[13] Espejo, E. y Hernández, H. Informes técnicos de análisis de fallas, archivo de ensayos de laboratorio-Laboratorios de Metalurgia, Materiales y Procesos-IEI-Facultad de Ingeniería-Universidad Nacional de Colombia, años 2000 a 2010.
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FALLAS POR DEFORMACIÓN, FALLAS POR VIBRACIÓN Y ANÁLISIS DE DEFORMACIONES
Las fallas por deformación o distorsión son una familia de modos de falla, en los cuales un elemento mecánico se deforma elásticamente o de forma plástica bajo cargas estáticas o cíclicas, por fuera de los parámetros de diseño previstos. En esta familia de modos de falla se agrupan las fallas por deformación elástica o recuperable fuera de rango, las fallas por deformación plástica o distorsión y las fallas por vibración. Se habla de fallas por vibración cuando condiciones anormales de esta originan malfuncionamientos u otros modos de falla por deformación, fractura, desgaste o corrosión; en otros casos, los niveles anormales de vibración, las deformaciones elásticas excesivas o la deformación plástica podrán ser no la causa sino la consecuencia de la evolución de otros modos de falla. La mayoría de estos modos de falla son no catastróficos, es decir, originan malfuncionamientos en la máquina o estructura, pero no la inutilizan; sin embargo, hay situaciones donde se puede llegar a condición catastrófica, como puede ser el caso de las deformaciones plásticas y condiciones de resonancia durante la vibración.
Los modos de falla por deformación elástica fuera de parámetros, por deformación plástica a bajas temperaturas y por vibración anormal, en general, se consideran como eventos súbitos, ya que se manifestarán una vez se den las condiciones de carga adecuadas para la geometría del elemento presente. Cuando estos modos de falla no son la primera etapa dentro del mecanismo de daño, sino que son su consecuencia, tendrán una aparición retardada en el tiempo; por ejemplo, ante el agrietamiento progresivo de los elementos mecánicos, es común que aparezcan retardadas en el tiempo deflexiones elásticas excesivas o aumento de los niveles de vibración, a consecuencia de la merma de rigidez asociada. La termofluencia es un modo de falla progresivo, ya que se trata de un proceso de deformación plástica retardada en el tiempo, a consecuencia de un comportamiento viscoso del material.
Los modos de falla por deformación plástica dejan evidencia directa en las piezas afectadas, ya que estas quedan distorsionadas de forma permanente. Los modos de falla por deformación elástica fuera de parámetros o por vibración anormal tienen la particularidad de no dejar evidencias en los elementos como ocurre con la deformación plástica, la fractura, el desgaste o la corrosión; en cambio, estos modos de falla solo se detectan en operación, ya que una vez desaparece la carga o el equipo se encuentra estático, no se manifiestan excepto que hayan desencadenado la aparición de otros modos de falla (agrietamientos, ludimiento, vibrocorrosión, etcétera).
El análisis de piezas deformadas plásticamente es una disciplina de la ciencia de los materiales, en la cual se estudian los aspectos morfológicos característicos que cada modo de falla por deformación plástica deja en las piezas afectadas. El análisis de vibraciones, por su parte, estudia, entre otros aspectos, las condiciones de carga, masa y rigidez de las piezas, que favorecen la ocurrencia de una condición de vibración anormal. El análisis de rigidez estudia las relaciones entre las cargas y las deflexiones elásticas, que experimentan las piezas de acuerdo con su geometría y material. Las tres disciplinas anteriores se pueden agrupar dentro de lo que llamaremos análisis de la distorsión y deformación. A partir de este conocimiento y de la observación de piezas distorsionadas, o del monitoreo de vibraciones y deflexiones en servicio, es posible inferir el modo de falla presente. En el análisis de piezas deformadas plásticamente estas se inspeccionan visualmente a ojo desnudo, con ayuda de lupas, de un estereoscopio o de un microscopio electrónico de barrido; además se incluye la observación metalográfica, plastográfica o ceramográfica en las zonas deformadas, de forma que se puedan observar los micromecanismos de deformación presentes y su relación con la microestructura. En [1] el lector podrá encontrar ejemplos que ilustran el análisis de la distorsión y la deformación.
2.1 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS FALLAS POR DEFORMACIÓN
En las figuras 2.1 y 2.2 se muestra una clasificación genérica, de los modos de falla más comunes por deformación que se presentan en componentes mecánicos. Las fallas por deformación se pueden clasificar de acuerdo con su rango elástico o plástico, donde en cada caso las deformaciones se presentan bien sea bajo carga estática o bajo carga cíclica. Cuando se habla de vibraciones mecánicas se hace referencia especialmente, a las deformaciones cíclicas que experimenta un elemento en el rango elástico; sin embargo, también se pueden tener vibraciones en el rango plástico, desencadenando deformación plástica o agrietamientos por fatiga de bajo ciclaje, entre otras posibilidades. Se habla de deflexiones fuera de rango, cuando se presenta una elevada o baja rigidez de un elemento en el rango elástico. Un estado vibratorio fuera de rango puede implicar: a) amplitudes, velocidades o aceleraciones de vibración elevadas o bajas; b) una frecuencia de vibración alejada de las condiciones seguras de diseño, y/o c) un estado vibratorio no estacionario, donde las amplitudes o las frecuencias cambien constantemente. Se hablará de deformación permanente o plástica cuando el elemento experimente flujo plástico que cambie su geometría, bien sea bajo carga estática o cíclica. Si la deformación plástica ocurre retardada en el tiempo, como consecuencia de un comportamiento viscoso del material, se hablará de fluencia lenta o termofluencia.
Figura 2.1 Clasificación general de los modos de falla por deformación de componentes mecánicos
Fuente: elaboración propia.
2.2 MODOS DE FALLA POR DEFORMACIÓN
Los modos de falla por deformación mencionados en las figuras 2.1 y 2.2 hacen referencia a si se presentan deformaciones elásticas no permanentes en las piezas o si se tiene distorsión permanente de la geometría del elemento (deformación plástica). Dentro de un mecanismo general de falla de una pieza, se debe ser cuidadoso para identificar correctamente si los modos de falla por deformación son causa o consecuencia de otros procesos de daño (fractura, desgaste o corrosión). En los siguientes numerales se hará énfasis en casos donde los modos de falla por deformación son la causa de otros modos de daño.
2.2.1 Deflexión fuera de rango
En este modo de falla las piezas afectadas en servicio experimentan una deflexión elástica superior o inferior al rango permisible esperado desde diseño (figura 2.2a). Cuando una pieza se deforma más de lo esperado para una carga aplicada dada, se dice que falla por baja rigidez, es decir, bajo valor de la constante de rigidez (k) de la pieza, mientras que si la deformación resulta inferior al rango permisible, se presenta una falla por alta rigidez (alto valor de k). Una deformación elástica excesiva también se puede dar por una sobrecarga dentro del rango elástico, que hace que, aunque la pieza posea la rigidez adecuada, debido a la magnitud de la carga se genere un cambio de dimensiones excesivo (sin llegar al régimen plástico).
Figura 2.2 Esquemas de los modos de falla por deformación de componentes mecánicos
Nota.