Diseño, Selección y Falla de Materiales
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Diseo, seleccin y falla de
materiales
Jos Luis Ortiz
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1. Introduccin
La seleccin ptima de materiales debe tener
por objetivo
las propiedades ptimas
el costo mnimo global de los materiales
la facilidad de fabricacin o la manufacturabilidad
del componente o estructura y
el uso de materiales favorables para el ambiente.
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2. Metodologa general de diseo
El procedimiento de diseo siempre se inicia
con una necesidad o un problema.
Para lograr el objetivo deseado, el
procedimiento de diseo pasa
caractersticamente por 5 etapas:
aclaracin de la necesidad
diseo conceptual
diseo de formulacin
diseo de detalle
manufactura/ensamble y/o montaje
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2. Metodologa general de diseo
establecer y proponer acciones recopilacin de datos anlisis sntesis evaluacin/perfeccionamiento decisin/comunicacin
aclaracin de la necesidad diseo conceptual diseo de formulacin diseo en detalle manufactura/montaje
Requisitos y
restricciones
tcnicos comerciales gubernamentales
Fuente de
conocimientos
educacin experiencia cliente organizaciones publicaciones proveedores
Seleccin de
materiales
perfil de propiedades perfil de proceso perfil ambiental
Fases
Actividades
Necesidad o problema
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2.1. Fases del diseo
2.1.1. Aclaracin de la necesidad
Implica analizar y enunciar el problema
con claridad. En esta etapa, el equipo
recopila y pone por escrito todos los
requisitos y restricciones, las normas a las
que es necesario ajustarse, los requisitos
establecidos por la ley, la fecha de
terminacin prevista del proyecto de
diseo y aspectos similares.
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2.1. Fases del diseo
2.1.2. Diseo conceptual
Esta etapa consiste en generar posibles
soluciones, planes y mtodos para
resolver el problema.
El equipo debe realizar debates sin
restricciones en los que se expresen todas
las soluciones posibles.
Los productos de esta etapa son dos o tres
planes que tengan la mayor posibilidad de
alcanzar el objetivo deseado.
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2.1. Fases del diseo
2.1.3. Diseo de formulacin
Se formulan y evalan con mayor detalle
las dos o tres soluciones o planes
conceptuales seleccionados y se hace una
eleccin definitiva del plan o mtodo que
se utilizar.
Los productos de esta etapa deben ser
bosquejos aproximados, especificaciones
y satisfaccin o cumplimiento en trminos
amplios de las necesidades y
especificaciones del producto.
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2.1. Fases del diseo
2.1.4. Diseo en detalle
Considera el gran nmero de pequeos
pero importantes detalles que la
elaboracin o fabricacin del producto o
componente implica.
El producto de esta actividad es un
conjunto de dibujos muy detallados, as
como las especificaciones definitivas en
cuanto a tolerancias, precisin, mtodos
de unin, etc. para elaborar el componente
o producto.
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2.2. Actividades de diseo
Las actividades de diseo se clasifican
en:
analticas
creativas
de ejecucin
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2.3. Seleccin de materiales
La seleccin de materiales es parte del
procedimiento de decisin en cada etapa del
diseo.
Esto se conoce como ingeniera integral,
simultnea o concurrente, y es movida por
la productividad y la competitividad global.
Este tipo de ingeniera permite al proyectista
averiguar en los inicios del procedimiento, si
existe algn problema en cuanto a la
disponibilidad, costo o procesabilidad del
material.
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2.3. Seleccin de materiales
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2.3. Seleccin de materiales
Composites
Sandwiches
Hybrids Lattices
Segmented
PE, PP, PC
PS, PET, PVC
PA (Nylon)
Polymers Polyester
Phenolic
Epoxy
Soda glass
Borosilicate
Glasses Silica glass
Glass ceramic
Isoprene
Butyl rubber
Elastomers Natural rubber
Silicones
EVA
Alumina
Si-carbide
Ceramics Si-nitride
Ziconia
Steels
Cast irons
Al-alloys
Metals, alloys Cu-alloys
Ni-alloys
Ti-alloys
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2.3. Seleccin de materiales
Proceso de diseo en el que se muestra que la seleccin de
materiales interviene en cada etapa
FORMULACIN
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3. Factores que intervienen en
la seleccin de materiales
Son muchos los factores que deben tomarse
en cuenta al seleccionar materiales y casi
todos ellos estn relacionados entre s. Estos
factores se pueden agrupar como sigue:
Factores fsicos
Factores mecnicos
Procesamiento y fabricabilidad
Duracin de los componentes
Costos y disponibilidad
Cdigos, factores estatutarios y otros.
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3.1. Factores fsicos
Tamao
Forma
Peso
Todos ellos guardan relacin con el
tratamiento del material.
Debe tenerse en cuenta el transporte.
Por ejemplo el plstico y el aluminio
requieren mayor volumen para alcanzar el
rendimiento estructural del acero.
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3.2. Factores mecnicos
Tienen que ver con la capacidad del material de soportar los tipos de esfuerzos que se le imponen.
resistencia
mdulo
tenacidad a la fractura
resistencia a la fatiga
resistencia a la termofluencia
etc.
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3.3. Procesamiento y fabricabilidad
Estos factores se relacionan con la
capacidad para formar al material.
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3.4. Factores de duracin
Resistencia a la corrosin
Resistencia al desgaste
Termofluencia
Propiedades de fatiga
Fatiga por corrosin bajo cargas dinmicas.
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4. Criterios y herramientas de
seleccin de materiales
En la actualidad los materiales se eligen de
tal forma que satisfagan tres criterios
generales:
Perfil de propiedades
Perfil de proceso
Perfil ambiental
Los tres criterios se consideran de forma
simultnea o concurrente con el costo del
material.
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4.1. Perfil de propiedades
La seleccin con base al perfil de
propiedades busca casar los valores
numricos de las propiedades con las
restricciones y los requisitos.
Las propiedades en las que se presenta ms
atencin son:
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4.1. Perfil de propiedades
Insensibles a la
estructura
Densidad
Mdulo de elasticidad
Conductividad trmica
Coeficiente de expansin
trmica
Punto de fusin
Temperatura de
transicin vtrea
Corrosin
Costo
Sensibles a la
estructura
Resistencia
Ductilidad
Tenacidad a la fractura
Fatiga y propiedades
cclicas
Termofluencia
Impacto
Dureza
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4.1. Perfil de propiedades
El procedimiento de casar los perfiles de
propiedades de los materiales con los requisitos
puede ser muy tedioso y consumir mucho tiempo.
Afortunadamente en la actualidad se dispone de
bases de datos en las que se compilan las
propiedades de diferentes materiales para facilitar el
procedimiento de seleccin (ej.
http://www.matls.com)
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4.1. Perfil de propiedades
Tambin se dispone de diagramas de
materiales que permiten seleccionar
materiales en base a su ndice de
rendimiento o de eficiencia, que es una
combinacin de propiedades (Metodologa de
Ashby).
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4.2. Perfil de proceso
Busca identificar el tratamiento que permita dar al
material la forma deseada, para despus unirlo o
terminarlo al costo mnimo.
Existen antiguos y modernos procedimientos y
materiales.
Es importante evaluar las diferentes alternativas para
determinar los costos de un proceso.
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4.2. Perfil de proceso
Una de las tcticas, la de ms fcil comprensin, consiste en el intento de estimar el costo de la seleccin con base a un costo de manufactura de un componente simple estndar.
Este costo se modifica por medio de una serie de multiplicadores, cada uno de los cuales toma en cuenta un aspecto del componente que se proyecta.
Estos aspectos incluyen forma, tamao, complejidad, precisin, acabado, tamao de lote, material, etc.
Despus los procesos se clasifican en funcin del costo calculado de esta forma, lo que permite al proyectista elegir el material y procesos definitivos.
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4.2. Perfil ambiental
Se relaciona con la repercusin del
material, su manufactura, uso y
reutilizacin, y eliminacin en el
ambiente.
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5. Rendimiento y eficiencia de
los materiales
Uno de los principales factores en la
seleccin de materiales es su ndice de
rendimiento o eficiencia.
Por lo general, la carga general de un
componente o estructura puede resolverse
en cuatro modalidades fundamentales:
Eficiencia =carga sobre el elemento estructural
peso del material
P
m
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5. Rendimiento y eficiencia de
los materiales
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5.1. Eficiencia de tensin axial
(resistencia mxima por unidad de masa)
Considerando la barra de la
figura, la masa del material es
m = ALor. Con la carga mxima
por unidad de masa, la
eficiencia o rendimiento es, por
lo tanto:
Fs y Lo son ctes. de diseo y
sdis/r es la resistencia
especfica del material.
De forma similar se determinan
la rigidez mxima por unidad de
masa y el rendimiento en
cuanto al costo y otras
propiedades.
P
P
Lo
Lf
DL
EficienciaP
ALo
A
ALo FsLodis dis
r
s
r
s
r
1
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6. Diagramas de Materiales
La tarea que ms tiempo consume en la
seleccin de materiales es la recopilacin de
la informacin sobre sus propiedades a fin de
cumplir con los requisitos y restricciones de
diseo.
La mayor parte de los datos estn
disponibles en forma de software.
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6. Diagramas de Materiales
La informacin se ha compactado en forma de diagramas.
Estos diagramas son obra de Michael F. Ashby y fueron ideados para emplearse en diseo conceptual.
Las Figuras 11-8 y 11-9 son versiones simplificadas de los diagramas de materiales de Ashby.
Las grficas se han trazado en escalas logartmicas a fin de incluir las propiedades de todos los materiales.
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6. Diagramas de Materiales
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6. Diagramas de Materiales
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6. Diagramas de materiales
Las grandes diferencias que se observan en
las propiedades de las diferentes clases de
materiales surgen principalmente de las
diferencias en las masas de los tomos, la
naturaleza de sus fuerzas o enlaces
interatmicos y la geometra (estructura
cristalina) de su empaquetamiento.
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6.
Diagramas
de
materiales
-
6.
Diagramas
de
materiales
-
6.
Diagramas
de
materiales
-
6.
Diagramas
de
materiales
-
6. Diagramas de materiales
Por ejemplo, si se considera el factor de maximizacin correspondiente a la rigidez mxima con tensin axial y se le asigna un valor C:
E/r =C o E = Cr
Tomando logaritmos en ambos lados:
log E = log r + log C
Solucin que fcilmente se reconoce como la ecuacin de una familia de rectas, y = mx+b.
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6. Diagramas de materiales
Al obtener el valor de C cuando r = 1, se obtiene una lnea gua.
Los materiales intersectados por la lnea gua tienen el mismo valor E/r o mdulo especfico.
Los materiales que estn por encima de esta lnea tienen valores E/r mayores que C y los que estn por debajo de ella tienen valores ms pequeos.
Los diagramas de Ashby son muy tiles porque muestran las clases genricas de materiales que pueden usarse en una determinada aplicacin.
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6. Diagramas de materiales
Las restricciones de mdulo y densidad tales
como:
E 10 GPa y r 3 Mg/m3
Se grafican como lneas horizontales y
verticales respectivamente, tal como se
muestra en la siguiente figura:
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6. Diagramas de materiales
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6. Diagramas de materiales
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7. Factores de forma
Los factores de eficiencia que se han
descrito no tienen en cuenta el efecto
de la forma de la seccin de la
estructura o componente.
Slo se comparan materiales de la
misma forma. El rendimiento de un
material tambin es funcin de la forma
y de la modalidad de carga.
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7. Factores de forma
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7.1. Modalidad de flexin
Al igual que en los casos anteriores, existen dos criterios de rendimiento: uno para la rigidez y otro para la resistencia.
El factor de forma para el rendimiento de rigidez es el cociente de la rigidez de la seccin considerada entre la rigidez de una seccin circular maciza, y se designa como:
El subndice B significa flexin y el superndice e, significa elstica.
Puesto que , es una medida de la rigidez adicional de la seccin considerada.
e
B
1eB
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7. Factores de forma
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8. Influencia de la estructura
interna
Los factores de forma nicamente consideran
la forma externa del material.
En la siguiente figura se ilustra la
combinacin de la estructura interna de panel
con la forma de seccin externa de doble T.
El factor de forma resultante en este caso es
el producto de forma interna y externa.
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8. Influencia de la estructura
interna
Por ejemplo, para una viga elstica, el factor de forma total es:
Donde es el factor de forma externo en la flexin de vigas.
eFeFtotaleF e
F
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9. Metodologa de Ashby
CES 4 EduPack (Cambridge
Engineering Selector) Educational
Demo
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Problemas de diseo
El diseador de mobiliario Luigi Tovalino, concibe una mesa ligera de gran simplicidad: Una hoja plana de vidrio, soportada sobre patas cilndricas delgadas, sin travesaos (figura). Las patas deben ser slidas (para hacerlas delgadas) y tan ligeras como sea posible (Para que la mesa se pueda mover fcilmente). Estas deben de soportar el peso de la parte superior de la mesa y de cualquier cosa que se coloque sobre de sta, sin que se lleguen a pandear. Qu materiales se le podran recomendar?
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Problemas de diseo
MATERIAL PARA LAS HORQUILLAS DE UNA BICICLETA DE CARRERAS.
La primera consideracin en el diseo de una bicicleta es la resistencia. La rigidez es importante, desde luego, pero el criterio inicial es que el marco y las horquillas no se deben de doblar o fracturar con el uso normal. La carga en el marco no es obvia; en la prctica es una combinacin de cargas axiales y torsin. En las horquillas es ms simple: la fuerza predominante es la torsin. Si la bicicleta es para carreras, entonces el peso se debe de considerar: las horquillas deben de ser lo ms ligera posibles.
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10. ANLISIS DE FALLAS
Frecuentemente ocurren fallas, an con el conocimiento del comportamiento de los materiales.
Fallas
Atribuibles al fabricante
Diseo inadecuado
Mala seleccin de materiales
Mal procesamiento
Atribuibles al usuario
Uso inadecuado
Mal mantenimiento
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10. ANLISIS DE FALLAS
El ingeniero debe anticiparse a las fallas
cuando sea posible.
Cuando stas ocurran, se deben eliminar las
causas para evitarse en el futuro.
En cualquier anlisis es importante obtener
el mximo nmero de datos relevantes de la
pieza que ha fallado y examinar las
condiciones en el momento en el que se ha
producido la falla.
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10. ANLISIS DE FALLAS
Algunas de las preguntas que deben plantearse son:
Cunto tiempo ha estado la pieza en funcionamiento?
Cul era la naturaleza de los esfuerzos aplicados a la pieza cuando ase produjo el falla?
Estuvo sometida a sobrecarga?
Se instal adecuadamente?
Estuvo sometida a servicio excesivo?
Hubo cambios medioambientales?
Tuvo mantenimiento adecuado?
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10. ANLISIS DE FALLAS
Despus de estudiar la superficie de fractura deben contestarse las siguientes preguntas:
La fractura es dctil, frgil o una
combinacin de ambas?
Empez la falla en la superficie o debajo de ella?
Empez en un punto o en varios?
Empez la fisura recientemente o haba estado creciendo por un tiempo largo?
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PRUEBAS DE LABORATORIO Y
DE CAMPO
Para investigar una falla deben cubrirse 4 reas:
OBSERVACIONES INICIALES
Estudio visual detallado del componente que ha fallado (tan pronto como sea posible) y registro de los detalles (fotografas) para su revisin posterior y hacer la interpretacin de las marcas de deformacin, apariencia de la fractura, contaminantes, etc.
DATOS INFORMATIVOS
Especificaciones, dibujos, diseo de los componentes, fabricacin, reparaciones, mantenimiento y utilizacin en servicio.
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PRUEBAS DE LABORATORIO Y
DE CAMPO
ESTUDIOS DE LABORATORIO Composicin qumica del material (entro de la
norma)
Constatar dimensiones y propiedades del componente
Ensayos suplementarios
Dureza
Microestructura (tratamiento trmico, inclusiones, descarburacin, etc.)
Ensayos no destructivos (para detectar defectos en el proceso, fisuras, etc).
Productos de corrosin
Examen de la superficie de fractura con un estereoscopio.
MEB, etc.
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PRUEBAS DE LABORATORIO Y
DE CAMPO
SNTESIS DE LA FALLA
Estudio de todos los hechos y evidencias
y respuestas a las preguntas tpicas dadas
previamente. Esto, combinado con el
anlisis terico debe indicar la solucin
del problema de la falla.
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PRUEBAS DE LABORATORIO Y
DE CAMPO
UN POCO DE ESTADSTICA
Estudios extensivos realizados en los Estados Unidos
sobre engranajes cementados, mquinas
herramientas, mquinas de minera, motores diesel,
etc. muestran la siguiente estadstica:
38% de las fallas se originaron por problemas de
superficie (agujeros, descascaramiento, rayado, etc.)
24% de las fallas fueron originados por fatiga por flexin.
15% se dieron por impacto
23% por otras causas.
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PRUEBAS DE LABORATORIO Y
DE CAMPO
UN POCO DE ESTADSTICA
50% de las fallas se atribuyen a
defectos de diseo y el resto por
problemas de produccin y servicio.
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MECANISMOS DE FRACTURA
Dctil
Frgil
Por fatiga
Por termofluencia (creep)
Corrosin por esfuerzo
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FRACTURA DCTIL
Normalmente transgranular con elevada deformacin
plstica.
Normalmente se debe a sobrecargas simples o
esfuerzo excesivo.
Se presenta por nucleacin
y coalescencia de
microhuecos.
En partes gruesas se
presenta estriccin.
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FRACTURA DCTIL
Se presenta un labio de corte que indica deslizamiento, presentando una fractura de tipo copa y cono.
La observacin macroscpica suele ser suficiente para identificarla.
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FRACTURA DCTIL
En una imagen MEB se observa una
superficie rugosa (huellas de microhuecos).
En el labio de corte estos microhuecos son
alargados.
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FRACTURA FRGIL
Ocurre en metales de alta resistencia y baja ductilidad y tenacidad a bajas temperaturas, por impactos y sobre todo con presencia de muescas.
Se observa poca o ninguna deformacin plstica. El inicio de la fractura se da en puntos concentradores de esfuerzos.
Normalmente la grieta se propaga a lo largo de ciertos planos.
Puede ser intergranular o transgranular
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FRACTURA FRGIL
Una caracterstica de la fractura frgil es el patrn galoneado que son frentes de grieta separados que se propagan a diferentes niveles en el material en
forma de marcas radiales visibles a simple vista.
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FRACTURA POR FATIGA
Un material falla por fatiga cuando se aplica un esfuerzo alterno mayor que el Lmite de Fatiga.
Las etapas de la fractura son:
Nucleacin de la grieta
Propagacin cclica lenta de la grieta
Falla catastrfica del metal
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NUCLEACIN DE LA GRIETA
Se da en sitios de mayor esfuerzo o de
menor resistencia local (en la superficie
o cerca de ella) o en rayaduras,
picaduras, esquinas agudas debido a
un diseo deficiente, inclusiones, lmites
de grano, etc.
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PROPAGACIN CCLICA Y
FALLA FINAL
La grieta crece hacia regiones de menor resistencia. Debido a la concentracin de esfuerzos en la punta de la grieta, se propaga un poco ms durante cada ciclo hasta que se sobrepasa la resistencia de la seccin remanente y la grieta crece espontneamente de manera frgil.
La superficie de fractura cerca del origen es tersa y puede volverse fibrosa durante la fase final de propagacin.
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PROPAGACIN CCLICA
Presenta generalmente marcas de
playa y estras, aunque la ausencia de
stas no descarta este tipo de fractura.
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TERMOFLUENCIA
A elevadas temperaturas un metal experimenta deformacin plstica inducida an cuando el esfuerzo sea inferior al de fluencia normal.
Estas fallas se caracterizan por la deformacin excesiva del material.
Ocurren normalmente por formacin de huecos, normalmente en la interseccin de tres lmites de grano y por precipitacin de huecos adicionales a lo largo de los lmites de grano por difusin.
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FRACTURA POR ESFUERZO Y
CORROSIN
Ocurre a valores muy inferiores al lmite de fluencia del material, debido al deterioro por un medio corrosivo.
Esfuerzos Externos
Internos o acumulados
Se identifican por examen MEB y EDX del metal contiguo ramificaciones de grietas en los lmites de grano.
En el inicio de las grietas pueden identificarse productos de corrosin.
