Tema 4 - Fallo Mecánico en Servicio - Parte 1 PDF

Tema 4 – Fallo mecánico en servicio Área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica Universitat Jaume I Curso 2023 – 2024 Fallo Mecánico de Materiales ÍNDICE 1 Fundamentos de fractura 2 Fractura...

Tema 4 – Fallo mecánico en servicio Área de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica Universitat Jaume I Curso 2023 – 2024 Fallo Mecánico de Materiales ÍNDICE 1 Fundamentos de fractura 2 Fractura dúctil / frágil 3 Concentrador de tensiones y KIC 4 Ensayos de fractura - impacto 5 Fractura por fatiga 6 Fractura por fluencia Ciencia y Tecnología de Materiales.  Fallo Mecánico de Materiales Objetivos de aprendizaje: Después de estudiar esta unidad (junto con la actividad de Problemas), deberías poder hacer lo siguiente: Definir fallo y fractura. Describir el mecanismo de propagación de grietas tanto para fractura dúctil como frágil. Explicar por qué las resistencias de los materiales frágiles son mucho menores que las predichas por los cálculos teóricos. Definir la tenacidad de fractura (definición teórica y ecuación). Conocer y describir las pruebas de impacto Charpy e Izod. Explicar la influencia de la temperatura en la fractura. Definir el fenómeno de fatiga y especificar las condiciones en la que ocurre. A partir de un gráfico de fatiga de un material, determinar la vida a fatiga (a un nivel de tensión específico) y la resistencia a la fatiga (a un número específico de ciclos). Definir el fenómeno de fluencia y especificar las condiciones en las que ocurre. Dado un diagrama de flujo para algún material, determinar: velocidad de fluencia estacionaria y tiempo a la ruptura. Ciencia y Tecnología de Materiales.  Fallo Mecánico de Materiales El fallo mecánico es el que limita en última instancia la vida útil de la mayoría de productos, bien sea por rotura de un componente interno o una sucesión de fallos que deriven en la fractura de algunos componentes. Ciencia y Tecnología de Materiales.  Fundamentos de Fractura La fractura ocurre cuando un material sometido a una carga rompe en dos o más partes, a una temperatura muy inferior a la temperatura de fusión del material. Esencialmente, se pueden diferenciar dos tipos de fractura en función de la capacidad del material para sufrir deformación plástica: Fractura Frágil: pequeña absorción de energía (poca deformación). La grieta avanza de forma rápida, incluso sin aumento de tensión (grieta inestable). Fractura Dúctil: gran absorción de energía (gran deformación plástica). La grieta avanza lentamente al aumentar la tensión (grieta estable). Ductilidad es función: – Tª – Vel. de deformación – Tensiones internas Ciencia y Tecnología de Materiales.  Tipos de Fractura A) Fractura muy dúctil Ciencia y Tecnología de Materiales.  Fractura muy dúctil Ductilidad extrema: Ocurre en aquellos materiales que rompen cuando la estricción se reduce prácticamente a un punto. Caso del Au y Pb a Tª ambiente y otros materiales a temperaturas cercanas a su Tm. %Reducción Área  100 Ciencia y Tecnología de Materiales.  Tipos de Fractura B) Fractura dúctil Ciencia y Tecnología de Materiales. Fractura Dúctil a) Formación de cuello b) Formación y crecimiento de microcavidades. c) Coalescencia y formación de la grieta) d)Crecimiento de la grieta hasta la zona externa a 45º con el eje de tracción (tmax) e) Rotura final Ciencia y Tecnología de Materiales.  Fractura Dúctil Morfología característica: copa-cono Región central: Aspecto fibroso e irregular con huecos debido a la rotura por tracción. Región perimetral: Huecos alargados debido a la rotura por cizalladura Ciencia y Tecnología de Materiales.  Tipos de Fractura C) Fractura frágil Ciencia y Tecnología de Materiales.  Fractura Frágil Ocurre sin apreciable deformación plástica Rápida propagación de las grietas Dirección de grieta perpendicular a la tensión Superficie de fractura plana Ciencia y Tecnología de Materiales.  Tipos de Fractura Frágil Frágil Intergranular: Frágil Intragranular: La fractura ocurre a lo largo de los La propagación de la grieta ocurre bordes de grano, apreciándose su por rotura de enlaces atómicos a lo naturaleza tridimensional. largo de planos cristalográficos (descohesión). (Imágenes de Callister) Ciencia y Tecnología de Materiales.  Fractura Frágil En algunas piezas se muestran marcas en “V” que apuntan a la zona de inicio de grieta. Patrón de Chevron (Imágenes de Callister) Ciencia y Tecnología de Materiales.  Comportamiento Típico de Fractura En las diferentes familias de materiales, el tipo de fractura más habitual es: Metales: mayoritariamente dúctiles. Cerámicas: notablemente frágiles. Polímeros: todos los tipos de fractura. Ciencia y Tecnología de Materiales. Fallo Mecánico de Materiales ÍNDICE 1 Fundamentos de fractura 2 Fractura dúctil / frágil 3 Concentrador de tensiones y KIC 4 Ensayos de fractura - impacto 5 Fractura por fatiga 6 Fractura por fluencia Ciencia y Tecnología de Materiales.  Mecánica de la Fractura Al analizar el fallo de componentes, se observa que los valores reales de resistencia a la fractura son del orden del 10 a 1000 veces menores que los que corresponderían por cálculos teóricos de resistencia a la tracción. ¿Por qué? Presencia de defectos microscópicos o macroscópicos: grietas, poros, aberturas… Consecuencia: Se produce fallo catastrófico en materiales para tensiones inferiores a las de diseño Ciencia y Tecnología de Materiales.  Fundamentos de Fractura Para analizar correctamente el proceso de fractura, hay que considerar que ésta se produce en dos etapas: a) Formación de una grieta (iniciación). b) Propagación de la grieta. Las grietas se forman a partir de defectos (microgrietas) en el material, a menudo microscópicos, que provocan un efecto de concentración de tensiones en sus extremos. La tensión real en el extremo de los defectos es mayor que la tensión nominal en el resto del material. Esta tensión aumenta con el tamaño del defecto y con la agudeza (geometría puntiaguda) del mismo. Ciencia y Tecnología de Materiales.  Concentrador de Tensiones t Fig. 10.8(a), Callister & Rethwisch 9e. Ciencia y Tecnología de Materiales.  Concentrador de Tensiones 12  a  Alargadas → ↑ max  max = 2   0      t  Redondeadas → ↓ max ρt = radio de curvatura σo= tensión nominal σmax= tensión en el borde del defecto a= semilongitud de la grieta Ciencia y Tecnología de Materiales.  Concentrador de Tensiones ⚫ El cociente entre la tensión máxima y la nominal se denomina Factor de Concentración de Tensiones (Kt) 12  max  a  Kt = = 2    0  t  En materiales dúctiles: la deformación plástica, que se produce cuando σmax alcanza el límite elástico, distribuye más uniformemente las tensiones en el concentrador de tensiones, y Kt,real < Kt, con lo que el efecto del concentrador de tensiones es menor. En materiales frágiles: no se produce de forma apreciable la redistribución de las tensiones al no aceptar deformabilidad, por lo que Kt,real = Kt. Ciencia y Tecnología de Materiales. Concentrador de Tensiones Esta amplificación de la tensión debe ser considerada, tanto en el diseño de piezas con defectos internos (burbujas, elementos extraños, etc.), como en geometrías que contengan agujeros, ángulos vivos, entallas, etc. Cuando el defecto es alargado y su ángulo tiende a cero, hablamos de una grieta. Ciencia y Tecnología de Materiales.  Mecánica de la Fractura: Teoría de Griffith Teoría de Griffith ⚫ La rotura ocurre cuando la resistencia cohesiva del material es superada en la punta de una grieta, lo que conduce a una propagación catastrófica de la misma. ⚫ Durante la propagación de la grieta: – Se libera la energía almacenada como deformación elástica. – Se produce un incremento de la energía superficial. Ciencia y Tecnología de Materiales. Mecánica de la Fractura: Teoría de Griffith El balance de estas dos contribuciones es: ✓ Energía de deformación elástica (liberación): – Por la deformación elástica (previa) del material. – Las grietas no están sometidas a deformación. – Favorece el crecimiento de la grieta. ✓ Energía superficial (consumo): – Debido a la creación de dos nuevas superficies. – Alto estado energético del material en su superficie. – Impide el crecimiento de la grieta. Ciencia y Tecnología de Materiales.  Mecánica de la Fractura: Teoría de Griffith A partir del balance de energía en los dos procesos mencionados, se llega a la ecuación para determinar la tensión crítica para que se produzca rotura: Ecuación de Griffith c: Tensión crítica de propagación de grieta  2  s  E  12 c =   s: Energía superficial   a  a: Semilongitud de grieta E: Módulo elástico La ecuación solo se ajusta para materiales completamente elásticos, es decir, que no presentan deformación plástica (materiales frágiles).  2  ( s +  p ) E  12 Para materiales dúctiles, hay que añadir un término c =   para la energía de deformación plástica (p).    a  Ciencia y Tecnología de Materiales.  Factor Crítico de Intensidad de Tensiones Reorganizando los términos de la ecuación de Griffith se concluye que: Donde:  K: Factor de concentración de tensiones  Y: Parámetro adimensional (geométrico)  a: Semilongitud de grieta Factor Crítico de Intensidad de Tensiones (Tenacidad a la Fractura, Kc): K c = Y   c  (  ac ) 12 Caso crítico La tenacidad a fractura (Kc) es una propiedad intrínseca de cada material. Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ejemplo de Diseño: Ala de Avión Un material tiene Kc = 26 MPa·m1/2 Considerando dos planteamientos de diseño: Diseño A Diseño B - El defecto mayor mide 9 mm - Mismo material - La tensión de fallo es 112 MPa - Defecto mayor: 4 mm Kc - Tensión de fallo = ? Usar... c = Y amax Nota: Tanto Y como Kc son iguales en ambos diseños. --Res.: 112 MPa 9 mm 4 mm ( c amax ) = ( A c amax )B Sol: : (c )B = 168 MPa Vale la pena reducir defectos  Ciencia y Tecnología de Materiales. 27  Factor Crítico de Intensidad de Tensiones Según el modo de aplicación de la carga hablaremos de KIc, KIIc, o KIIIc. El modo I es el más común. MODO I (apertura – tracción) MODO II (deslizamiento) MODO III (desgarro) Ciencia y Tecnología de Materiales.  Factor Crítico de Intensidad de Tensiones KIC se relacionan con y: Altos valores para materiales dúctiles Bajos valores para materiales frágiles Factores que influyen en KIC: Temperatura Velocidad de deformación (de/dt) Microestructura Geometría de la pieza Ciencia y Tecnología de Materiales.  Factores que Influyen en KIC – Tª Altas temperaturas favorecen la deformación plástica Bajas temperaturas facilitan la fractura Competencia entre fractura y def. plástica Ciencia y Tecnología de Materiales.  Factores que Influyen en KIC – de/dt y microestructura La velocidad de deformación dificulta la deformación dúctil (favorece la propagación súbita de la grieta) Dependencia con la microestructura: la incorporación de aleantes por disolución sólida, la dispersión de precipitados y el trabajo en frío conllevan en general una disminución de la ductilidad (aumento de dureza) por lo que disminuyen KIC. Tamaño de grano: mayor tamaño de grano, mayor KIC. Ciencia y Tecnología de Materiales.  Factores que Influyen en KIC – Geometría Ángulos vivos Menor radio, mayor concentrador de tensiones Agujeros y entallas Agujeros y entallas producen los mismos efectos Ciencia y Tecnología de Materiales.  Diseño y Mecánica de la Fractura Factores de consideración en el diseño: – tenacidad a la fractura: KIC (Selección de material) – tensión aplicada:  (Condiciones de servicio) – tamaño de los defectos: a (límite de conformado y de detección –Ensayos no destructivos - END) [suponiendo que Y sea conocido] Ciencia y Tecnología de Materiales. Valores Típicos de KIC Ciencia y Tecnología de Materiales. Fallo Mecánico de Materiales ÍNDICE 1 Fundamentos de fractura 2 Fractura dúctil / frágil 3 Concentrador de tensiones y KIC 4 Ensayos de fractura - impacto 5 Fractura por fatiga 6 Fractura por fluencia Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Fractura ⚫ Ensayo de tenacidad a la fractura (determina KIC) ⚫ Ensayo de fractura por impacto (comparativos) – Ensayo Charpy – Ensayo Izod Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Fractura Ensayo mecánico con muestras simulando tipo de acción de cargas sobre grietas (Modo I, Modo II ó Modo III) ⚫ Preparar muestras con diferentes tamaños de defecto (grieta, entalla, etc.) ⚫ Aplicar fuerzas crecientes hasta fractura súbita, según el modo de acción deseado ⚫ Determinación de carga crítica c ⚫ Cálculo KIC a partir de los valores de c Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Fractura ⚫ Normas para determinar la tenacidad a la fractura: – ASTM E-399 (frágiles) – ASTM E-561 – ASTM E-813 (dúctiles) – ASTM E-1290 Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto También denominados ensayos de resiliencia. Se emplean para ponderar la resistencia al impacto en unas condiciones que son fragilizantes para el material. Permiten estimar valores de tenacidad a la fractura por comparación. Las condiciones del ensayo son las más severas respecto a la fractura: ✓ Deformación a bajas Tª (relativamente). ✓ Alta velocidad de deformación. ✓ Estado triaxial de tensiones (presencia de entalla). Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto Consisten en romper mediante un solo golpe, con un péndulo (maza, martillo), una probeta normalmente entallada, midiéndose la energía de impacto (J/m2) a partir de la relación entre la energía absorbida en la rotura (en Julios) y la sección de rotura (en m2). Los ensayos más habituales son el Charpy e Izod. https://www.youtube.com/watch?v=tpGhqQvftAo&t=128s Ciencia y Tecnología de Materiales.  Péndulo Charpy La energía gastada o absorbida por el material, está relacionada con la diferencia entre la altura inicial (H) y final (h) del péndulo WR = P(H − h) = = mg(cos β − cos α) WR Fig. 10.12(b), Callister & Rethwisch 9e. ρ= (Adapted from H.W. Hayden, W.G. Moffatt, and J. Wulff, The Structure and S0 Properties of Materials, Vol. III, Mechanical Behavior, John Wiley and Sons, Inc. (1965) p. 13.) Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto Tipos de probetas Probeta Charpy Probeta Izod Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto Las probetas usadas suelen tener sección cuadrada y pueden presentar diferentes entallas. Ciencia y Tecnología de Materiales. Ensayos de Impacto Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto Influencia de distintos parámetros sobre el ensayo Velocidad de aplicación de la carga Radio de entalla Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto Influencia de distintos parámetros sobre el ensayo Temperatura Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto Muchos materiales experimentan una transición dúctil-frágil definida por la temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT): Energía absorbida (J/m2) Porcentaje de fractura frágil Temperatura (ºC) Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto Temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) Energía absorbida (J/m2) Porcentaje de fractura frágil Tª a la cual se produce un 50% de superficie de 50% fractura dúctil y 50% frágil DBTT Temperatura (ºC) Ciencia y Tecnología de Materiales.  Ensayos de Impacto – DBTT La temperatura de transición dúctil-frágil puede verse fuertemente influenciada por los aleantes presentes, como el contenido de C y de Mn en aceros: Influencia del contenido en C en aceros Influencia del contenido en Mn en aceros Ciencia y Tecnología de Materiales.  Estrategia de Diseño: Permanecer por Encima de DBTT! Pre-WWII: The Titanic WWII: Liberty ships Reprinted w/ permission from R.W. Hertzberg, Reprinted w/ permission from R.W. Hertzberg, "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering "Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials", (4th ed.) Fig. 7.1(a), p. 262, John Wiley and Materials", (4th ed.) Fig. 7.1(b), p. 262, John Wiley and Sons, Inc., 1996. (Orig. source: Dr. Robert D. Ballard, Sons, Inc., 1996. (Orig. source: Earl R. Parker, The Discovery of the Titanic.) "Behavior of Engineering Structures", Nat. Acad. Sci., Nat. Res. Council, John Wiley and Sons, Inc., NY, 1957.) Problem: Used a type of steel with a DBTT ~ Room temp. 50 Ciencia y Tecnología de Materiales. Palabras clave Fallo Temperatura de transición dúctil-frágil Fractura Charpy Defecto Izod Fractura frágil y dúctil Factor de concentración de tensiones Kt Radio de curvatura Tenacidad a fractura, Kc Tensión crítica - σc Tamaño crítico de grieta - ac Ciencia y Tecnología de Materiales. 51 Actividades Complementarias Video lesson – https://www.youtube.com/watch?v=tpGhqQvftAo Reading Callister 9th Ed. Chap. 10 (Failure) Ciencia y Tecnología de Materiales. 52