, el contenido en carbono, el tratamiento térmico o la dureza para un conjunto de materiales.


Equipos basados en la distorsión magnética

- Aparte de las partículas magnéticas (polvos) para detectar las discontinuidades de manera visual, existen elementos automáticos capaces de detectarlas también. Estos detectores son las sondas Foersted o Hall y la banda magnética (Magnetografía)

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PROCEDIMIENTO DE PARTICULAS MAGNETICAS

  • Limpieza de la zona a inspeccionar (eliminación de grasas y óxidos).

  • Elección del tipo de partículas:

    • Secas: hay que recogerlas y son mas caras (ensayo mas lento).

    • Húmedas: negras o fluorescentes.

  • Para partículas negras se da una laca de contraste.

  • Magnetizar zona a inspeccionar.


  • Aplicar partículas.

  • Inspeccionar con lámpara (negras → luz blanca; fluorescentes → luz negra).

  • Evaluación de indicaciones.

  • Limpieza de la zona ensayada.


ENSAYOS POR CORRIENTES INDUCIDAS

-Comprueban la calidad de los materiales en cuanto a la presencia y la magnitud de heterogeneidades y además ofrecen información sobre la caracterización de los mismos. La caracterización es la comprobación de su naturaleza, de su composición y de su estado estructural.

-Constituyen una prueba de uniformidad por su gran sensibilidad y por la aplicación al 100% de la producción.

- Son en esencia una mejora del método de las partículas magnéticas por el registro automático de las indicaciones, la velocidad del mismo y la selección rápida de piezas sin grietas.


Fundamento del ensayo

-El ensayo consta de dos solenoides, el primero de ellos es la bobina exterior (primaria) y el otra la interior (secundaria) que es el receptor de las variaciones de impedancia aparente debido a las características significativas de la muestra.

-En vacío existe una diferencia de fase entre el primario y el secundario. Al explorar la muestra se produce un desplazamiento de la curva correspondiente al secundario y, en el caso de que la muestra presente grietas, se produce un nuevo desplazamiento.

-No existe contacto directo entre el equipo y la pieza objeto de estudio, por lo que no existe posibilidad de dañar la pieza.


-Aplicaciones de las corrientes inducidas

  • Discontinuidades o grietas Detección y determinación de su magnitud.

  • Naturaleza y estado de tratamiento de metales y aleaciones Comprobación de la pureza de metales no aleados, identificación y clasificación de metales y aleaciones, identificación y comprobación del estado del tratamiento, de la dureza, determinación de la profundidad y dureza de chapas.

  • Determinación de propiedades físicas  conductividad eléctrica, permeabilidad magnética.

  • Dimensiones medida de espesores.


RAYOS X

NATURALEZA DE LOS RAYOS X

Radiación electromagnética penetrante.

Producida por la transición de e- internos entre orbitales, desarrollando una aceleración brusca de estos e-.

λ→10nm-0,001nm(λ ↓ que la luz visible).

↓ λ→ ↑ energía y poder penetrante.


INTRUMENTAL

Partes del equipo:

Tubo de rayos X

Carcasa protectora

Envoltura de cristal

Cátodo

Filamento (mayor o menor)

Copa de enfoque

Selector

Ánodo (estacionario o rotativo)

Punto focal

Blando

Ábaco de exposición

Monitor

Cables auxiliares

Película

Indicador de imagen


Tipos de equipo:

Equipo fijo

Equipo portátil


RAYOS γ

NATURALEZA DE LOS RAYOS GAMMA

Radiación producida por un núcleo excitado (radioactivo).

↓ λ que rayos X → ↑ energía y poder penetrante.

Emisión de partículas alfa y beta asociada a la radiación γ.

Poder penetrante: gamma > beta(-) > alfa(+)

No poseen carga ni masa → no hay cambio estructural.

Emisión γ pura → isótopos (isómeros nucleares). Ej. Protactinio 234


INTRUMENTAL Y EQUIPO

Carcasa del equipo de rayos gamma

Telemando

Soporte del telemando

Guía flexible de salida de fuente

Porta fuentes

Colimador

Ábaco de exposición

Película

Indicador de calidad


PROCEDIMIENTO DE ENSAYO RAYO γ Y X

Tipo de material.

Tipo de probeta u zona a ensayar (unión soldada, tubo, chapa …).

Espesor de zona a radiografiar.

Tamaño y calidad de película.

Indicadores de calidad de imagen.

Distancia entre foco y pieza.

Voltaje del equipo.

Tiempo de exposición.

Revelado y calificación de la radiografía.

UTILIZACIÓN

Fallos internos:

Rayos X: espesores menores.

Rayos γ: espesores mayores, zonas de difícil acceso.


ULTRASONIDOS

NATURALEZA DE LOS ULTRASONIDOS

Vibraciones elásticas de frecuencia superior a 20000 Hz.

El haz sónico (ondas) posee una frecuencia entre 20 KHz a 20 MHz.

Requieren un medio con partículas que oscile alrededor de su posición de equilibrio.

Tipos de ondas:

Ondas longitudinales

Ondas transversales

Ondas Rayleigh


GENERACIÓN DE ONDAS ULTRASONICAS

Métodos:

Cristales piezoeléctricos (cristales entre electrodos metálicos oscilan por resonancia). Ej. Cuarzo

Materiales cerámicos ferro eléctricos (varilla ferromagnética sometida a dos campos). Ej. Sulfato de litio

Forma y características de haz:


TÉCNICAS DE ENSAYO

Método por transmisión

Método por reflexión o pulso-eco

Método por resonancia

Método por ecos múltiples


INSTRUMENTAL Y EQUIPO

Equipo de ultrasonidos

Palpador

Cable de conexión

Receptor (si se necesita)


PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

Tipo de material.

Tipo de probeta u zona a ensayar (unión soldada, tubo, chapa …).

Espesor de zona de ensayo.

Elección del tipo de palpador (normales o angulares) y frecuencia a utilizar.

Calibración de equipo.

Limpieza de zona de ensayo.

Aplicación del acoplante (colas, aceites…).

Realización de ensayo.

Evaluación de posibles indicaciones o defectos.


Modo de fallos

Metodología e identificación de los diferentes modos de fallos:


Rotura dúctil

Los materiales sobrepasan el límite elástico y se rompen


Rotura Frágil

Propagación rápida de una grieta sin deformación plástica.


Fallo por fatiga

Tras varios ciclos de aplicación de una tensión menor que la de rotura


Fallo por corrosión bajo tensión

Tensión no cíclica en un ambiente corrosivo


Fallo por erosión líquida

Causado por un líquido produciendo una zona de picaduras


Fragilización por hidrógeno

EL hidrógeno se encuentra entre el acero produciendo grietas imperceptibles


El análisis de fallos del Titanic

La temperatura de transición entre dúctil y frágil era muchas más alta que la que se encontraban en los actuales aceros (Ensayo de impacto Charpy)


El análisis de fallos del Titanic

La selección del material fue un fracaso, pero probablemente era el mejor de la época


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