Un estado vibratorio en el cual el espectro de las amplitudes de vibración tenga niveles pico inferiores a los de diseño db(t)<di( t _ ) (figura 2.2 (b)) generalmente origina malfuncionamientos en el equipo; por ejemplo, en bandas transportadoras vibrantes para minería, un bajo nivel de vibración puede hacer que no se transporte de manera eficiente el material particulado. Bajos niveles de vibración se pueden deber a: (1) una carga o una deflexión forzada de bajo nivel, (2) una elevada acción amortiguante en el sistema, (3) una frecuencia de excitación forzada muy alta o muy baja respecto a la frecuencia natural de vibración, (4) una elevada rigidez del sistema o (5) variación en la masa del sistema.
Un estado vibratorio en el cual el espectro de las amplitudes de vibración tenga niveles pico superiores a los de diseño da(t) > di(t) (figura 2.2 (b)), es un estado potencial de generación de fallas catastróficas, ya que las elevadas aceleraciones y deflexiones desembocan en altos niveles de esfuerzo. Este elevado estado tensional facilita los agrietamientos progresivos en los cuales la fatiga participa, también puede posibilitar la ocurrencia de fracturas súbitas, fatigas de bajo ciclaje (agrietamiento asociado con la deformación plástica cíclica), el ludimiento, la vibrocorrosión, entre muchos otros modos de falla. Altos niveles de vibración se pueden deber a: (1) una carga o una deflexión forzada de alto nivel; (2) una baja acción amortiguante en el sistema; (3) una frecuencia de excitación muy cercana a la frecuencia natural de vibración, es decir, en la condición de resonancia; (4) una baja rigidez del sistema; o (5) variación en la masa del sistema.
Frecuencia fuera de rango ocurre cuando los valores de la frecuencia de vibración de la pieza, equipo o estructura están por fuera del rango esperado por el diseñador, se pueden experimentar eventos de falla, bien sea por elevados valores de las frecuencias o por ser muy bajos (figura 2.2 (c)). Frecuencias de vibración inferiores a las esperadas desde diseño (fb < fi), en general, desembocan en malfuncionamientos de los equipos, como puede ser el caso de un motor de combustión a pistones que opere a una velocidad de rotación inferior a la de mínima o “ralentí”, lo cual amplifica las amplitudes de vibración. Frecuencias de vibración superiores a las de diseño (fa > fi) pueden generar fallas catastróficas, ya que están asociadas con altos valores de aceleración y, por lo tanto, de esfuerzos generados, lo cual puede desembocar en fallas por fractura o desgaste prematuras. Altas frecuencias también pueden provocar malfuncionamientos, como, por ejemplo, ruidos de alta frecuencia que afecten a los operarios. Frecuencias de vibración fuera de rangos están asociadas, principalmente, con frecuencias inapropiadas de excitación de las fuentes de vibración, por ejemplo, de las velocidades de rotación de los motores.
Cuando se tenga un estado vibratorio en el cual las amplitudes, velocidades, aceleraciones y las frecuencias de vibración experimenten constantes cambios, se habla de que se tiene un estado no estacionario de vibración (figura 2.2 (d)). Estos estados pueden originar mal funcionamientos o fallas catastróficas. La ocurrencia de fallas catastróficas está asociada con que se pueden presentar picos importantes de esfuerzo en el estado no estacionario, lo cual puede desembocar, por ejemplo, en agrietamientos o desgastes prematuros. Los estados no estacionarios se presentan especialmente porque la fuente excitadora de la vibración también presenta un estado no estacionario, lo cual hace que los estados transitorios de vibración, que son los derivados de la vibración amortiguada no forzada, no desaparezcan con el tiempo.
Cuando los niveles de vibración y sus esfuerzos asociados son muy altos, es posible que la vibración se dé en rango plástico, lo cual desembocará en una falla catastrófica por distorsión permanente del elemento, y/o fractura (súbita o progresiva), y/o desgaste prematuro, entre otras consecuencias. Las fracturas asociadas con la vibración en rango plástico, corresponden especialmente a las fatigas de bajo ciclaje. Si el lector no está familiarizado con la teoría básica de las vibraciones mecánicas, se recomienda consultar la lectura [3].
2.2.3 Deformación plástica
En este modo de falla las piezas afectadas en servicio experimentan una distorsión de su geometría o deformación plástica permanente, consecuencia de sobrepasarse el esfuerzo límite elástico del material (σE) sin llegar a fractura, es decir, sin superar el esfuerzo último (σU) (figura 2.2 (e), figura 2.5). Este modo de falla, por lo tanto, es súbito y debido a una sobrecarga (para el material, geometría y apoyos involucrados), ya que con una sola vez que se sobrepase el esfuerzo límite elástico, la distorsión permanente aparecerá.
Figura 2.5 Comportamiento del esfuerzo versus el tiempo en las fallas por deformación plástica
Fuente: elaboración propia.
2.2.3.1 Mecanismos de la deformación plástica
La deformación plástica de los materiales se puede dar mediante los mecanismos básicos del deslizamiento, el maclaje, el cambio de ángulos de enlace de moléculas, o por combinación de estos. La deformación plástica puede ser generalizada en la pieza o estar localizada en ciertas zonas. En los siguientes numerales se describen los mecanismos básicos de la deformación plástica.
2.2.3.1.1. DESLIZAMIENTO
El deslizamiento se presenta cuando átomos o moléculas dentro de un material se desplazan unas sobre otras de manera permanente, bajo la acción de un esfuerzo cortante o cizallante (τ), sin que desaparezcan las fuerzas de enlace entre estas.
En materiales metálicos y cerámicos iónicos este deslizamiento se presenta cuando hay movimiento relativo de planos atómicos dentro de un cristal, en el cual estos se desplazan unos sobre otros bajo la acción de esfuerzos cortantes. Como resultado de los diferentes estudios realizados, se ha encontrado que el deslizamiento tiene lugar preferentemente entre los planos de mayor densidad atómica y siempre en la dirección más compacta, ya que estas dos situaciones ofrecen la menor resistencia al movimiento. De acuerdo con lo anterior, se denomina sistema de deslizamiento al conjunto formado por un plano de deslizamiento y una dirección de deslizamiento dentro de un cristal. En la figura 2.6 se muestra el interior de un grano con una estructura cúbica simple, donde se esquematizan dos orientaciones en las que se podría producir el deslizamiento. Observando este gráfico se puede deducir que el deslizamiento se dará más fácilmente entre los planos horizontales que entre los diagonales, ya que existe una mayor densidad lineal (átomos por unidad de longitud ρL), la cual a su vez implica una mayor distancia interplanar.
Figura 2.6 Orientación del deslizamiento en una estructura cúbica simple
Nota. Obsérvese que la distancia interplanar a es mayor que la b.
Fuente: elaboración propia.
En la tabla 2.1 se muestran los planos de mayor densidad atómica y direcciones cristalográficas más compactas para las estructuras cristalinas ideales cúbica centrada en el cuerpo (CC), cúbica centrada en las caras (CCC) y hexagonal compacta (HC). La estructura cúbica centrada en el cuerpo no presenta grandes variaciones de densidad entre los planos de mayor y menor valor de esta, lo que hace que el deslizamiento pueda ocurrir en los planos {110}, {112} o {123}, pero siempre en la dirección ⟨111⟩. La estructura CCC es más compacta que la CC, y muestra importantes diferencias entre las densidades de los diferentes planos, lo que