Análisis de Falla (I)

Desgaste

Desgaste

• El desgaste es la perdida progresiva del material de la superficie debido al movimiento relativo y del contacto de las superficies.

• Los distintos equipos tienen muchos componentes que se desgastan al hacer su trabajo, por lo que es necesario reemplazarlos periodicamente.

• Herramientas de corte es un buen ejemplo de ello.• Las piezas al interior de los componentes se desgastan más

lentamente pues están “protegidas”• Cuando las condiciones de trabajo o del medio son anormales, las

tasas de desgaste aumentan.• Al conocer la condición anormal se podrá anticipar a la falla.• Al no ser así, se requiere observar y descubrir la condición que ha

acelerado la falla.

Siete Tipos normales de Desgaste

• Existe 7 tipos de desgaste que explican las fallas de desgaste:-Abrasión-Adhesión-Erosión-Erosión por Cavitación-Corrosión-Corrosión por frotamiento-Fatiga de material por tensión de contacto

1-.Desgaste Abrasivo• El desgaste abrasivo, se debe imaginar como la acción de corte

entre dos cuerpos.• Las superficies dañadas como resultado, son cortadas, acanaladas

o ranuradas• En el desgaste abrasivo entre dos cuerpos, dos superficies se

deslizan una contra la otra.• En el de tres cuerpos, partículas quedan atrapadas entre dos

superficies que están en movimiento

Abrasión entre dos cuerpos

Ejemplo: desgaste abrasivo entre dos cuerpos por mal alineamiento

Abrasión entre tres cuerpos

Ejemplo de desgaste abrasivo entre tres cuerpos por entrada de arena a en un cojinete de rodillo

Particulas Abrasivas

• Son de cualquier tipo o tamaño• Son tan o más duras que las superficies que se desgasta• Ejemplo:Partículas de pintura, polvo, arena, suciedad, y virutas de metal

Caracteristicas de la superficie

• Existen tres:-Superficies Pulidas-Superficies Satinadas (más suaves)-Superficies con cortes y ranuras

Que son causadas por distintos tipos de particulas

Superficie Pulida

Ejemplo: la superficie parece espejo

Superficie Satinada

• Particulas abrasivas un poco más grandes (arena fina)

• Producen cortes y arañazos más grandes y dejan un acabado superficial satinado o un aspecto mate.

Pieza con daño causado por particulas abrasivas duras

Superficie con Cortes y Ranuras

• Partículas abrasivas duras y grandes (arena o residuos de maquinado) pueden producir arañazos y ranuras profundas

Ejemplo cojinete de biela (superficie suave) con partículas incrustadas en la superficie

Otros ejemplos• Melladuras o abolladuras

Particulas que se incrustaron y que faltan o bien la superficie es dura (no hay incrustación), existe abolladura

• Secuencia Temporal

La incrustación ha ocurrido encima de los arañazos.

Por lo tanto los arañazos ocurrieron primero.

Factores del Desgaste• Montaje incorrecto

• Pieza Doblada

• Mala alineación

• Distorsión (deformación)

• Origen de las particulas: aceiteLubricación del cojinete por el centro (cortes abrasivos por el centro)

Factores del Desgaste

2-.Desgaste Adhesivo• El desgaste Adhesivo comienza cuando asperezas o puntos elevados

muy pequeños en superficies móviles hacen contacto entre ellos, generando calor de fricción hasta que uno de los ptos. Elevados se adhiere al otro y se separa de la superficie original.

• Por ser puntos pequeños, este proceso se llama soldadura microscópica.

• Si se continua la operacióndel componente, el contactode la superficie aumenta y áreas más amplias pueden fundirse y adherirse.

• Las temperaturas de adhesiónse pueden alcanzar rápidamente con cargas elevadas.

Desgaste AdhesivoSoldadura Microscópica y

Macroscópica• Las superficies entran en contacto físico. Ptos elevados y pequeños

hacen contacto, generan calor y se sueldan microscópicamente. • Al faltar lubricante se acumula el calor produciendose un fundido y

adhesión generalizado

Características de la Superficie

• Entre las caracteristicas superficiales se encuentra:

-Pulido

-Decoloración y Adhesión

-Deformación Plástica

-Colores de Revenido

-Fractura

Pulido

• En la fase inicial se observa pulido de la superficie y aumento de la reflectividad de la luz

• Las superficies se hacen más lisas (suele ser normal al acentarse la piezas nuevas)

Decoloración y Adhesión

• Fase intermedia, se observa: Raspaduras, rayaduras, decoloración y adhesión

• Secciones grandes de la superficie pueden alcanzar la temperatura de fusión, adherirse y separarse de la superficie original.

Deformación Plástica

• En la fase más avanzada, debido a la alta temperatura, existe deformación plástica

• Los dientes de este engranaje alcanzaros temperaturas elevadas, hablandandose, perdiendo resistencia y deformandose.

• Existe tambien un color negro de revenido que es caracteristico.

Colores de Revenido

• Los colores de revenido son causados por óxidos metálicos que producen una gama de colores desde amarillo dorado hasta azul claro; azul oscuro, gris y negro

Fracturas• Las fracturas son el resultado del desgaste adhesivo, debido a la

debilitación de la pieza por la alta temperatura.• El faldón de este piston se calentó tanto que se fundió y adhirió a

la camisa del cilindro • Las altas temperaturas redujeron la resistencia del faldón y se

produjo una fractura.

Ubicación del Desgaste Adhesivo

Ubicación del Desgaste Adhesivo• La ubicación puede darle información del por qué ha ocurrido

este tipo de desgaste.

• El desgaste adhesivo ocurre en las zonas de mayor contacto friccional

• Zonas de encaje muy ajustado, contacto mal alineado, cargas altas, lubricación marginal o altas temperaturas.

• En estas zonas las piezas se expanden cuando sube la temperatura, se reducen los espacios libres y zonas más amplias de la pieza sufren desgaste adhesivo

Cojinete de bancada de cigüeñal, pulido en el centro por capa de aceite fina

Faldon del pistón adherido a la camisa, desprendimiento de trozos

Condiciones que hacen posible el desgaste Adhesivo

• Las condiciones que hacen posible el desgaste adhesivo son:

-Problemas de la pieza

-Problemas del montaje

-Problemas de lubricación

-Velocidad excesiva

-Cargas excesivas

Problemas de Pieza y Montaje

• Entre los problemas de la pieza y del montaje se encuentran:

Encaje interferencia, Superficies Rugosas, Maquinado inapropiado

Probleas de Lubricación• Tales como:

-Bajo nivel de Lubricante-Lubricante inadecuado-Lubicante degradado-Lubricante demasiado caliente o demasiado frio-Conductos de lubricación mal perforados o atorados

Velocidad Excesiva

Carga Excesiva

Enumeración de condiciones que Pueden Causar el desgaste

• Despues de observar las carateristicas de la superficie, el tipo de desgaste y su ubicación, debe hacer una lista de las condiciones que pudieron haber causado el desgaste.

Ejemplo del camión en neutral:

-Velocidad terrestre alta y neutral

-Velocidad de engranajes conectados a la salida de la transmisión alta

-Suministro de aceite de lubricación bajo (motor en vacío)

Por lo tanto la identificación de las causas es:

Velocidad excesiva, cargas excesivas, lubricante insuficiente.

3-.Desgaste por Erosión• El desgaste por erosión ocurre cuando particulas en movimiento

en un fluido chocan con las superficies que las rodean

• El desgaste por erosión puede explicarse como una acción de impacto

• Las particulas son arrastradas por el fluido. Al cambiar la dirección en que se mueve el fluido, las particulas golpean contra esquinas y restricciones, causando daño en la superficie.

Erosión• Las particulas pequeñas y duras que se mueven con rapidez, golpean

las superficies circundantes a alta velocidad causando daño abrasivo.• La superficie así desgastada tiene frecuentemente un aspecto

granallado o mate.• Los filtros y la frecuencia de cambio de estos, debe controlar el

desgaste por erosión dentro de ciertos límites

Características de las superficies

• Las superficies erosionadas pueden tener una apariencia lisa, rugosa, afilada o áspera

• Esto depende del tamaño, dureza, y momento de las partículas erosivas 1-.Lisa2-.Rugosa3-.Afilada4-.Aspera

Superficie Lisa• Particulas erosivas pequeñas generalmente producen una

aparciencia de superficie lisa

Rugosa

• Particulas más grandes pueden producir superficies rugosas

• Si las particulas son más grandes y tienen más energía de impacto, la superficie será más rugosa.

Bordes Afilados

• Particulas finas como el polvo, pueden afilar los boredes de piezas giratorias.

• Esta rueda de compresor tiene bordes muy afilados causados por desgaste por erosión

Aspera• Partículas de gran tamaño pueden impactar con severidad y

causar caracteristicas de superficie áspera.

• El extremo de los álabes de la rueda de este turbocompresor ha sido dañado debido al choque a alta velocidad de particulas de gran tamaño.

Ubicación del Desgaste

• La erosión ocure cuando las partículas son obligadas a cambiar de dirección como por ejemplo en giros o restricciones

• Donde la velocidad de impacto sea mayor, la erosión será más importante.

Bordes de Ataque• La helice del motor de pesca tiene desgaste erosivo en el borde de

ataque donde chocó con el fondo del río

• Los bordes de ataque están dañados porque las particulas están obligadas a cambiar de dirección repentinamente en esa posición.

• La erosión del patín de la bba. hdca. Está situada en el resalto exterior de retención donde las particulas son detenidas repentinamente en su movimiento hacia afuera

Giros y Restricciones

• El desgaste por erosión ocurre cuando se obliga a las partículas a cambiar de dirección.

• Donde la velocidad de impacto sea mayor, la erosión será más importante.

Ejemplo- Anillo de Retención de Pistón

Condiciones que hacen posible este Desgaste

• Las condiciones que hacen posible el desgaste por erosión son: La presencia de particulas erosivasLas propiedades de estas particulas Las propiedades de las superficies adyacentes Las propiedades del fluidoLa velocidad del impactoLa temperatura

Factores Variables

Particulas pesadas

Particulas a alta velocidad

Fluidos calientes (velocidad de flujo mayor)

Superficies adyacentes frías (probabilidad de desprendimiento)

Particulas en el sistema por filtro roto

Reparación sucia

Como identificar las Partículas

Inspeccione el papel del filtro para ver si hay partículas

¿Qué hacer a continuación?

¿Qué hacer a continuación?

• Para descubrir la causa de la erosión:• Investigue las condiciones más probables• Ordene las condiciones de más a menos probable• Reuna información acerca de las condiciónes hasta encontrar la causa

de la erosión.

Ejemplo:Si se debe investigas un filtro de máquina en una de las condiciones¿Se usó el filtro correcto?¿Funcionó correctamente?¿La erosión es debida a la severidad de la aplicación?¿Hay presiones altas o restriciones?¿Está el sistema contaminado con partículas erosivas?¿Se necesita ayuda del laboratorio metalúrgico para identificar piezas?

Estas son algunas de las areas en las que se puede obtener información.

4-.Desgaste Por Eroción por Cavitación

• Es una acción de impacto de fluido que golpea las superficies y no por partículas.

• Se produce por el colapso de las burbujas de vapor contenidas en el fluido cerca de una superficie que causa chorros de fluido a alta velocidad que golpean la superficie.

• Esto sucede en zonas en que la presión aumenta repentinamente• Si el aumento de presión es gradual, las burbujas se hacen más

pequeñas pero no colapsan.• Si el cambio de presión es repentino (violento) las burbujas se

colapsan hacia adentro (implosión) enviando chorros de fluido a alta velocidad contra la superficie que pueden terminar por desprender parte de esa superficie (grietas superficiales), esto se puede deber a fragilidad o fatiga de la superficie.

Desgaste Por Eroción por Cavitación-Resumen

Erosión por Cavitación

• Es similar a la acción de impacto en contra de una superficie, pero el que choca es el fluido

Picaduras

Ejemplo de picadura en camisa

Aditivo de Refrigerante

Características de la Superficie

• Al igual que en otros tipos de desgaste, la erosión por cavitación produce sus propias características superficiales específicas:1-.Grietas superficiales2-.Picaduras3-.Agujeros mellados4-.Túneles abovedados

Grietas

Picaduras

Agujeros Mellados

Túneles Abovedados

Ubicación del desgaste

• Se puede obtener información observando la ubicación del desgaste por erosión por cavitación

Cojinete de Cigúeñal

Cojinete de Biela

Camisas de Cilindro

Zona del termostato

Causas de erosión por Cavitación

• La erosión por cavitación ocurre donde hay burbujas presente y la presión aumenta repentinamente

• Las burbujas son introducidas por aireación o por cavitación.

• Los aumentos de presión son causados por restricciones, cambios en dirección de flujo, cambios en velocidad de flujo o en carga.

Condiciones que Hacen Posible el Desgaste

• La erosión por cavitación requiere el colapso de burbujas de vapor sobre las superficies

• 4 son las condiciones que hacen posible el desgaste:

-Aireación (estrada de burbujas al fluido)

-Cavitación (formación de burbujas en el fluido)

-Implosión (colapso de las burbujas sobre las superficies)

-Las superficies no deben ser tan fuertes (No deben soportar la erosión por cavitación)

Aireación

Condiciones por las que se causa:

Fugas de aire (tuberías de succión)

Bajo nivel de fluido

Operación en pendiente escarpada

Rociado de aceite a presión

Niveles altos de fluido con componentes sumergiendose en el fluido

Cavitación

Condiciones de causa:

Altas temperaturas

Caidas repentinas de presión

Restricciones en la entrada de la bba.

Fluidos incorrectos

Cambios repentinos de carga

Cambios repentinos de velocidad de flujo

Implosión

Colapso de burbujas

Baja Resistencia Superficial

Si es por causas metalúrgicas, las fuerzas de erosión por cavitación pueden producir grietas, picaduras y astillamiento

¿Qué hacer a continuación?

• Las causas de la erosión por cavitación suele encontrarse en las areas de mantención, operación y aplicación

• La causa básica puede ser un problema con una pieza, pero debe asegurarse que todo es normal en las areas de mantenimiento, en la operación y aplicación antes de buscar posibles problemas en las piezas

Niveles de Fluido

5-.Corrosión

Como se mueve el material de la superficie

• Técnicamente la corrosión es una acción química y no una acción de desgaste, pero sí produce el deterioro de las superficies de desgaste

Existe tres tipos de corrosión que se deben considerar

-General

-Galvánica

-Alta temperatura

Corrosión General

Corrosión Glavánica

• La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales diferentes están conectados por un electrolito.

• El metal más activo se convierte en el ánodo y el menos activo en el cátodo

Alta Temperatura

Características de la superficie• Los metales corroidos suelen tener superficies picadas, capas de

corrosión superficial escamosas o ambos tipos.

• Las capas de corrosión superficial pueden formar endiduras y causar que el ritmo de corrosión se acelere debajo de las escamas.

El color identifica el Tipo de Metal• Las capas de corrosión superficial suelen ser óxidos

metalicos y pueden tener distintos colores:La superficie de hierro o acero suelen desarrollar una capa de color marrón rojizo.Las capas de corrosión de cobre y bronce son de un color verde azulado.Las capas de aluminio suelen ser de un color gris claro blancusco.

Corrosion del Aluminio

Ubicación del desgaste

• La corrosión general ocurre donde el electrolito conecta el ánodo con el cátodo

• La corrosión galvánica ocurre donde dos metales diferentes hacen contacto en un electrolito.

• La óxidación ocurre en zonas de temperatura elevada

Corrosión General

• Corrosión general: el electrolito conecta el ánodo y el cátodo

• En esta biela, la corrosión ha ocurrido donde hubo gotas de agua sobre la superficie. El agua actuó como electrolito y varios componentes metálicos actuaron como cátodos y ánodos

Corrosión galvánica• Esta ocurre cuando dos metales diferentes hacen contacto en un

electrolito

En este ejemplo un tubo de cobre ha sido sujetado por una placa espaciadora en un nucleo de un enfriador.Ha habido corrosión solamente donde el tubo de cobre estaba en contacto con la palca

Oxidación a alta temperatura

• La oxidación a alta temperatura ocurre en zonas de temperatura elevada.

• Estas piezas de turbo compresor se dañaron debido a la temperatura alta del escape

• El blindaje térmico estuvo expuesto directamente al escape caliente y se ha oxidado por completo

Condiciones que hacen posible el desgaste• Como ya se indicó, tienen que estar presentes tres elemtos

para que halla corrosión: Un ánodo y un cátodo conectados por un electrolito.

• Esto quiere decir que los metales se pueden corroer incluso cuando están sumergidos en fluidos tales como refrigerantes o aceites lubricantes.

Desgaste Corrosivo

• Un medio humedo y caliente alrededor de metales activos, aumentará la velocidad a la que puede ocurrir la corrosión .

• Si los electrolitos son ácidos, son mejores conductores y aumentaran el ritmo de la corrosión.

• Los aditivos en los lubricantes y refrigerantes están diseñados para neutralizar las condiciones ácidas

Depositos en las camasisas

Tabla de la serie Galvánica

• La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales están conectados por un electrolito.

• La serie galvánica muestra los metales en orden de actividad.

• Los metales más activos actuan como ánodos y se corroen.

Muchas veces el zinc se utiliza como ánodo sacrificial.

Se le conecta a otros metales para protegerlos contra corrosión .

Efectos de Alta Temperatura

• La capa de oxido de este turbocompresor, nos cuenta una história de temperaturas excesivamente altas que han aumentado la actividad atómica del metal superficial y han permitido que el oxígeno penetrara a más profundidad

• Se deberá encontrar la causa de las altas temperaturas

f

¿qué hacer ahora?

6-.Corrosión por Frotación

¿qué es la corrosión por frotación?

• Es parecido a una soldadura por fricción

• Ocurre cuando componentes que encajan muy apretados tienen que moverse a alta frecuencia y baja amplitud

Tapa de biela

Corrosión por frotación frente a desgaste adhesivo

Frotación frente a Pulido

• Al considerar frotación recuerde:

Encaje ajustado, movimiento forzado y soldaduras microscópicas.

Por otro lado, piezas que encajan con suficiente espacio, pueden chocar y rozarse produciendo superficies pulidas, pero eso no es una forma de corrosión por frotación

Características Superficiales • Las superficies dañadas por corrosión por frotación pueden tener

picaduras y acumulaciones de oxido de forma irregular.• Este daño superficial puede ocurrir tanto en ambientes corrosivos

como no corrosivos.

Ambiente Corrosivo

Ambiente no corrosivo

Ejemplos de corrosión por Frotación• Otros ejemplos son: Eje y placa de flexión de la bba.

hdca.

Ubicación del Desgaste

Condiciones que Hacen Posible la Corrosión

• Condiciones que hacen posible la corrosión por frotamiento:

-Par de apriete bajo de los pernos

-Aplicación de altas cargas

-Basura entre componentes

-Acabado superficial rugoso

-Fuerza de sujeción diseñada baja

-Tornillería averiada

¿Cómo ocurre?• Las condiciones que hacen posible que la corrosión por frotamiento

son aquellas que hacen que las uniones sean apretadas, pero no lo suficiente como para que lleven cargas aplicadas.

• La corrosión por frotamiento puede ocurrir debido a pernos que no estén bien apretados o por excesiva carga a una unión.

• Presencia de basura entre los componentes y acabo superficial rugoso• La fuerza de sujeción con que se diseño la pieza, no era la suficiente

para soportar las cargas normales o que una pieza de tornillería o más de una haya fallado sobrecargando las piezas restantes

¿Qué hacer a continuación?

• Seleccionar la causa más probable e investigarla

-Cómo se cargaron los componentes?

-Acabado superficial

-Tornillería que sujeta las piezas

-Evidencia de otras piezas que hayan fallado

¿Cúando Ocurre Corrosión por frotación?

• Ocurre cuando dos piezas metálicas se frotan a una frecuencia suficientemente alta y a baja amplitud como para producir calor.

Este calor hace que las asperezas superficiales suelden microscópicamente.

7-.Desgaste por Fatiga por Tensión de Contacto

Contacto por deslizamiento

Contacto por Rodadura

Desconchado o astillamiento: Separación de trozos grandes de material del componente

Triturado de la caja: Comienzo de las grietas cerca de la interfaz (interface) del núcleo de la caja

Cargas Ciclicas

• Superficies metálicas deslizándose una contra otra pueden causar grietas en el metal, que pueden convertirse en picaduras

• Superficies matalicas rodando una contra la otra, pueden hacer que el metal flexione y luego se agrite, causando finalmente desconchado o astillamiento.

• El desgaste por fatiga por tensión de contacto es causado por la aplicación de cargas cíclicas

Características superficiales• La fatiga por tensión de contacto por deslizamiento y por rodadura,

tienen cada una características superficiales distintas.

Deslizamiento

Ondulaciones y Picaduras

Ondulamiento: Flujo plástico o permanente de la superficie.

Rodadura

Triturado de la Caja• Con el continuo uso, trozos grandes de la superficie se astillaron,

exponiendo la superficie rugorsa y fracturado que hay debajo.

• Esto se denomina triturado y ocurre tambien si los nucleos son muy blandos o las cajas muy delgadas

Astillamiento y Triturado de la Caja• La fatiga por tensión por contacto de rodadura , puede causar

astillamiento y triturado de la caja • El astillamiento es causado por grietas que comienzan debajo de la

superficie de la pieza y crecen hacia fuera. Cuando las grietas llegan a la superficie, se desprenden trozos de la superficie y exponen las zonas agrietadas que hay debajo.

• El triturado de la caja es un agrietamiento que ocurre cerca de la interfáz entre el núcleo y la caja

Ubicación del Desgaste • El desgaste por fatiga por tensión de contacto, se encontrá en zonas

de cargas cíclicas máximas.• Al analizar el desgaste por fatiga por tensión de contacto tenga en

cuenta lo siguiente:Si hay mucho mucho desgaste en una zona de carga y relativamente poco en otra, puede ser una indicación de que hay un problema de alineamiento.

• Las cargas por deslizamiento son muy sensibles a la lubricación.

Mal alineamiento• Note que la ubicación del desgaste por fatiga por tensión de contacto

está en el extremo más grande o extremo del talón (1) de este diente de engranaje, donde existen las cargas de rodadura máximas

• Note que ha habido muy poca carga en el extremo de la punta. • Estos hechos indican que se debe investigar el alineamiento u otras

condiciones que puedan producir la sobrecarga en el talón

Exceso de cargas en Piezas Alineadas

• Este diente de engranaje, muestra ondulaciones en la parte superior y un comienzo de picaduras en la parte inferior.

• Este daño ocurre en zonas de cargas de deslizamiento máximas sobre el diente y está distribuido uniformemente.

• Estos hechos nos dicen que la carga estaba alineada correctamente pero era demasiado alta para la fortaleza de la superficie del diente.

• Este problema puede deberse a lubricación inadecuada o carga excesiva

Condiciones que Hacen Posible este Desgaste

• Información acerca de las condiciones superficiale, el tipo de desgaste y su ubicación son necesarios considerar para establecer las condiciones que hayan podido causar el desgaste por fatiga por tensión de contacto.

• Las causas posibles son:Carga demasiado grandeLubricación insuficienteMal alineamientoProblemas de diseño o frabicación

Carga Muy grande • Si la carga aplicada a una pieza es demasiado grande, puede

ocurrir penetración de las capas de lubricante y contacto de metal con metal

Lubricación Insuficiente

• Mala calidad o insuficiente, no habrá separación de las superficies metalicas en condiciones de carga normal.

• Si se trabaja con un bajo nivel de aceite, se pierde la capa de aceite y se aumenta la tensión por contacto entre las superficies.

Mal alineamiento

• El mal alineamiento aumenta las cargas de deslizamiento y rodadura en la zona de contacto

Problemas de diseño o frabicación

• Si los componentes no tienen la resistencia necesaria para soportar cargas normales, hay que pensar en un problema en el diseño o en el proceso de fabricación.