curso afa1

8/16/2019 Curso AFA1

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Pontificia Universidad Católica del PerúFacultad de Ciencias e IngenieríaUnidad de Ingeniería de Soldadura

Av. Universitaria Cuadra 18 – Lima 32 Apartado Postal 1761 – Lima 100 Teléfono: Telefax:(San Miguel) Lima – Perú Http://www.pucp.edu.pe (01) 6262000 anx.4880 (01) 626 2800

1. Análisis de Falla 1: Mecanismos de daño de los materiales 16 h

Contenido:

Mecanismos de daño asist idos por esfuerzos mecánicos (5 horas)

• Colapso plástico o fractura dúctil

• Rotura frágil

• Daño por fatiga

• Desgaste adhesivo

• Desgaste abrasivo

Modos de fractura: (3 horas)

• Fractura dúctil

• Fractura frágil por clivaje.

• Fractura frágil intergranular.

• Fractura por fatiga.

Mecanismos de daño vinculados a la corrosión (4 horas)

• Fundamentos de la Corrosión electróquímica

• Tipos de corrosión: Corrosión uniforme• Corrosión galvánica

• Corrosión debida a resquicios

• Corrosión por picaduras

• Corrosión bajo tensión

• Corrosión - fatiga

Mecanismos de daño vinculados a uniones soldadas (4 horas)

• Factores que afectan la resistencia de las uniones soldadas

• Concepto de soldabilidad.

• Fisuración en uniones soldadas

• Corrosión en uniones soldadas

Lima, noviembre de 2006


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1

1

Mecanismos de la rotura

PROFESOR: PAUL P. LEAN SIFUENTES

2

ROTURA

La rotura de los materiales de ingeniería es normalmente unhecho no deseable por varias razones como:

Pérdidas de vidas humanas.

Pérdidas de materiales y su incidencia en el suministro de

productos y servicios.

La rotura es la separación de un sólido bajo tensión en dos omás partes.

En general, la rotura metálica puede clasificarse en dúctil yfrágil, pero también puede ser una mezcla de ambos tipos.


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3

5

Dimensiones, mm

ProbetaEstándar

Probetas Pequeñas Propor cionales alEstándar

12,5 9 6 4 2,5

G –Longitud calibrada62,5±

0,145,0±

0,130,0±

0,120,0±

0,112,5±

0,1

D –Diámetro12,5±

0,2

9,0± 0,1 6,0± 0,14,0±

0,1

2,5±

0,1R – Radio del filete,mínimo

10 8 6 4 2

A – Longitud de la secciónreducida

75 54 36 24 20

Probetas de tracción redondas: ASTM E8M-04

6

ENSAYO DE TRACCIÓN: DEFORMACIÓN

σmáx

(Resistenciamecánica)

ε

rotura

Deformacionesuniformes

Deformacioneslocalizadas

inicio de la estricción

estricción

σ

(Ductilidad)


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4

7

DEFORMACIÓN

DEFORMACIÓN ELÁSTICA

Deformación recuperable completamente al eliminar el esfuerzo que la

produjo.

La probeta vuelve a su tamaño inicial.

DEFORMACIÓN PLÁSTICA

Deformación que no se recupera al eliminar el esfuerzo que la produjo.

La probeta quedará alargada, aumentando su longitud. Deformación plástica = deformación permanente

8

ENSAYO DE TRACCIÓN: CURVAS OBTENIDAS

σ

ε

frágil

dúctil

tenaz

Deformación plástica nula o casi nula

Presenta gran deformación plástica

(Deformación plástica)


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5

9

ENSAYO DE TRACCIÓN: TIPOS DE ROTURA

F F

90°

Rotura frágil

Rotura Dúctil

10

ROTURA DÚCTIL: ENSAYO DE TRACCIÓN

Lo

LF

Antes delensayo

Después del ensayo

AO= área inicial

AF = área final

Alargamiento

ΔL = LF –Lo


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11

MEDIDA DE LA DUCTILIDAD

100*L

LL100*

LL

%o

oF

o

−=

Δ=ε

ALARGAMIENTO DE ROTURA (elongación)

ESTRICCIÓN DE ROTURA

100* A

A A%

o

Fo −=φ

12

ROTURA DÚCTIL

La rotura dúctil en un metal ocurre después de una intensadeformación plástica

Se caracteriza por una lenta propagación de la grieta.

Deformaciónplástica


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7

13

ROTURA FRÁGIL

La rotura frágil ocurre en forma súbita y catastrófica.

No se produce deformación plástica, como ocurre en la roturadúctil.

No haydeformación

plástica

14

ROTURA DÚCTIL –FRÁGIL

Tornillo “dúctil”

Dureza HRC 15

Tornillo “frágil”

Dureza HRC 57


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8

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ROTURA: DÚCTIL – FRÁGIL

La rotura dúctil puede ser prevenida con mayor facilidad, puescomo se inicia con la presencia de una deformación plástica, locual es un síntoma de que la fractura es inminente, hace posibletomar las medidas preventivas a tiempo.

En algunas ocasiones y bajo ciertas circunstancias, un materialque en condiciones normales tiene un comportamiento dúctil,puede comportarse como un material frágil.

Son muchos los ejemplos encontrados en barcos que sufrieron

rotura frágil, partiéndose en dos, cuando para su fabricación seempleó un acero de bajo carbono que en condiciones normalesde servicio debió presentar una rotura dúctil.

16

ENSAYO DE IMPACTO

Hay materiales que a temperatura ambiente son dúctiles pero que bajo

ciertas circunstancias se comportan de manera frágil.

Esto ocurrió durante la segunda guerra mundial con los barcos soldados

“Liberty” y buques tanques cisterna “T-2”, muchos de estos barcos se

rompieron completamente en dos partes. Ello ocurría en los meses de invierno cuando el mar estaba picado

(embravecido), otras veces cuando los barcos estaban anclados en los

muelles.

Se originaba una fisura de manera repentina la que comenzaba a crecer

rápidamente.

Al observar la superficie de su fractura se apreciaba una fractura frágil.


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17

ENSAYO DE IMPACTO

El material que se empleaba en la fabricación de estos barcos era un

acero ordinario de bajo contenido de carbono del tipo AISI 1020 (acero

ordinario con 0,2 % de carbono en peso).

Este acero es dúctil a temperatura ambiente, antes de romperse

presentará una gran deformación como un aluminio o cobre, pero bajo

ciertas condiciones presentó un comportamiento frágil (exagerando, se

comportó como un vidrio).

18

ENSAYO DE IMPACTO

Factores que con tribuyen a la fractura frágil Tres son los factores básicos que contribuyen a que un material dúctil

presente una tendencia al comportamiento frágil: Bajas temperaturas Estado triaxial de tensiones (presencia de esfuerzos en las tres

direcciones) Altas velocidades de carga (cargas de impacto)

No es necesario que estos tres factores estén actuando a la vez paraque se produzca la fractura frágil.

Un estado triaxial de tensiones (como la que existe en las soldaduras) ybajas temperaturas son las responsables de la mayoría de las fracturasfrágiles en operación.

Sin embargo, los efectos de estos factores se intensifican a velocidadeselevadas de carga.


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19

ENSAYO DE IMPACTO

Los ensayos de tracción y dureza que se realizan sobre los materiales

determinan las propiedades mecánicas a cargas estáticas.

Pero en realidad, las piezas o partes de las máquinas están muchas

veces sometidas a cargas fluctuantes en el tiempo o a cargas de

impacto.

Por tanto, para determinados materiales será necesario determinar su

comportamiento a cargas de impacto.

Son dos los tipos de ensayo de impacto que comúnmente se emplean:

Charpy e Izod, la diferencia entre ambos esta en la forma en que secoloca la muestra.

Las probetas normalmente son de sección cuadrada y tienen una entalla.

La carga de impacto se obtiene mediante la caída de un peso sobre la

muestra.

20

ENSAYO DE IMPACTO: TIPOS DE ENSAYO

FIMPACTOFIMPACTO

a) Ensayo Charpy b) Ensayo Izod


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ENSAYO DE IMPACTO CHARPY

22

ENSAYO DE IMPACTO

La entalla es la que producirá, una vez iniciada la rotura de la muestra

por la carga de impacto, que los esfuerzos se transmitan en las tres

direcciones (crea un estado triaxial de tensiones).

Por último, se ha visto que la temperatura también es una variable

importe, por ello este tipo de ensayo generalmente se realiza a diferentestemperaturas.


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CURVA OBTENIDA EN UN ENSAYO DE IMPACTO

Temperatura ( °C )

Energía absorbi da( J )

Temperaturade transición

Comportamientodúctil

(tenaz)

Comportamientofrágil

Emáx

Emín

Em = (Emáx+Emín)/2

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ENSAYO DE IMPACTO: ROTURAS

Frágil Dúctil

No hay deformación Hay deformación

Absorbe poca energía Absorbe más energía


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ENSAYO DE IMPACTO: CURVAS

AISI 1020(acero 0,2 % C)

AISI 1060(0,6 % C)

150

120

90

60

30

15

5

Ea ( J )

- 40 - 20 0 20 40 T ( °C )

AISI 304(acero inoxidable)

(CCCa)

26

CURVAS OBTENIDAS EN ACEROS AL CARBONO


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27

CURVAS OBTENIDAS EN ACEROS AL CARBONO

28

ROTURA POR FATIGA

En muchos tipos de aplicaciones las piezas de metal sometidasa tensiones repetitivas o cíclicas romperán a tensiones muchomenores que aquellas que puede soportar la pieza bajo laaplicación de una única tensión estática.

Este tipo de rotura que ocurre a bajas tensiones repetitivas o

cíclicas se denomina rotura por fatiga. La falla por fatiga es de tipo progresivo de iniciación y

propagación de grietas (en la mayoría superficiales) seguidasde una rotura intempestiva.

Por ello, el examen superficial es muy importante.


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29

ROTURA POR FATIGA

Rotura por fatiga

La flecha indica el origende la fractura.

Presencia de marcas deplaya, las que avanzaroncasi por toda la secciónantes de la última

separación.

La fractura se inició enuna discontinuidad.

30

ROTURA POR FATIGA

Rotura por fatiga de un eje

Se origina en la esquina,debido a la concentraciónde esfuerzos.

Se aprecian las marcastipo playa.

Los bordes afilados sonsiempre concentracionesde esfuerzos localizadosy deben siempre evitarse.


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31

ENSAYO DE DUREZA

32

DUREZA

DUREZA

Es una propiedad mecánica y en los metales es una medida de su

resistencia a ser deformados permanente. Todos los métodos de

ensayo de dureza dejan una huella plástica (permanente) en el metal

ensayado y a mayor tamaño de huella el metal será mas blando . En general existen tres métodos para medir dureza y se clasifican de

acuerdo a la forma de realizar el ensayo:

dureza al rayado

dureza a la penetración y

dureza elástica o dinámica.


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33

DUREZA AL RAYADO

Este tipo de ensayo interesa principalmente a los mineralólogos, y la

dureza se evalúa por la capacidad de los materiales de rayarse

unos a otros.

La dureza se mide de acuerdo con la escala de Mohs, que consiste de

10 minerales tipo (estándar) enumerados del 1 al 10 en orden creciente

de dureza. El mineral más blando en esta escala (mineral 1) es el talco,

le sigue el yeso (mineral 2), mientras que el mineral 9 es el corindón

(Al2O3) y el mas duro es el diamante.

La uña del dedo tiene una dureza aproximada de 2, el cobre recocido

(blando) de 3 y el acero templado (duro) de 7.

34

DUREZA AL RAYADO

Si un material es rayado por los minerales del 10 al 6 y

raya al mineral 5, entonces su dureza Mohs es de 5,5; pues es

mas blando que el mineral 6 y más duro que el 5.

si es rayado por el 6 y el material no es rayado ni raya al 5,

entonces su dureza de rayado es 5.


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35

DUREZA A LA PENETRACIÓN

Mide la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados por

otro cuerpo más duro. Normalmente se imprime sobre el material un

indentador (billa de acero endurecido, cono de diamante, etc.) con una

fuerza conocida por un tiempo determinado.

Este tipo de ensayo es el que se emplea principalmente para

determinar la dureza en los aceros, aleaciones de cobre (latones y

bronces), aleaciones de aluminio, etc.

Dentro de los ensayos de dureza de penetración tenemos: Brinell

Rockwell

Vickers

36

D

Indentador

Muestra

F (hasta 3 000 kg)10 –15 segundos

d

ENSAYO

Medición de lahuella

h

S = área de la superficie de la huella = π D h

DUREZA BRINELL (ASTM E10)


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37

)dDD(D2

FDhF

)mm(S)kg(F

HB22

2

−−π

=π

==

Donde:

F: carga aplicada en kg (durante 10 a 15 s)

D: diámetro del indentador (billa de acero “S” o de carburo de tungsteno

“W”) en mm

d: diámetro promedio de la huella dejada por el indentador, d1 undiámetro, se gira 90º y se mide otro diámetro d2 entonces:

2dd

d 21+

=

DUREZA BRINELL (ASTM E10)

38

Relación entre dureza Brinell y resistencia

Estudios llevados a cabo han demostrado que la dureza Brinell y laresistencia a la tracción son aproximadamente proporcionales, por ejemploen los aceros al carbono, con % C < 0,8; la relación entre dureza yresistencia a la tracción aproximada es:

HB = 3 σmáx (kg/mm2)

Propiedades mecánicas de aceros al carbono con recocido total

23179641060

30149531040

37111401020

% εHBmáx(kg/mm2)

TIPO DE ACEROAISI


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20

39

Dureza Rockwell (ASTM E 18) La máquina Rockwell salió al mercado en 1924, llenando el vacío

dejado por Brinell, pues no se podían medir dureza en materiales muy

duros como 700 HB.

El ensayo Rockwell se basa, como el Brinell, en la resistencia que

oponen los materiales a ser penetrados por un cuerpo más duro

La dureza se determina en función de la profundidad a la que

penetra el indentador .

En el ensayo Rockwell actúan dos tipos de cargas:

Primero se aplica una carga pequeña (precarga) de 10 kg y luego,

además de aquella, actúa otra carga mayor:

90 kg (escala B, penetrador billa de acero de acero 1/16”)

140 kg (escala C, penetrador cono de diamante).

40

hFho

Pre-carga10 kg

CargaTotal

150 kg

Pre-carga10 kg

Indentador

cono dediamante

120º

Dureza Rockwell (ASTM E 18)


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21

41

Determinación del valor de dureza Rockwell

Entre el número de dureza Rockwell y la profundidad de penetración

“hF” existe la siguiente dependencia:

002,0)mm(h

100HRC F

rango de durezas total teórico: 0 –100, rango real de trabajo en el cual

el valor es válido: 20 – 70 HRC

rango de durezas total teórico: 0–130, rango real de trabajo: 0–100 HRB

002,0)mm(h130HRB F

42

Dureza Rockwell (ASTM E 18)

La escala B (HRB) se emplea en metales blandos y semiduros. Utiliza

una bola de acero endurecido de 1/16” de diámetro.

La escala C (HRC) se utiliza en metales duros, emplea como indentador

un cono de diamante con un ángulo en la punta de 120º.

En ambos casos el ensayo se lleva de forma parecida, empleándose la

misma precarga (10 kg), y utilizando luego cargas principales de:

90 + 10 = 100 kg con la bola de 1/16” (HRB)

140 + 10 = 150 kg con el diamante (HRC)

El tiempo total de aplicación de la carga es de 10 a 15 segundos.


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22

43

RELACIÓN ENTRE DUREZAS

Para durezas menores a 250 HB el valor de la dureza Brinell es similar

a la dureza Vickers.

Un acero, de 0,65 % C, tiene una dureza de 210 Vickers:

210 HV = 210 HB

Lo que a su vez sería una dureza de 21 HRC

También el acero tendría una resistencia a la tracción aproximada

de 70 kg/mm2.

A partir de 250 HV, el valor de la dureza Vickers es siempre algo

superior a la Brinell.


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1

INTRODUCCIÓN AL DESGASTE

PROFESOR: PAUL P. LEAN SIFUENTES

2

DESGASTE

El DESGASTE es inevitable dondequiera que hayan cuerpos en

contacto, bajo carga y con movimiento relativo.

Normalmente, el desgaste no ocasiona fallas violentas, pero:

Ocasiona reducción de la eficiencia de operación.

Produce pérdidas de potencia por fr icción.

Incrementa el consumo de lubricantes

Es una de las causas más importantes en las pérdidas de

materiales.

Conduce al reemplazo y/o recuperación de los

componentes desgastados.


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3

El desgaste también puede definirse como la pérdida progresiva

de material procedente de una superficie operativa de un cuerpo,

producida por el movimiento relativo en dicha superficie.

El desgaste es una de las principales causas que hacen necesario

el mantenimiento de la maquinaria industr ial.

La fricción o rozamiento es una de las principales causas dedisipación de energía, por lo tanto, el control del rozamiento

causará un considerable ahorro energético.

DESGASTE

4

La TRIBOLOGÍA: es la ciencia y la tecnología del rozamiento,

desgaste y l ubricación. Tiene una considerable importancia en la

conservación de energía en los materiales.

Comparado con los otros dos problemas, que ocasionan el

reemplazo de máquinas y/o sus componentes: fatiga y

corrosión; el desgaste ha sido el menos estudiado, es quizá al

que se le presta menos atención y probablemente sea por estas

razones, que aun no se ha constituido un cuerpo de

conocimientos racional que permita predecirlo con cierto grado

de exactitud.

DESGASTE


26/2053

5

El comportamiento frente al desgaste no constituye unapropiedad característica de los materiales, sino que depende de

todo un sistema tribológico, generalmente constituido por dos

cuerpos, un lubricante y el ambiente.

Como consecuencia del desgaste hay desprendimiento de

partículas de la superficie de un cuerpo y/o el desplazamiento

de material de zonas en contacto, hacia otras zonas.

Un enfoque de sistemas considera a los factores que influyen en

el desgaste como:

Variables operacionales

Variables estructurales

DESGASTE

6

Variables Operacionales

Carga aplicada

Velocidad Temperatura Tipo de movimiento y duración

Variables Estructurales

Propiedades volumétricas: geometría, dimensiones,composición química, dureza, etc.

Propiedades superficiales: microestructura, rugosidad,microdureza.

Área de contacto Propiedades de los lubricantes Características de la atmósfera

DESGASTE


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7

Una discriminación de la importancia relativa de distintos tipos dedesgaste en la industria, ha sido estimada en los siguientes

términos:

Abrasión 50 %

Adhesión 15 %

Erosión 08 %

Desgaste micro-oscilatorio ("Fretting" ) 08 %

Desgaste químico 05 % Es necesario añadir que existen procesos en los cuales uno de

estos tipos se transforma en otro ó en los que dos ó mas de ellos

coexisten.

INCIDENCIA DE LOS TIPOS DE DESGASTE

8

DESGASTE ABRASIVO


28/2055

9

Se llama abrasión al desgaste producido por partículas duras quepenetran en una superficie; ocasionando deformación plástica

y/o arrancando virutas.

Se considera que este tipo de desgaste puede tomar dos formas

extremas: una en la cual la deformación plástica es lo mas

importante (Fig. 1) y la otra, en la cual la fractura con

deformaciones plásticas limitadas es lo que predomina (Fig. 2).

Figura 1 Figura 2

DESGASTE ABRASIVO

10

DOS CUERPOS TRES CUERPOS

DESGASTE ABRASIVO


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11

Las partículas abrasivas son generalmente partículas no metálicasque se encuentran sueltas.

Este tipo de desgaste se presenta en equipos de perforación de

suelos, trituradoras, molinos de bolas, en algunos casos en

cuerpos en contacto deslizante, etc.

Abrasión entre dos cuerposAbrasión entre tres cuerpos.

DESGASTE ABRASIVO

12

En los metales, la resistencia a la abrasión aumenta con la dureza.

Para una misma dureza los aceros presentan menor resistencia a la

abrasión que los metales puros.

Por otra parte el contenido de carbono en los aceros aumenta la

resistencia a la abrasión y, distintas microestructuras presentan

diferentes resistencias al desgaste.

DESGASTE ABRASIVO


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13

En los aceros el contenido de carburos es un factor importante en

la reducción de la abrasión; siendo los carburos de vanadio (V) y

niobio (Nb) mas efectivos que los de cromo (Cr) y tungsteno (W).

DESGASTE ABRASIVO

14

La martensita tiene mejor resistencia a la abrasión que la perlita y

la ferrita.

La austenita y bainita de igual dureza son mas resistentes a la

abrasión que la ferrita, perlita o martensita.

En general, para metales ferrosos las mejores resistencias al

desgaste se obtienen en matrices martensíticas, con carburos

uniformemente distribuidos.

Si se quiere una matriz mas tenaz, para condiciones de impactos

fuertes, es mas recomendable una estructura austenítica, la cual

tiende a endurecerse por deformación.

DESGASTE ABRASIVO


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15

Se ha encontrado que el desgaste abrasivo depende de lacorrelación entre la dureza del metal y la dureza del abrasivo.

Para reducir la componente abrasiva del desgaste, la dureza del

material (Hm) debe ser mayor que la dureza de las partículas

abrasivas (Ha). Se recomienda que Hm = 1,3 Ha.

: Hm/Ha

DESGASTE ABRASIVO

16

DIENTE DE UNA PALA MECÁNICA

Los recubrimientos a parte de tener gran dureza, deben ser losuficientemente tenaces para aumentar su resistencia al choque oimpacto.

DESGASTE ABRASIVO


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17

Los factores mas importantes que hacen disminuir el desgasteabrasivo en un material son los sigu ientes:

Aumentos de dureza en el material.

Control de la relación entre la dureza de la superficie y del

abrasivo

Disminución del tamaño de las partículas abrasivas.

Formas de partículas redondeadas.

Disminución de velocidades.

Aumentos del contenido de carbono y de carburos duros

(aceros).

Disminución de cargas.

DESGASTE ABRASIVO

18

DESGASTE ABRASIVO

Estudios de resistencia a la abrasión de

recubrimientos duros

Máquina de ensayos de desgaste

abrasivo de bajo esfuerzo, según

norma ASTM G-65


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19

DESGASTE ABRASIVO

Recubrimientos Duros resistentes al desgaste con elementos

aleantes como C, Cr, Mo, W, V

Dureza

aproximada:

64HRC

Estudios de resistencia a la abrasión derecubrimientos duros

20

DESGASTE ADHESIVO


34/20511

21

El desgaste adhesivo, también llamado desgaste por fricción, sepresenta entre dos superficies en contacto deslizante bajo la

acción de las cargas normales.

MOVIMIENTO

ADHESIÓNFRACTURA

(SUBSUPERFICIAL)

FN (carga normal)

DESGASTE ADHESIVO

22

Las puntas de las asperezas de las dos superficies sufren

deformación plástica y soldadura en frío (adhesión).

Al producirse el movimiento, las uniones soldadas se rompen

por cizalladura, tomando lugar la separación en el interior del

cuerpo de menor dureza. La fractura se produce en zonas subsuperficiales de uno o

ambos materiales, como se indica esquemáticamente en la figura

anterior.

Se puede producir un alto grado de transporte de materiales de

una pieza a otra, quedando fuertemente adherido en forma de

soldaduras en frío.

DESGASTE ADHESIVO


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23

El desgaste adhesivo puede producirse de forma rápida, dandolugar al “ gripado” de piezas móviles en sistemas mecánicos.

En presencia de elementos superficiales el comportamiento

puede quedar modificado, de forma que resulten fragilizadas las

soldaduras que se producen.

En lugar de romperse los puentes de unión entre las piezas en

movimiento alternativo, se romperán las soldaduras recién

formadas.

La aplicación de ciertos aditivos a los lubricantes, como

compuestos de cloro o de azufre, tienen como finalidad la

fragilización de las soldaduras.

DESGASTE ADHESIVO

24

Desgaste Suave: caracterizado por velocidades de desgaste

moderadas y producción de partículas de desgaste de tamaño

reducido con la apariencia de óxidos oscuros.

Desgaste Severo: se presentan velocidades de desgaste de 4 a 100

veces mayores y los desechos incluyen partículas sensiblementemas grandes, algunas de ellas con brillo metálico.

Desgaste Severo

Desgaste Suave

Desgaste Severo

Desgaste Suave

DESGASTE ADHESIVO


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25

La ecuación de desgaste más conocida es:

W = carga aplicada

V = velocidad

H = dureza del material mas blando en contacto

Sin embargo, es importante indicar que el fenómeno de desgaste

adhesivo es tan complejo y en el que pueden intervenir mas

variables que en algunas situaciones esta ecuación no es válida.

HV*W

DESGASTE =

DESGASTE ADHESIVO

26

DESGASTE ADHESIVOGENERALMENTE

A mayor dureza de material

menor velocidad de desgaste

(siempre que otros factores

permanezcan constantes).

Una variación importante de ladureza del material puede

provocar transición de desgaste

suave a severo.

Aumentos excesivos de dureza

eventualmente puede conducir a

una tenacidad insuficiente y a

fallas por fragilidad. (Acero A ISI 1050)


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27

EFECTO DE LA MICROESTRUCTURA

En relación al efecto de la microestructura, es de citar que la

American Society for Metals (ASM) sugiere el uso, para

cojinetes de deslizamiento, de las estructu ras siguientes:

Matrices blandas con partículas duras. Matrices duras con zonas de fases blandas.

Fases duras y blandas intercaladas.

DESGASTE ADHESIVO

28

EFECTO DE LA DUREZA

A mayor dureza del material menor velocidad de desgaste.

Una variación importante de la dureza del material puede provocar

transición de desgaste suave a severo.

Aumentos excesivos de dureza eventualmente puede conducir a

una tenacidad insuf iciente y a fallas por fragilidad.

DESGASTE ADHESIVO


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EFECTO DE LA RUGOSIDAD

La rugosidad también puede tener efectos contrapuestos.

Una rugosidad alta generalmente produce mucho desgaste.

Una rugosidad moderada le confiere a la superficie capacidad de

retener lubricantes.

Por otra parte, una rugosidad excesivamente baja (superficie muy

pulida) puede favorecer los fenómenos adhesivos y conducir a un

desgaste acelerado, pues no retendrá los lubricantes.

DESGASTE ADHESIVO

30

EFECTO DE LA TEMPERATURA

Generalmente el desgaste aumenta con la temperatura, debido a

incrementos en la ductilidad de las asperezas y del crecimiento

resultante de las juntas (uniones) metálicas.

Sin embargo, se han encontrado temperaturas de transición , por

encima de las cuales se producen notables reducciones en la

velocidad de desgaste. Este fenómeno ha sido asociado a la

formación de óxidos con muy buenas propiedades lubricantes.

Pero, una alta tasa de oxidación puede convertirse en un

problema de desgaste mayor.

DESGASTE ADHESIVO


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31

EROSIÓN

32

Se considera a la erosión como una forma de abrasión producida

por esfuerzos de contacto relativamente bajos, debidos al

impacto de partículas sobre una superficie.

Esta, a consecuencia del proceso, generalmente presenta una

apariencia brillosa granular fina, similar a la de las fracturas

frágiles. El desgaste de tipo erosivo se presenta, por ejemplo, en

equipos y líneas de bombeo para fluidos con sólidos en

suspensión, boquillas de equipos para granallado por arena

(sand-blasting), etc.

EROSIÓN


40/20517

33

En algunas ocasiones, un material blando puede ser mas adecuadopara resistir la erosión que un material duro. Por ejemplo, el caucho

natural ó sintético produce buenos resultados debido a su bajo

módulo elástico, lo que le permite grandes deformaciones y una

buena distribución de la carga.

La velocidad de desgaste por erosión aumenta con la velocidad de

las partículas y si los ángulos de impacto son pequeños predomina

el corte abrasivo; siendo la dureza superficial un factor crítico. Si

por el cont rario, los ángulos de impacto son grandes el desgaste es

debido princ ipalmente a deformación y fractura.

EROSIÓN

34

Parece existir una buena correlación entre la resistencia a la erosión

y el módulo de resiliencia (UR) de un metal:

donde:

E: límite elástico

E : modulo de rigidez (modulo de Young o de elasticidad)

Este parámetro representa la cantidad de energía que puede ser

absorbida por un cuerpo antes de que ocurra deformación plástica

(permanente).

EU ER

*2

2σ

=

EROSIÓN


41/20518

35

SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE EROSIÓN

Modificar ángulos de ataque.

Reducir velocidades.

Escoger materiales de mejor calidad ó modificar sus superficies.

Además, puesto que la erosión se considera como una forma de

abrasión, las recomendaciones para el control del desgaste

abrasivo t ienen, en general, validez para el desgaste erosivo.

EROSIÓN

36

FRETTING(Desgaste micro-oscilatorio)


42/20519

37

Esta forma de deterioro se caracteriza por la pérdida de material desuperficies en contacto, bajo la acción de una carga y, un

movimiento deslizante de amplitud muy pequeña menor a 130 µm.

Es típico en rodamientos, cuando no hay giro sino vibración. En

uniones atornilladas, piezas ajustadas por calado, etc.


38

SECUENCIA DE EVENTOS

Vibración y deslizamiento.

Desgaste adhesivo y generación de partículas.

Oxidación de las partículas, las cuales permanecen atrapadas en

pequeñas áreas de contacto.

Abrasión por las partículas oxidadas aumentando la velocidad de

desgaste y mayor producción de partículas.

Ello produce un significante daño localizado.



43/20520

39

FRETTING CORROSIÓN: Es el término aplicado a situaciones

donde se genera una gran cantidad de óxido en polvo alrededor

de las superficies de contacto. En los componentes de acero el

óxido que se genera es de color rojo.

FRETTING FATIGA: Ocurre en situaciones donde la carga y los

ciclos son suficientes para iniciar y propagar fisuras por fatiga. Elfallo puede ser acelerado por los elementos corrosivos de

procesos de desgaste.


40

El Fretting se combate muy bien con recubrimientos resistentes a la

corrosión (como el niquelado químico) o a través de recubrimientos

mas dúctiles como plata o indio.



44/20521

41

Los factores mas importantes que influyen en el desgaste micro-

oscilatorio son:

El aumento de la amplitud del movimiento puede conducir a otros

tipos de desgaste: adhesivo (predominante).

La variación en la carga normal puede hacer variar el desgaste

micro-oscilatorio de manera impredecible.


42

EFECTO DE LA CARGA

Disminuciones de la carga normal pueden producir aumento de

las vibraciones y esto ocasiona mayor desgaste.

Aumentos de la carga normal reducen las vibraciones, peroaumentan el área de contacto y a su vez el desgaste.

No obstante lo antes expuesto, en general se espera que un

aumento en la carga normal aumentará la velocidad en este tipo

de desgaste.



45/20522

43

EFECTO DE LA TEMPERATURA

La temperatura también tiene un efecto diverso, aunque mas

consistente.

A temperaturas muy bajas (- 150 °C) se detecta mayor deterioro y

se observa que a medida que la temperatura aumenta hasta 0 ºC,

el desgaste micro-oscilatorio d isminuye gradualmente.

Con aumentos de temperatura hasta 50 °C, el daño superficial

disminuye apreciablemente

Por encima de 70 °C comienza de nuevo a aumentar el desgaste.


44

EFECTO DE OTROS FACTORES SOBRE EL FRETTING

Humedades relativas entre 0 y 50 % reducen el desgaste para la

mayoría de los metales.

Por encima de 50 %, parejas acero-acero presentan aumentos en la

velocidad de desgaste, mientras que la combinación acero-cromo

se comporta de mejor manera con decrementos en las velocidades

de desgaste.

Lubricantes sólidos son la mejor opción para este tipo de

aplicación; siendo el Bisulfuro de Molibdeno (MoS2) el de mejores

resultados.



46/20523

45

EFECTO DE OTROS FACTORES SOBRE EL FRETTING

Las atmósferas inertes ó con bajas concentraciones de oxígeno

previenen la oxidación de las superficies en contacto y reducen

esta forma de desgaste.

Un buen acabado superficial es una buena opción para superficies

sometidas a deslizamientos micro-oscilatorios, pero rugosidades

muy pequeñas (menores de 0,05 µm) pueden impedir lapenetración del lubri cante y harían aumentar el “ Fretting" .



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1

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Fractografía Dr. Carlos Fosca

1

MODOS DE FRACTURAMODOS DE FRACTURA

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2

Evaluación de entradaEvaluación de entrada

Pregunta 1:

Indique a que modo de fractura corresponde esta imagen

a) Fractura frágil

intergranular

b) Fractura por clivaje

c) Fractura por fatiga

d) Fractura dúctil


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2

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3

Evaluación de entradaEvaluación de entradaPregunta 2:

Indique a que modo de fractura corresponde esta imagen

a) Fractura frágilintergranular



d) Fractura dúctil

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4


Pregunta 3:




d) Fractura dúctil

Indique a que modo defractura corresponde estaimagen


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3

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5




c) Fractura por fatigad) Fractura dúctil

Indique a que modo defractura corresponde estaimagen

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6


Pregunta 5:

a) frágil

b) Dúctil

c) No se puededeterminar sin unanálisis microscópicode la superficie

La imagen del elementofracturado corresponde auna fractura


50/205

4

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7


a) A

b) B

c) C

d) D

A

B

C

D

El inicio de la fractura delelemento esta señalado enel punto:

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8


a) Los esfuerzos nominales fueron elevados y el concentrador de tensiones bajo

b) Los esfuerzos nominales fueron altos yel concentrador de tensiones alto

c) Los esfuerzos nominales fueron bajos yel concentrador de tensiones alto

d) Los esfuerzos nominales fueron bajos yel concentrador de tensiones es bajo

El esquema muestra la superficie de fractura de un elementocilíndrico sometido a un sistema de carga cíclico y enpresencia de un concentrador de tensiones (entalle). Teniendoen cuenta la morfología de la superficie de fractura se puedededucir lo siguiente:

fatiga


51/205

5

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9

a b

c

Pregunta 8:

Señale cual sería la imagen fractográfica vista a través deun microscopio electrónico de barrido (SEM)

Se tiene una superficiede fractura observadaa bajos aumentos

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10

Pregunta 9:

a) La carga es flexión cíclica

rotativa

b) Las carga es flexión cíclicaaplicada sobre el plano A-A

c) Las carga es flexión cíclicaaplicada sobre el plano B-B

d) La carga es torsional

Teniendo en cuenta la superficie de fractura de un eje, indiquecual de las afirmaciones es la correcta:


A

A

B B


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6

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11

Pregunta 10:

a) Frágil por fatiga torsional

b) Frágil por carga de tracción

c) Dúctil por carga de tracción

d) Dúctil por torsión

El especímen que se muestra enla figura presenta una fractura :


02/11/2006


12

FRACTOGRAFÍAFRACTOGRAFÍA

Ciencia y arte que trata del examen o interpretación

de las superficies de fractura con objeto de conocer

las causas por las que una determinada pieza se

rompe.

Macro-fractografía: observación y estudio de lafractura a “ojo desnudo”, con una lupa o un binocular

hasta 40 X.

Micro-fractografía: observación y estudio a travésdel microscopio óptico y electrónico de barrido. A

altos aumentos (mayores a 40 X).


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7

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13

FRACTOGRAFÍAFRACTOGRAFÍA A partir del análisis fractográfico se pueden determinar

los caracteres morfólógicos de las superficies de rotura,

que permitan establecer el mecanismo de iniciación,

forma de propagación y consumación de la rotura.

Causa de rotura

Diseño

inadecuado

Defectos de

fabricación

Mantenimiento o

reparaciones mal

ejecutadas

Sobrecargas en

servicio

Ambiente

agresivo

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14

Una de las partes más importantes del análisis de

falla es la identificación del tipo de fractura, la cual

esta condicionada por una serie de factores:

Tipo y condiciones de carga,

Velocidad de crecimiento de la grieta,

Apariencia micro y macroscópica de la superficie

de fractura, etc.

IDENTIFICACIÓN DEL TIPO DE FRACTURAIDENTIFICACIÓN DEL TIPO DE FRACTURA


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8

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15

Condiciones de cargaCondiciones de carga::

Fractura por sobre-carga.

Fractura por impacto

Fractura por esfuerzos

Fractura por fatiga

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16

Fractura por sobre-carga: Cuando una fractura se originacomo consecuencia del lento o moderado incremento de los

esfuerzos mecánicos en un componente mecánico.

Fractura por impacto: Cuando la rotura de un componentese origina por el incremento de los esfuerzos mecánicos a

velocidades muy altas.

Fractura por esfuerzos: Cuando la fractura se producecomo consecuencia de la aplicación sostenida de esfuerzos

mecánicos bajo condiciones de carga estática a lo largo de

un período de tiempo.

Fractura por fatiga: Cuando la fractura de un componentese produce por la acción de esfuerzos cíclicos.

Condiciones de carga:Condiciones de carga:


55/205

9

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17

FRACTURA DÚCTIL (FALLA POR SOBRECARGA)FRACTURA DÚCTIL (FALLA POR SOBRECARGA)

La fractura dúctil se caracteriza por la rotura de un

componente acompañado de una apreciable deformación

plástica y de un considerable consumo de energía.

La grieta se propaga de manera estable hasta la rotura y

con una velocidad relativamente lenta (< 6 m/s).

La fractura dúctil tiene una apariencia macroscópica

fibrosa, grisásea y puede presentar una superficie planasuperficie planao una superficie inclinadasuperficie inclinada respecto a la dirección deaplicación de los esfuerzos máximos.

02/11/2006


18

En estas fallas es evidente la

formación de un cuello o

estricción antes de la fractura. Elplano de rotura es normal a la

dirección de los esfuerzos

máximos aplicados y la última

porción de área de la fractura se

produce en forma de un pico que

se extiende hasta la superficie del

componente, siendo esta región

tanto mas pequeña cuanto mas

grande es el espesor de la pieza.

Fractura dúcti l con superficie planaFractura dúctil con superficie plana

Se produce cuando el componente esta sometido a un estado

triaxial de tensiones que corresponde a una condición de

deformación plana, como suele ocurrir en elementos de gran

espesor.


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10

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19

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20


57/205

11

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21

Se produce bajo

solicitaciones de carga en

condiciones de esfuerzos

planos, que es típica de

elementos de sección

delgada o de regiones

próximas a la superficie. Este

tipo de rotura puede o no

presentar estricción y la

superficie de fractura estalocalizada formando un

ángulo de aproximadamente

45° respecto de la superficie

Fractura dúctil con superficie incl inadaFractura dúctil con superficie inclinada

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22

y

x

z

centro

superficie

Estado de esfuerzos plano y deformación plana


58/205

12

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23

La fractura dúctil se produce como consecuencia de la

nucleación y coalescencia de microcavidades (dimples) en

el interior del material. La nucleación de estas

microcavidades se producen en las discontinuidades o

micro-concentradores de tensiones como pueden ser

partículas de segundas fases, inclusiones no metálicas,

límites de granos o apilamientos de dislocaciones

MECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTILMECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTIL

02/11/2006


24

METAL POLICRISTALINO

O Ó

O

O Ó

OÓ

ÓO

O

Ó

Ó

O

O

Ó

Ó

OÓ

O

OÓ

Ó O

ÓO

ÓO

OÓ

Ó O

O

Ó

OÓ

Ó

Grano (Cristal)

Límite de grano


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13

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25

d

KoF +σ=σ

Ecuación de Hall-Petch

σF esfuerzo de fluencia

σo y K son constantes del metal

“d” es el diámetro medio de los granos

METAL POLICRISTALINO

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26

DEFECTO PLANAR


60/205

14

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27

Inclusiones pueden

inducir la acumulación de

dislocaciones que

favorezcan la nucleación

de microcavidades

precursoras de la fractura

dúctil.

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28

PLANO DEDESLIZAMIENTO

LÍNEA DE

DISLOCACIÓN

DEFECTOS LINEALES: DISLOCACIÓN DE BORDE

Semiplano de átomos faltantes

Semiplano extra de átomos


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15

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29

DEFECTOS LINEALES: DISLOCACIÓN DE BORDE

Si se le aplica un esfuerzo se producirá el movimiento de la dislocaciónde borde.

A esto se le llama deslizamiento, y representa la deformación plástica(permanente).

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30

b


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16

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31

Las microcavidades se producen en las interfases de las

inclusiones o partículas duras dispersas en la matriz.

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32



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17

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33

Fractura dúctil (Fractura dúcti l (dimplesdimples)) Se produce por coalescencia de microcavidades.

Nucleación de microcavidades en regiones

localizadas de deformación (partículas de fases

secundarias, inclusiones, límites de grano, y

apilamiento de dislocaciones).

Conforme crece la deformación en el material las

microcavidades crecen, coalescen y

eventualmente forman una superficie de fracturacontinua

Esta fractura exhibe una numerosa cantidad de

depresiones (tipo copas) “dimples”.

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34

La superficie, observada a mas de 100X, exhibe una serie

de numerosas micro-depresiones que son el resultado de la

coalescencia de las microcavidades y que reciben el nombre

de "dimples" (hoyuelos).

.


Cara superior

Cara inferior


64/205

18

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35

La cantidad y distribución

de los "dimples" son

consecuencia de la

cantidad de zonas

activadas para la

nucleación de

microcavidades. Cuanto

mayor es la dispersión y

cantidad de precipitados o

fases secundarias, mas

pequeños serán los

dimples que se observen

en la superficie de

fractura.

MECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTILMECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTIL precipitados

Imagen SEM

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36


Acero


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19

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37


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38

Las fallas en servicio que ocurren como consecuencia de

fracturas completamente dúctiles son poco frecuentes, sin

embargo, cuando ello ocurre la fractura dúctil se origina

como resultado de una sobrecarga, la cual puede ser

consecuencia de diversos factores:

CAUSAS DE LAS FRACTURAS DÚCTILESCAUSAS DE LAS FRACTURAS DÚCTILES

sub-dimensionamiento delcomponente

bajas propiedades mecánicas del

material

proceso de fabricación

inadecuado

materiales defectuosos

sobre-esfuerzos mecánicos, etc.


66/205

20

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39

La fractura frágil se

caracteriza por una rápida

propagación de la grieta

sin apreciable

deformación plástica y por

un menor consumo de

energía comparada con la

fractura dúctil.

FRACTURA FRÁGILFRACTURA FRÁGIL

Las superficies de fractura frágil tienen una apariencia

brillante, granular con poca o ninguna estricción. El plano de

fractura es perpendicular a la dirección de los máximos

esfuerzos de tracción.

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40


67/205

21

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41

Si observamos la superficie de fractura de una probeta

cilíndrica como la que se muestra en la figura siguiente,

veremos que esta tiene una serie de "crestas" radiales

que se originan del centro de la superficie de fractura.

Estas "crestas" se mueven paralelas a la dirección de la

propagación de la fisura y se forman cuando dos grietas

adyacentes no coplanares se conectan entre sí.


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42

Una vez que el frente de las grietas alcanza la periferia de la

sección de fractura se produce un cambio en el estado

tensional pasando de un estado triaxial de tensiones (en el

centro de la pieza) a un estado de esfuerzo plano (en la

superficie). Ello provoca que en la última porción de la

fractura se observen picos debidos a ruptura por corte

aunque en mucho menor grado que en una fractura dúctil.



68/205

22

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43

Las "crestas" radiales observadas normalmente en una

fractura frágil permiten orientarnos en la búsqueda del origen

y de la dirección de propagación de la grieta.


"crestas" radiales

Origen de la grieta

02/11/2006


44

Asimismo, la extensión de esta región esta influenciada por

la temperatura al cual se produjo la fractura. Cuando la

fractura se produce a una temperatura alta (en relación a la

temperatura de transición dúctil/frágil del acero en cuestión)

la presencia de crestas radiales es mucho más evidente

mientras que a bajas temperaturas pueden llegar incluso a

estar ausentes.



69/205

23

02/11/2006


45

La existencia de los picos

por rotura de corte en los

bordes de la superficie de

fractura orienta en la

búsqueda del origen de la

fractura. Estos picos se

presentan en la región final

de fractura, es decir en la

periferia y nunca en el

origen de la misma.

Si la fractura frágil se

produjo a baja temperatura

es probable que estos

picos no se observen.


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46

Las fallas de estructuras o componentes mecánicos mediante

fractura frágil se inician por la presencia de defectos originados

durante el proceso de fabricación o a lo largo de la operación en

servicio. Estos defectos actúan como concentradores de tensiones

y pueden ser en términos generales:

CAUSAS DE UNA FRACTURA FRÁGILCAUSAS DE UNA FRACTURA FRÁGIL

1. Entalles: discontinuidades causadas por cambios de sección,

defectos de mecanizado o daños en servicio (rayado)

2. Defectos del material: plieges, laminaciones,grandes

inclusiones no metálicas, defectos de forja, etc.

3. Segregaciones, inclusiones, microestructuras indeseables,

presencia de fases secundarias, etc.

4. Fisuras resultantes de tratamientos térmicos, presencia de

hidrógeno, debidas a corrosión


70/205

24

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47

Fractura FrágilLa fractura frágil se caracteriza macroscópicamente por

que:

Hay poca o ninguna deformación plástica precede a la

fractura

La fractura es generalmente lisa y perpendicular a la

superficie del componente

La fractura puede tener una apariencia granular ocristalina y es a menudo altamente reflectiva a la luz

Pueden observarse marcas “chevron” (herradura)

El crecimiento de la grieta es muy rápido

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Rotura de un rodil loRotura de un rodi llode laminaciónde laminación


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25

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49

Fractura frágil por clivaje

Clivaje es una fractura de baja energía que se propaga

a lo largo de planos cristalográficos bien definidos

conocidos como planos de clivaje.

Debido a que las aleaciones de ingeniería son

policristalinas (contienen granos, subgranos,

inclusiones, dislocaciones y otras imperfecciones) la

fractura de clivaje exhibe numerosas superficies de

propagación (“ marcas de río” “marcas de plumas”,marcas de herradura “chevron”, marcas de “lengua”,

etc.).

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50

Fractura frágil por clivaje


72/205

26

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51

Fractura frágil por clivajeEsta tubería fue sometida a un

ensayo de presión (0,4 sy)

mediante detonación de carga

explosiva.

La fractura inicial fue frágil pero

luego la fisura se detiene de

manera dúctil

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52

Modos de fractura

Fractura de un eje por fatiga torsional

Se aprecia inicio de

la fisura por fatiga

Marcas chevron

Fractura final por

sobrecarga

(dúctil)


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27

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53

Fractura frágil (superficie) por sobrecarga de flexión en un eje

de automóvil (AISI 1050) con temple superficial (60 HRC)

Origen de la fracturaFractura mixta (frágil-dúctil)

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54

Marcas de “chevron”

Resultan de un crecimiento discontinuo de superficies de

fractura por clivaje, como consecuencia de la iniciación,

crecimiento y unión de varias superficies de fractura.

El frente de propagación de la fractura chevron tiende a ser

curvado (parabólico) envolviendo una serie de fisuras quecrecen radialmente.


74/205

28

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55

Marcas de “chevron”

Este tipo de fractura es observado en aceros de baja

resistencia mecánica que exhiben cierta ductilidad, pero

no se observan en materiales frágiles.

Ello se debe a que es necesario cierto nivel de

deformación plástica para la formación de líneas chevrón

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56

Marcas de

“chevron”


75/205

29

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57

Fractura descohesiva (intergranular) en un acero AISI 8740 debido a fragilización por hidrógeno originada

por un tratamiento indecuado de deshidrogenado después

de un cadmiado

Fractura frágil intergranular

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58

Fractura descohesiva (intergranular) en un acero

AISI 8740 debido a fragilización por hidrógeno

originada por un tratamiento inadecuado de

deshidrogenado después de un cadmiado

Fractura frágil intergranular


76/205

30

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59

FATIGA

Iniciación de microfisuras

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60

FATIGA

Microdeformación plástica

Iniciación de una o más microgrietas

Propagación o coalescencia de microgrietas

para formar una o mas macrogrietas

Propagación de macrogrietas

Falla final

Mecanismo de la falla por fatiga


77/205

31

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61

FATIGA

Microdeformaciones provocan movimiento de

planos de deslizamiento a través de dislocaciones

Dislocaciones emergen a la superficie

Las cargas oscilantes provocan acumulación local

de escalones de dislocaciones en la superficie

aumentando la rugosidad (bandas de

deslizamiento)

Durante la deformación plástica cíclica se

produce endurecimiento o ablandamiento del

material


02/11/2006


62

FATIGA

Aleaciones monofásicas recocidas se

endurecen, mientras que aleaciones

endurecidas en frío se ablandan.

Aleaciones con precipitados coherentes con la

matriz (Ni3 Al en aleaciones base Ni)

experimentan fuerte endurecimiento.

Otras aleaciones como Al-Cu, sufren también

endurecimiento.



78/205

32

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63

FATIGA

Los aceros templados se endurecen por

microdeformación cíclica

Los aceros templados y revenidos se ablandan

El ablandamiento se debe al cambio producido

en la estructura de dislocaciones con la

deformación cíclica, reduciendo la densidad de

dislocaciones.


02/11/2006


64

FATIGA

Se originan en: bandas de deslizamiento,

límites de granos, en partículas de segunda

fase, en inclusiones o interfases matriz/fase

secundaria. Dependerá de cual ocurre masfácilmente.

La acumulación de dislocaciones que emergen

en la superficie se concentran en los

obstáculos presentes (límites de granos, fases

secundarias, películas de óxidos, etc)

acumulando una gran cantidad de energía

elástica



79/205

33

02/11/2006


65

FATIGA

Cuando la energía de deformación acumulada

alcance cierto valor se produce una microfisura

(fisura en la matriz, descohesión a través de

límites de grano, fisuración de una fase

secundaria, etc.)

La amplitud de deformación crítica para

provocar fisuración esta relacionado con laseveridad al entalle del material.


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66

FATIGA


Formación de intrusiones y extrusiones en un

cristal sometido a esfuerzos alternantes.


80/205

34

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67

FATIGA


El espaciamiento

entre las

estriaciones es una

medida del lento

avance de la fisura

de fatiga (por ciclo

de deformación)

02/11/2006


68

FATIGA

Propagación de microfisuras

La acumulación de

dislocaciones

emergentes forman una

microfisura que se

propaga inicialmente

siguiendo la dirección

establecida por la

microdeformación

plástica (etapa I)


81/205

35

02/11/2006


69

FATIGA

Propagación de microfisuras

Alcanzado un tamaño crítico esta microfisura

crece bajo la acción de los esfuerzos aplicados

moviéndose en la dirección normal a los

esfuerzos de tracción máximos (etapa II)

Esta microgrieta sigue creciendo hasta alcanzar

un tamaño macroscópico (macrogrieta) y hasta

reducir la sección efectiva que soporta losesfuerzos hasta un nivel intolerable provocando

una sobrecarga que fractura del material.

02/11/2006


70

Fracturas debidas a fatiga


82/205

36

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71

Fracturas debida a fatiga

02/11/2006


72

Fractura por fatiga torsional (fractura tipo

“peeling”) en un eje de acero AISI 1030.

Fractura por fatiga


83/205

37

02/11/2006


73

Fractura por fatiga en un eje AISI 1040 (30 HRC)

sometido flexión rotativa.

Fractura por fatiga

La fractura comenzó en

diferentes puntos de la

superficie

02/11/2006


74

Fractura por fatiga flexorotativa en eje de acero AISI 1040 (30 HRC)

Fractura por fatiga


84/205

38

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75

Fractura por fatiga

02/11/2006


76

Fractura por fatiga

Fractura por fatiga en

un eje AISI 1050 (35

HRC) sometido a

flexión rotativa, se

observan marcas

múltiples en lasuperficie lo que

indica que la fractura

se origino en diversos

puntos debido a un

fuerte concentrador

de tensiones en la

superficie.


85/205


86/205

40

02/11/2006


79

Flexión bidireccional

Morfologías de la fractura por fatiga paradiferentes t ipos de carga

02/11/2006


80

Morfologías de la fractura por fatiga paradiferentes t ipos de carga

Flexión y torsión rotativa


87/2051

Dr. Carlos Fosca

COMPORTAMIENTO

MECÁNICO A ELEVADAS

TEMPERATURAS

Dr. Carlos Fosca

2

CREEP (Fluencia lenta)

Mecanismo de deterioro en eltiempo que provoca ladeformación continua de unmaterial bajo carga (esfuerzos) yexpuesto a una temperatura

elevada.Deformación asistidatérmicamente dependiente deltiempo.

Como consecuencia de estadeformación se producen en elcomponente variacionesdimensionales, distorsiones yfinalmente la ruptura del mismo.

Distorsión por creepen un álabe dealeación de Co.

Dr. Carlos Fosca


88/2052

3

CREEP O FLUENCIA LENTA

¿Donde se puede presentar el creep?

Calderos

Turbinas a gas y de vapor

Hornos industriales

Equipos para refinación del petróleo

Craqueo catalítico

HidrocrackingReforma catalítica

Tratamiento de hidrogenación

Dr. Carlos Fosca

4


¿Cómo se comporta un material expuesto a creep?

= 203 MPa

= 158 MPa

= 126 MPa

= 77 MPa

Acero de

baja

aleación alMo-V

Tiempo en horas

Deformación por c reep

Dr. Carlos Fosca


89/2053

5

Curvas de CREEP

Un material sometido a un mecanismo de creepexperimenta tres etapas.

x rotura

deformación debidaa creep

tiempo de servicio

3ª Etapa2ª Etapa

1ª Etapa

Dr. Carlos Fosca

6


¿Cómo se comporta un material expuesto a creep?

La forma de la curva creep esta determinada por una

serie de factores que actúan de manera conjunta:

Endurecimiento por deformación

Procesos de ablandamiento: restauración,

recristalización, sobre-envejecimiento por

precipitación

Mecanismos de daño: formación de microcavidades,

fisuración

Dr. Carlos Fosca


90/2054

7Curvas esfuerzo-temperatura para una deformación total de 3% en 10 min de exposición

Curvas creepDr. Carlos Fosca

8

Curvas creep

Curvas de creep hastaruptura para el acero AISI 4340 con tresdiferentes resistenciasmecánicas

Las curvas han sidoploteadas para diferentescriterios de vida

Dr. Carlos Fosca


91/2055

9

Curvas creep

Criterio empleado por el

código ASME paraestablecer los esfuerzospermisibles para un acerodel tipo 2 1/4%Cr -1%Mo

Dr. Carlos Fosca

10

Curvas creep para el Pb a 17°C (1 Kg/cm2 ≈ 1 MPa)

Curvas creepDr. Carlos Fosca


92/2056

11

Ensayos CreepDr. Carlos Fosca

12

Ensayos CreepDr. Carlos Fosca


93/205


94/2058

15

Modos de fractura a elevadas temperaturas

B) Fractura por creep transgranular

Es el modo de fractura análogo a la fractura dúctil abajas temperaturas. Se produce nucleación demicrocavidades (alrededor de inclusiones ohetereogeneidades microestructurales) que luegocrecen y coalescen en forma de agujeros.

Esta asociado con altos esfuerzos en creep.

Dr. Carlos Fosca

16

Modos de fractura a elevadas temperaturas

C) Fractura por creep intergranular

Se produce a niveles de esfuerzo menores. Tieneuna apariencia microscópica de fractura frágil.

Formación de microcavidades en límites de grano.Se observa una mínima deformación a nivelmicroscópico.

Dr. Carlos Fosca


95/2059

17

Predicción de comportamiento bajo Creep

Debido a que la mayoría de los ensayos de creep son realizadospara tiempos de hasta 1000 horas (6 semanas), resulta necesariopoder predecir a partir de ellos el comportamiento de losmateriales para tiempos más prolongados, pues para condicionesde diseño se hace necesario establecer esfuerzos admisibles entérminos de resistencia al creep para tiempos cercanos a las100000 horas (11,4 años).

Parámetros de correlación

1. Parámetro de Manson-Haferd

2. Parámetro de Larson y Miller3. Parámetro de Dorn

Dr. Carlos Fosca

18

Parámetro de Manson-Haferd (PMH)

T(°C)

Log (tr )

tc

Tc

tr = tiempo de ruptura

Tc , tc = temperatura y tiempo de convergencia para todas las curvas creep derotura elaboradas a diferentes esfuerzos

σ(MPa)

PMH

cr

c

t t

T T

loglogPMH

−

−=

Dr. Carlos Fosca


96/20510

19

Parámetro de Larson y Miller

T(°C)

Log (tr )


Originalmente Larson y Miller propusieron que C = 20 aunque luego se hacomprobado que este puede variar entre 17 a 23.

σ(MPa)

P

)log(Pr t C T +=

Dr. Carlos Fosca

20

Parámetro de Dorn

T(°C)

Log (tr )


σ(MPa)

PD

)RT

Q(

r D e.tP

−

=

Dr. Carlos Fosca


97/20511

21

Técnicas de extrapolación paramétrica

Una planta térmica esta diseñada para operar mas alláde las 100 000 horas. Entonces es necesario realizarensayos de laboratorio cuyos resultados seanextrapolables a períodos largos de tiempo.


Basados en la expresión de Hollomon y Jaffe para acerostemplados y revenidos se desarrolló el concepto delparámetro P, que correlaciona el efecto de la temperatura

del tiempo y de los esfuerzos sobre la vida bajo creep.

Dr. Carlos Fosca

22

Bajo condiciones de diseño un componentesometido a un esfuerzo de 50 MPa a unatemperatura de 500°C podrá operar seguramentedurante 40 años. Teniendo en cuenta que elParámetro de Larson y Miller para este acero es:

¿Cual será la reducción de vida en el componente sieste operase a 530°C?

Parámetro de Larson y Miller (P)

P = T(20 + logt)

t : horas, T : °R, °R = °F + 460, °F = 9/5(°C)+32

Dr. Carlos Fosca


98/20512

23

Parámetro de Larson y Miller (P)

Teniendo en cuenta que 500°C = 932°F = 1392°R,reemplazamos los valores en la ecuación:

P = T(20 + logt) P = 1392(20 + log347520)

P = 35553

Empleando ahora las nuevas condiciones(T = 530°C) despejamos el nuevo valor de “t”

P = 1446 (20 + logt) = 35553

Logt = 35553/1446 -20 =4,5871

t = 38649 horas = 4,4 años

Dr. Carlos Fosca

24

Daño acumulado en Creep

Ensayos de Laboratorio: a T = cte y σ = cte.

En servicio: T = variable y σ = variable

Reglas del Daño

1. Regla de la Fracción de vida:

1t

t

ri

i =∑

ti = tiempo de operación en la condición “i”

tri= tiempo de vida hasta ruptura en la condición “i”

Dr. Carlos Fosca


99/20513

25

Una tubo de caldero fue operado bajo 40 MPa a unatemperatura de 500°C durante 42500 h y a 530°Cdurante las siguientes 40000 h.

Se sabe que el tiempo de vida a 500°C es de350000 horas, y a 530°C es de 8000 h.

Calcular la fracción de vida consumida usando laregla de la fracción de vida.

Solución:

Daño acumulado en Creep

1tt

ri

i =∑ 62.0800004000035000042500 =+

La fraccción residual de vida será 1-0,62 = 0,38

Dr. Carlos Fosca

26

Predicción de vida a través de técnicas basadasen la medición de dureza

La resistencia de un acero de baja aleación cambia con eltiempo y la temperatura de servicio, como consecuenciade la esferoidización de los carburos.

Po, Ho

P1, H1

P2, H2

dureza


Dr. Carlos Fosca


100/20514

27


Correlación entre la dureza

Vickers y el parámetro deLarson - Miller para diferentesaceros resistentes al creep

Dr. Carlos Fosca

28


Problema:

Un tubo de caldero tenía una dureza inicial de330 HV y una curva característica de ablandamiento:

H = 960 - 0,02P

donde H: dureza HV, P: parámetro de Larson y Miller

P = T(20+logt) T: °R, t: h

El mismo tubo al cabo de un tiempo en servicio de80000 horas redujo su dureza a 165 HV.

Determine la temperatura de servicio.

Dr. Carlos Fosca


101/20515

29


Solución:

Tomando la dureza se despeja el valor de P:

165 = 960 - 0,02 P P = 39750

Con el valor de P y el tiempo se servicio se despejafinalmente la temperatura de operación:

39750 = T(20+log80000)

T = 1590°R = 1130 °F = 610°C

Dr. Carlos Fosca

30

Estimación de vida residual basado en técnicasmetalográficas

1. Evolución de microcavidades

Empleado en materiales o zonas frágiles de tubos decalderos, ZAC de uniones soldadas y material base

sometido a elevados esfuerzos.2. Esferoidización de carburos

3. Variación del espaciamiento de carburos

4. Análisis de carburos

Dr. Carlos Fosca


102/20516

31

II

III

I

tiempo de exposición

A

B

C

D

fractura

Estimación de vida residual basado en técnicasmetalográficas

Evolución de microcavidades

A - observaciónB - observación y fijar

intervalos de inspecciónC - servicio limitado

hasta reparaciónD - reparación inmediata

deformación por creep

Dr. Carlos Fosca

32

cavidades aisladas cavidades orientadas

microgrietas macrogrietas

A B

C D

Dr. Carlos Fosca


103/20517

33

Estimación de vida residual basado entécnicas metalográficas

700

600

500

400

102 104 106

AB

C

DE

F

TIEMPO (horas)

T (ºC)

A B C

D E F

Conociendo t y lamicroestructura se puedeestimar la temperatura deservicio T

Estados deesferoidización decarburos en acerosferríticos.

A esta microestructura lecorresponde un estado“P” definido por:

P = logt - 12370/T

T: K, t: horas

Dr. Carlos Fosca

34

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

24 25 26 27 28 29 30 31

P = T x [ 13,62 + log (t) ] / 1000

T en ºRt en horas

(mils)

log ( espesor de óxido)

Estimación de vida residual basadoen la medición de la capa de óxido

Dr. Carlos Fosca


104/20518

35

Correlación entre el espesor de capa de óxido y el tiempo de exposición en vaporpara el acero 2 1/4 Cr- 1Mo para diferentes temperaturas

Dr. Carlos Fosca


105/2051

MECANISMOS DE DAÑOVINCULADOS A LA

CORROSIÓN

ORIGEN DE LAS REGIONES ANÓDICAS Y CATÓDICAS


106/2052

ORIGEN DE LAS REGIONES ANÓDICAS Y CATÓDICAS C.FOSCAC.FOSCA

Se ha establecido que una condición indispensable

para que exista corrosión electroquímica es que

estén presentes zonas anódicas y catódicas en elmetal o aleación. Pero, quedan algunas preguntas

por resolver:

¿Por qué existen estas zonas anódicas y catódicas

en un metal?.

¿Qué factores influyen en la creación de estas

zonas anódicas y catódicas?

¿Son estas zonas anódicas y catódicas una

característica intrínseca del material?

¿Por qué existen estas zonas anódicas ycatódicas en un metal?


Todo metal y aleación contiene heterogeneidadesmacroscópicas y microscópicas que conllevan a la

existencia de regiones termodinámicamente másactivas que otras, produciendo la formación de

zonas anódicas y catódicas en el material.


107/2053

¿Son estas zonas anódicas y catódicas unacaracterística intrínseca del material?


Las heterogeneidades que dan origen a las zonasanódicas y catódicas no dependen únicamente del

material sino también de las condiciones ambientales

en las que se encuentra inmerso (gradientes de

temperatura, concentración, velocidad de fluido, etc.)

¿Qué factores influyen en la creación de estaszonas anódicas y catódicas?


El origen de las zonas anódicas y catódicas esta en

la presencia de las heterogeneidades.

Todos los factores que influyan en éstas también loharán directamente en la presencia de las zonas

anódicas y catódicas.


108/2054

La existencia de zonas anódicas y catódicas en un

sistema electroquímico están directamente ligadas a la

presencia de heterogeneidades en el metal y/o en sumedio.

Entendiendo que factores influyen en la existencia de

estas heterogeneidades y conociendo los diferentestipos que pueden presentarse podremos comprender y

reconocer mejor la existencia de las zonas anódicas y

catódicas en un sistema corrosivo.

Las heterogeneidades pueden ser de diferentenaturaleza, endógenos al material o exógenos al él.


Tipos de Heterogeneidades

• Del metal

• Del medio

• De las condiciones físicas del sistema

Teniendo en cuenta en donde se pueden presentar estas

heterogeneidades estas pueden ser clasificadas en:



109/2055

1. Heterogeneidadesdel metal


Heterogeneidades del metal

Constituyen la causa más frecuente de corrosión

electroquímica en los metales y aleaciones. En general

las heterogeneidades más importantes presentes en un

metal pueden ser agrupadas en dos grandes grupos

Micro-Heterogeneidades

Macro-Heterogeneidades



110/2056


• múltiples Fases

• Precipitados

• Segregaciones en composición química

• Límites de grano


• Regiones fuertemente deformadas(alta de densidad de dislocaciones)

• Partículas y contaminantes en lasuperficie del metal

• Discontinuidades en películasprotectoras

• Diferencias en acabado superficial

Macro-

Heterogeneidades


Microestructuralmente

hablando, los metales y

aleaciones están

constituidos por una serie deheterogeneidades

microscópicas que pueden

comportarse como regiones

anódicas o catódicas

respecto a la matriz (fases,

dislocaciones, límites de

grano del metal, etc.).

Fases secundarias

(ánodo ó cátodos)

granos

Fase β(cátodo)

Fase α(ánodo)



111/2057


Acero: A SAE J429 Gr. 8 (perno)Fuente: www.hghouston.com/ x/12.html

Inclusiones no metálicas

Martensita revenida

La presencia de

inclusiones no

metálicas, por ejemplo,

representa en el acero,

micro-regiones

anódicas respecto a su

matriz.


Por su parte la presencia de dos fases masivas

(aleaciones bifásicas) puede provocar micro-pares

galvánicos entre estas (por ejemplo los latones α+β, el

grafito y la matriz ferrítica de las fundiciones grises, etc.).

ferritagrafito Fase α Fase β




112/2058

ORIGEN DE LAS REGIONES ANÓDICAS Y CATÓDICAS – LATONES C.FOSCAC.FOSCA

La presencia de fases secundarias que precipitan en lamatriz (carburos aleados Cr 23C6 en los aceros

inoxidables, CuAl2 en los duraluminios).

Cr 23C6CuAl2



113/2059

La macro-heterogeneidades presentes en el metal pueden

ser diferentes naturaleza:



Las uniones soldadas son

un ejemplo claro de macro

heterogeneidades que

elevan el riesgo de corrosión

El acabado superficial condiciona la resistencia a la

corrosión de una pieza metálica.



Metales con mejor

acabado superficial

experimentan una mejor

resistencia a la

corrosión


114/20510

Los defectos en recubrimientos protectores como pinturas

son macro heterogeneidades que inducen a la corrosión



Este defecto es muy

típico cuando la

preparación de la

superficie no ha sido

buena.

Los defectos en recubrimientos protectores como pinturas

son macro heterogeneidades que inducen a la corrosión



En las latas de

conservas un defectoen la laca protectora

puede provocar

problemas de corrosión

y contaminación

intolerables en el

producto.


115/20511


2. Heterogeneidadesdel medio

También pueden existir

heterogeneidades que

estén presentes en el

medio. Una de las más

comunes es aquella

debida a las diferencias

en concentración de

oxígeno del medio en

contacto con diferentes

regiones de un metal.

Heterogeneidades en el medio



116/20512

Este es el caso por

ejemplo, de una

tubería enterrada que

atraviesa regiones con

distinta permeabilidad

al oxígeno, o

estructuras metálicas

parcialmente

sumergidas en agua.


Tierra arenosa(rica en O2)

Tierra arcillosa(pobre en O2)

Tubería deacero

enterrada

cátodo

ánodo


En ella las diferencias

en concentración de

especies en el medio

corrosivo provocanmacro-celdas (ánodos

y cátodos) que

producen la corrosión

acelerada del metal

expuesto.




117/20513


3. Heterogeneidadesde las condiciones

físicas

Puede también ocurrir que las condiciones físicas:

temperatura, caudal de fluido, presencias de corrientes

parásitas, puedan provocar regiones con diferentes

potenciales electroquímicos.

Heterogeneidades de las condiciones físicas


Gradientes de temperatura

Diferencias de caudal

Corrientes parásitas


118/205


119/20515

Cuando una estructura metálica es atravesada por

corrientes eléctricas vagabundas o erráticas se

generan diferencias de potencial entre los extremos

de ingreso y salida de la corriente, lo cual provoca,

en presencia de un medio acuoso, macropilas

galvánicas (ánodos y cátodos) en la estructura






120/20516


FIN


121/205

1

MECANISMOS DE DAÑOVINCULADOS A LA

CORROSIÓN

2

ASPECTOS TERMODIN ASPECTOS TERMODIN Á ÁMICOS DE LAMICOS DE LA

CORROSICORROSIÓÓN:N:

Formas de corrosiFormas de corrosi�

curso afa1

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