Anlisis de Falla de Materiales

Fernando Medina Ingeniero Metalrgico

Analista de Falla en CECOB Unexpo 2003 Docente IUTPC

Historia de las Fallas?

Que debe conocer un analista de falla?

1.Ciencia de los Materiales (metales, Cermicas, Polmeros, etc.)

2.Procesos de fabricacin (Fundicin, Conformado, Soldadura)

3.Conocimiento de la industria (Qumica, Petrolera, Alimentos, Minera, Aeronutica etc.)

Cul es el desafo de la Ingeniera de Materiales?

Falla: Cese de la funcin o inutilidad de una pieza o material de Ingeniera.

La Pieza falla cuando:

La pieza llega a ser totalmente inoperante (fallas normalmente catastrfica)

Puede operar pero no puede realizar satisfactoriamente su funcin

El nivel de daos hace inseguro su uso

Porque los materiales fallan?

Funcin

Diseo

Produccin del material

Procesos primarios de Fabricacin

Procesos secundarios de Fabricacin

Acabado

Ensamblaje

Almacenaje

Servicio

Costo Beneficio

Causas de la Falla:

Son variables y normalmente sinrgicas. Estn asociadas al:

Diseo y fabricacin de la pieza

Condiciones y tiempo de uso

ANALISIS DE FALLAS

Funcin

Diseo

Produccin del material

Procesos primarios de Fabricacin

Procesos secundarios de Fabricacin

Acabado

Ensamblaje

Almacenaje

Servicio

Costo Beneficio

Falla

Anlisis de Falla

Objetivo del anlisis de falla:

Determinacin de la causa o causas

Rediseo para evitar fallas

Evitar fallas similares

Ayuda en caso de litigio penal, civil o mercantil

Indicar responsabilidades

ANALISIS DE FALLAS

Errores de diseo Forma y dimensiones de la pieza

Seleccin del material

Evaluacin del material

Seleccin del proceso de fabricacin

Calculo de cargas esperadas, esfuerzos de diseo, desgaste (Condiciones de servicio)

Consideraciones del ambiente de servicio

Criterios para la seleccin del material (nivel de defectos permitidos)

Errores de ensamblaje

ANALISIS DE FALLAS

Un anlisis para determinar los factores responsables que ocasionaron la prdida prematura o la inutilidad del elemento o pieza , que ayuda a prevenir que no ocurran fallas similares.

CRITERIOS PARA EL ANALISIS DE FALLAS: 1. Obtener informacin apropiada y completa. El analizador recoge y

genera toda la informacin que pueda concerniente a la falla. Esto incluye historia del elemento o pieza, funcin, historia de servicio, ensayos sobre la parte que fallo, estudios de laboratorio, clculo de esfuerzos, etc.

2. Crear una hiptesis para la causa de la falla. Esta etapa implica ordenar la informacin, confrontar teora y datos, aplicar experiencias, refutar hiptesis erradas, es decir aplicar pensamiento lgico ingenieril.

ANALISIS DE FALLAS

CRITERIOS APLICABLES

1. Se debe hacer toda la investigacin necesaria que nos lleve a las causas de la falla

2. El anlisis debe de ser completo, pero no necesariamente exhaustivo. La profundidad depender de la importancia de la pieza y del costo asociado

3. No debe llegarse a un anlisis de falla con una idea preconcebida 4. El proceso del examen de la falla determinar los ensayos a

realizarse. Debe disearse una secuencia apropiada de los ensayos 5. Deben respetarse las exigencias tcnicas de los ensayos 6. La formacin cientfica e ingenieril del analizador es crtica 7. Debe rescatarse la mxima informacin de la falla. Simulaciones

pueden ayudar pero nunca suplican la realidad de las condiciones de la falla

ANALISIS DE FALLAS

SECUENCIA RECOMEDABLE

1. Investigacin necesaria que nos lleve a las causas de la falla Historia termo mecnica, composicin qumica, diseo dimensional, condiciones de servicio, etc.

2. Inspeccin visual de la falla Anlisis de la fractura, grado de deformacin 3. Inspeccin con Lupa estereoscpica 4. Establecimiento de hiptesis en base a detalles macroscpicos de zona de inicio de la falla

y caracterizacin del tipo de fractura 5. Relacin de la inspeccin macroscpica con informacin sobre la falla y sus condiciones de

falla Validacin de la Hiptesis 6. En caso de dudas razonables y dependiendo del caso, Anlisis complementarios

i. Anlisis qumicos ii. Metalografa iii. Evaluacin de propiedades mecnicas

7. Relacin anlisis complementarios y de la inspeccin macroscpica con informacin sobre la falla y sus condiciones de falla Validacin de la Hiptesis

8. En caso de dudas razonables y dependiendo del caso, Anlisis complementarios especiales i. Microscopia electrnica de barrido ii. EDX, Auger, Difraccin de RX, etc. iii. Microscopia electrnica de trasmisin

9. Relacin anlisis complementarios y de la inspeccin macroscpica con informacin sobre la falla y sus condiciones de falla Validacin de la Hiptesis

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

Herramientas Empleadas

INSPECCION VISUAL

Anlisis macroscpico de la fractura y de su zonas cercanas

Inspeccin con lupa estereoscpica

OBJETIVO: Ubicar el inicio de la falla Establecer hiptesis sobre las causas de la misma Clasificar a la fractura segn su ductilidad o fragilidad

INDICADORES: Grado de deformacin Aspecto y brillo de la fractura Orientacin espacial de la fractura : Detalles de la fractura: Marcas chevron ?, labios de corte?, fibrosidad ?,marcas de

playa?, mltiples grietas?, presencia de xido?, presencia de coloraciones, superficiales?, presencia de discontinuidades?, presencia de concentradores de esfuerzos?, etc.

Marcas Chevron

Seccin transversal

Origen de la falla

Zona fibrosa

Marcas Chrevn

Labios de corteLas marcas indican el inicio y la

direccin de propagacin de la gieta

Seccin transversal

Origen de la falla

Zona fibrosa

Marcas Chrevn

Labios de corteLas marcas indican el inicio y la

direccin de propagacin de la gieta

Seccin transversal

Origen de la falla

Zona fibrosa

Marcas Chrevn

Labios de corteLas marcas indican el inicio y la

direccin de propagacin de la gieta

Zona fibrosa (opaca) Marcas chevron (brillante)

ANALISIS DE FALLAS

Marcas chevron

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

ERRORES DE DISEO

Diseo original Diseo propuesto

Falla de un eje de un acero herramienta A6 diseo original y propuesto

Falla de un acople de aleacin de Al- 7075 Diseo original y propuesto

Diseo original Diseo propuesto

Falla de un acople de acero 4130 Diseo original y propuesto

Diseo original Diseo propuesto

ANALISIS DE FALLAS

INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS

ANALISIS DE FALLAS

INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS

Bajo nivel nominal de esfuerzos

Sin concentrador de esfuerzos

Concentrador de esfuerzos medio

Concentrador de esfuerzos severo

Variacin de las marcas de playa en la fractura en funcin del nivel de la carga y de la magnitud de los concentradores de esfuerzos

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS

Sin concentrador de esfuerzos

Concentrador de esfuerzos medio

Concentrador de esfuerzos severo

Variacin de las marcas de playa en la fractura en funcin del nivel de la carga y de la magnitud de los concentradores de esfuerzos

Alto nivel nominal de esfuerzos

ANALISIS DE FALLAS

INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS

Diseo original Diseo optimizado

La variacin de las juntas genera variaciones sustanciales en el nivel de concentracin de esfuerzos

ANALISIS DE FALLAS

INFLUENCIA DEL DISEO EN LA DISTRIBUCION Y CONCENTRACION DE ESFUERZOS

Diseo original Diseo optimizado

ANALISIS DE FALLAS

PRINCIPALES TIPOS DE FALLAS Sobercarga Mecnica

Fractura fragil

Fractura ductil

Fatiga Alto ciclaje

Bajo ciclaje

Mecanica

Trmica

Corrosin

Termofluencia (Creep)

Fractura por impacto

Corrosin

Fragilizacin por Hidrgeno

Desgaste

Erosin Abrasin

Cavitacin

ANALISIS DE FALLAS

FRACTOGRAFIA APLICADA AL ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

Conjunto de tcnicas mediante la cual se realiza la observacin de la superficie de fractura de un material con el objeto de determinar realizar el anlisis de su falla o caracterizar el material

FRACTOGRAFIA

FRACTURA:

Separacin fsica en dos o mas partes de un material por efecto del avance de una o de mltiples grietas El material por la accin de un estado de esfuerzo aplicado, mas all de deformarse interna o externamente tiende a separarse en los planos de enlace atmico o en las uniones resultantes de los potenciales de interaccin en el estado slido que existen en los constituyentes o fases presentes.

ANALISIS DE FALLAS

La observacin de la superficie de fractura puede proporcionar informacin sobre los siguientes parmetros que caracterizan la rotura de un componente o material de ingeniera en servicio:

Mecanismo de propagacin de la fisura

Fractotenacidad del material

Configuracin de las tensiones actuantes

Medio qumico involucrado

Origen de la fractura

Una fractografa es tanto ms til cuanto mayor sea la informacin que permita obtener. El anlisis resulta particularmente efectivo si se puede determinar el punto origen o comienzo de la fractura y se logra vincular este a las causas de la falla.

FRACTOGRAFIA APLICADA AL ANALISIS DE FALLA

ANALISIS DE FALLAS

TECNICAS UTILIZADAS EN FRACTOGRAFIA

Inspeccin visual Evaluacin con lupa estereoscpica Evaluacin con Microscopia electrnica Analizador de imgenes Tcnicas de anlisis fractales

ANALISIS DE FALLAS

INSPECCION VISUAL

Anlisis macroscpico de la fractura y de su zonas cercanas

Inspeccin con lupa estereoscpica

OBJETIVO: Ubicar el inicio de la falla Establecer hiptesis sobre las causas de la misma Clasificar a la fractura segn su ductilidad o fragilidad

INDICADORES: Grado de deformacin Aspecto y brillo de la fractura Orientacin espacial de la fractura : Detalles de la fractura: Marcas chevron ?, labios de corte?, fibrosidad ?,marcas de

playa?, mltiples grietas?, presencia de xido?, presencia de coloraciones, superficiales?, presencia de discontinuidades?, presencia de concentradores de esfuerzos?, etc.

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

Al usar luz visible, con una lupa, la resolucin puede disminuir hasta d 0,02nm (10 X) y con el

uso de un microscopio ptico se puede incrementar la resolucin hasta d 170 nm ( 1000 X).

d 0,2 a 0,02 mm .

Evaluacin con lupa

estereoscpica

ANALISIS DE FALLAS

Sin embargo, si en lugar de utilizar la luz como rayo incidente sobre la muestra es utilizado un haz de electrones, se lograr disminuir notablemente . As con un microscopio electrnico de barrido, MEB (SEM- Scanning Electron Microscope por sus siglas en ingls) se incrementa la resolucin hasta d 50 A , y con uno de Transmisin, MET (TEM Transmisin Electrn Microscope por sus siglas en Ingls) hasta d entre 1 y 2 A (Aumentos entre 50.000 y 100.000 X, respectivamente).

ANALISIS DE FALLAS

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO

MODO TIPO DE SEAL INFORMACION

REFLECTIVO ELECTRONES

REFLEJADOS

COMPOSICIONAL

CRISTALOGRAFICA

EMISIVO ELECTRONES

SECUNDARIOS

EMITIDOS

TOPOGRAFICA, CAMPOS

MAGNETICOS Y

ELECTRICOS

LUMINISCENTES FOTONES COMPOSICIONAL

ABSORBENTE ELECTRONES

ABSORBIDOS

TOPOGRAFICA

RAYOS X FOTONES RAYOS X COMPOSICIONAL

AUGER ELECTRONES AUGER COMPOSICIONAL

ANALISIS DE FALLAS

REPLICAS METALOGRAFICAS

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

TECNICAS UTILIZADAS EN FRACTOGRAFIA

Es por lo tanto crucial conocer la informacin que proporciona cada tcnica para saber cual utilizar en el momento preciso segn lo que se requiere determinar.

Si se requiere una informacin macroestructural (cualitativa y semi cuantitativa), no es necesario incrementar la resolucin, ni utilizar tcnicas costosas ni especializadas. Bastara un macroataque y una inspeccin visual.

Si se requiere conocer (cuantitativamente) el tamao de grano o el nivel de inclusiones de un material, basta con seguir las normas ASTM y utilizar microscopia ptica a 100X, no tendra sentido utilizar otra tcnica mas costosa de mayor resolucin. Tcnicas complementarias a Fractografa

Si se requiere conocer las caractersticas morfolgicas de una fractura y su relacin con la microestructura de la aleacin, o es necesario evaluar finos precipitados o quizs los mecanismos de un fino proceso corrosivo y su ubicacin en una aleacin, conviene utilizar Microscopia electrnica de Barrido. Esta informacin asociada al tradicional anlisis metalogrfico y a los anlisis qumicos general de la muestra pude ser suficiente para llegar a obtener la informacin requerida

Sin embargo, en ocasiones se requiere una mayor, detallada y focalizada evaluacin, requirindose mas resolucin. Adicional a la informacin obtenidas con las otras tcnicas, se debera entonces utilizar Microscopia Electrnica de Transmisin.

ANALISIS DE FALLAS

FRACTOGRAFIA Y TENACIDAD

ANALISIS DE FALLAS

TIPOS DE FALLA

Fractura

Ductil Mixta Fragil

Variables

Intrnsecas Extrnsecas

Tipo y forma de vinculacin interatmica Estructura cristalina Homogeneidad del sistema Nivel de defectos

Temperatura Modo y de aplicacin de la carga Medio de servicio Distribucin de la carga

ANALISIS DE FALLAS

Copa Cono

Morfologa de la Fractura Ductil

ANALISIS DE FALLAS

Dimples en la Fractura Dctil

Coalescencia de microhoyuelos

ANALISIS DE FALLAS

SUPERFICIE SUPERIOR

SUPERFICIE INFERIOR

FRACTURA DUCTIL

El avance de la grieta es intergranular

ANALISIS DE FALLAS

La coalescencia de microhoyuelos formados a partir de precipitados y fases duras, genera el avance de la grieta en el interior de los granos

ANALISIS DE FALLAS

Hoyuelos equiaxiales (tensin)

Hoyuelos eslongados (corte)

Hoyuelos eslongados (tensin biaxial)

Textura de la Fractura Ductil

ANALISIS DE FALLAS

Fractura Fragil

CLIVAJE

ANALISIS DE FALLAS

Deformacin Plstica

Grieta

N

f

borde de la grieta

Plano de deformacin plstica mxima

El avance de la grieta se facilita con precipitados coherentes

Avance transgranular de la grieta Reflejo de la luz

Avance intergranular de la grieta

Planos de clivaje

Clivaje

Textura de la Fractura Fragil

ANALISIS DE FALLAS

FRACTURA DUCTIL FRACTURA FRAGIL

DEFORMACIN (ESTRICCIN) MULTIPLE FISURACIN

MARCAS CHEVRON

FRACTOMECANICA

Tensin Corte Compresin

Ductil Fragil Ductil Fragil Ductil Fragil

ANALISIS DE FALLAS

fractura Zonas con evidencia de

deformacin

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

ANALISIS DE FALLAS

TRANSICION DUCTIL-FRAGIL

ANALISIS DE FALLAS

EFECTO DE LA TEMPERATURA

ANALISIS DE FALLAS

EFECTO DE LA TEMPERATURA

Fractura Ductil

Fractura Fragil

HOYUELOS (DIMPLES)

ANALISIS DE FALLAS

FATIGA

Falla catastrfica de tipo fragl que ocurre cuando un material es sometido a esfuerzos cclicos con valores nominales muy inferiores a los esfuerzos de fluencia.

Las grietas se nuclan normalmente de manera superficial o subsuperficial, las cuales avanzan progesivamente, generando estriaciones e intriaciones

El avance de la grieta es favorecido por las concentraciones de defectos e impurezas y por la disminucin de zona plstica en el frente de avance de la grieta. El avance de la grieta depender de los niveles de carga aplicada, del numero de ciclos, de la plasticidad y del nivel de microlimpieza del material y de la agresividad del medio

ANALISIS DE FALLAS

FATIGA

ANALISIS DE FALLAS

FATIGA

Origen

Marcas Conchoidales

Final de la fractura

Estriaciones de fatiga Morfologa de la fractura

ANALISIS DE FALLAS