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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Universidad Gran Mariscal de Ayacucho Facultad de Ingeniería Escuela de Mantenimiento Industrial Núcleo El Tigre, Edo. Anzoátegui Cátedra: Evaluación técnica de fallas

Profesor: Paula Morao Bachilleres: Carrasquel, Luis C. I.: 17.745.633 Lecuna, Hairan C. I.: 19.362.518 Ponce, Maribel C. I.: 18.981.159 Rodríguez, Dannielys C. I.: 18.680.775 Rondón, Nathaly C. I.: 17.264.550 Sección: 02

MAYO 2009

Evaluación técnica de fallas ANÁLISIS METALÚRGICO DE FALLAS U. G. M. A

INTRODUCCIÓN

En la naturaleza, se encuentran diversos compuestos los cuales están formados por elementos entre estos resaltan dos tipos, denominados metales y no metales. Todos los elementos tienen propiedades y usos diferentes, puede ser que se parezcan en algunas características pero a la final todos son distintos. También poseen estados naturales los cuales nos ayudan a diferenciar a unos de otros. En los últimos años los metales han cobrado muchísima importancia a nivel industrial y estructural gracias a sus excelentes propiedades físicas y mecánicas, que les permiten cumplir con diferentes funciones manteniendo sus propiedades y aportando cierto nivel estético. Dicho de otra manera su dureza, tenacidad, y extraordinaria manera de conducir la energía (térmica y eléctrica) les permiten soportar diferentes formas e intensidades de esfuerzos, siendo elementos muy resistentes, pero al mismo tiempo su brillo, ductilidad y maleabilidad, logran que estos elementos adquieran diferentes formas y tamaños según las necesidades de uso. Basándose en todo esto se les ha dado infinidad de aplicaciones a los metales, creando estructuras que han sido trascendentes para la humanidad, sin embargo, como todo elemento proveniente de la naturaleza siempre tienden a desgastarse. Es por esta razón que ha sido necesario estudiar el comportamiento de los metales ante los diferentes esfuerzos posibles a los que pueda estar sometido, para determinar de que manera pueden llegar a fallar en un momento determinado y así conocer la forma en que pueda ser tratada la estructura metálica para aumentar su eficiencia y mejorar su rendimiento. El objetivo de este trabajo es dar a conocer la metodología de análisis necesaria para detectar las fallas y saber como y cuando puede llegar a fallar un metal sometido a un esfuerzo determinado.

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LA METALURGIA

Es la ciencia aplicada cuyo objetivo es el estudio de las operaciones industriales tendientes a la preparación, tratamientos físicos y/o químicos, producción de metales y sus aleaciones. En términos generales, la técnica metalúrgica comprende la siguiente fase: obtención del metal a partir de un de sus minerales (mena) afino o purificación del metal. Preparación de aleaciones, así como también, tratamientos mecánicos, térmicos o termoquímicos para su mejor utilización. Se encarga del control de calidad de los procesos vinculados, así como su control contra la corrosión, desgastes, etc. Básicamente, es la ciencia y tecnología de los metales presentes en la naturaleza susceptibles de poder ser utilizados por el hombre y sobre todo, por las millones de aplicaciones distintas que el metal puede cubrir. La metalurgia no constituye en realidad una ciencia independiente, ya que mucho de sus conceptos fundamentales deriva de la física, de la química y de la cristalografía.

ESTUDIO DEL METAL POR MEDIO DEL ANÁLISIS METALOGRÁFICO

La metalografía es la técnica de observar las microestructuras de los metales, cuyo procedimiento depende de la aleación, la manera en la que fue procesada o y lo que uno desea ver u observar. Sin embargo, la idea general consiste en seleccionar un área particular de la pieza del metal a observar y limpiar dicha superficie por medio de lijado y pulido, usando ácidos sobre la superficie del metal para demostrar más claramente los aspectos

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microestructurales tales como los cristales y las fases. Finalmente se utiliza un microscopio metalográfico para observar los detalles de la microestructura. Entre las características estructurales analizadas por esta técnica son: el tamaño del grano, forma, y distribución de las fases que comprenden la aleación y de las inclusiones no metálicas, así como la presencia de segregaciones y otras irregularidades que profundamente puedan modificar las propiedades mecánicas y el comportamiento general de un metal. El procedimiento que se sigue en la preparación de una muestra es comparativamente sencillo y requiere de una técnica desarrollada solo después de práctica constante. El último objetivo es obtener una superficie plana, sin ralladura, semejante a un espejo. Las etapas necesarias para preparar adecuadamente una muestra metalografía son las siguientes: Muestreo: la selección de una muestra para estudio microscópico puede ser muy importante. Si lo que se va a investigar es una falla, se debe escoger la muestra más próxima al área de la falla y comparársele con una tomada de la sección normal o sana. Si el material es suave, como los metales o aleaciones no ferrosas y aceros no tratados térmicamente, la sección puede obtenerse por corte manual, si el material es duro la sección puede obtenerse mediante de un disco cortador abrasivo. Esmerilado burdo o tosco: siempre que sea posible, la muestra debe ser de un tamaño fácil de manipular. Una muestra blanda se puede aplanar si se mueve completamente hacia arriba y hacia abajo a través de la superficie de una lima plana poco áspera. La muestra blanda o dura puede esmerilarse burdamente sobre una lija de banda rotatoria, manteniendo la muestra fría sumergiéndola frecuentemente en agua durante la operación de esmerilado. En todas las operaciones de esmerilado y pulido, la muestre debe moverse en sentido perpendicular a las rayaduras existentes.

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Esto facilitará darse cuenta del momento en que las rayaduras más profundas hayan sido sustituidas por las menos profundas, características del abrasivo más fino. El esmerilado continúa hasta que la superficie quede plana y libre de mellas, rebabas, etc. Y todas las rayaduras debidas al corte manual o al disco cortador no son visibles. Montaje: las muestras pequeñas o de forma incomoda deben montarse de alguna manera para facilitar el pulido intermedio y final. Alambres, varillas pequeñas, muestra de hojas metálicas, secciones delgadas, etc., deben montarse en un material adecuado o sujetarse rígidamente en una monta mecánica. El material del que se componen estos montadores puede ser: Lucita (resina termoplástica) o baquelita (resina termoendurecible). Pulido intermedio: después de montada, la muestre se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lijas con lijas o abrasivos más finos, sucesivamente. El primer papel es generalmente 150, luego 200, 300, 400 y finalmente es posible encontrar en el mercado del numero 1500. Pulido fino: el tiempo utilizado y el éxito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto durante los pasos del pulido previo. La última aproximación a una superficie plana libre de rayaduras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño. Otros abrasivos para pulido final que se emplean a menudo son la pasta de diamante, oxido de cromo y oxido magnesio. Ataque: el propósito del ataque químico es hacer visible las características estructurales del metal o aleación. El proceso debe ser de tal forma que queden claramente diferenciadas las partes de la microestructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que somete a la superficie pulida a una reacción química.

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DESGASTE DE LOS METALES

La calidad de la mayoría de los productos de metal depende de la condición de sus superficies y del deterioro de las superficies debido al uso. Este deterioro es importante también en la práctica de la ingeniería; suele ser el factor principal que limita la vida y el desempeño de los componentes de una maquina. El desgaste se puede definir como el deterioro no intencional resultante del empleo o del ambiente; puede considerarse esencialmente como un fenómeno de superficie. El desgaste es una de las influencias más destructivas a que están expuestos los metales. El desplazamiento y la separación de las partículas mecánicas de una superficie mecánica puede producirse por contacto con: A) B) C)

Otro metal (desgaste adhesivo metálico). Un abrasivo metálico o una no metálico (abrasión). Líquidos o gases en movimiento (erosión).

La erosión se acompaña generalmente por alguna forma de corrosión. Los tipos de desgaste mencionados pueden subdividirse en desgate por ficción rodante o por fricción deslizante y, a demás, de acuerdo a si puede utilizarse o no la lubricación. El desgaste que implica un solo tipo es raro, y en la mayoría de los casos ocurre el desgaste adhesivo y abrasivo. Cada forma de desgaste está afectada por una variedad de condiciones, incluyendo ambiente, tipo de carga aplicada, velocidades relativas de las piezas que se acoplan, lubricante, temperatura, dureza, terminado de la superficie, presencia de partículas extrañas, y composición y compatibilidad de las piezas de acoplamientos implicadas. Como en la mayoría de las aplicaciones mecánicas el desgaste rara vez puede evitarse por completo aun con la mejor lubricación, es práctica 6

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común utilizar un metal dura y una relativamente suave en forma conjunta. El material más suave se emplea (como en un cojinete) para la pieza más económica de reemplazar. Mecanismo de desgaste En el desgaste adhesivo, también llamado rayado, erosión, prendimiento y ludimiento de las superficies, pequeñísimas saliente producen fricción por interferencia mecánica, con movimiento relativo de la superficie en contacto que incrementan la resistencia para movimiento posterior. Si la fuerza de impulso es suficiente para mantener el movimiento, las partículas entrelazadas se deforman, si son de un material frágil, pueden arrancarse de lo cual se llega a la conclusión de que la resistencia al desgaste se mejorara evitando el contacto metal a metal e incrementando la dureza para resistir el mellado inicial, aumentando la tenacidad para resistir la separación violenta de las partículas metálicas, e incrementando la uniformidad de la superficie para eliminar las salientes. El desgaste abrasivo ocurre cuando partículas duras se deslizan o ruedan bajo presión a través de una superficie, o cuando una superficie dura se frota a través de otra, las partículas desgastadas por rozamiento del objeto más duro tienden a rasguñar o acanalar el material más suave. Estas partículas duras también pueden penetrar el metal más suave y producir la violenta separación de las partículas metálicas. La facilidad con que el metal deformado puede arrancarse violentamente depende de la tenacidad; por tanto, la dureza y la tenacidad, las mismas propiedades que influyen en el desgaste adhesivo, también determinan el desgaste abrasivo. De estos dos factores, la dureza es probablemente la más importante.

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Factores que influyen en el desgaste La lubricación es un factor de contribución importante para la resistencia al desgaste, sobre todo el desgate adhesivo. Una película de lubricación suficientemente gruesa elimina por completo el contacto mecánico, y el desgaste metálico se reduce a una cantidad despreciable; sin embargo, esta es la condición ideal y se da con más frecuencia “lubricación limite”. Esta es la condición de contacto metálico intermitente que ocurre cuando la película de aceite no puede mantenerse continuamente, y la cantidad de desgaste depende de la velocidad, de la presión, de la naturaleza de las superficies en contacto y de la eficacia de la película residual de aceite. El factor dominante producido por fricción en los materiales no metálicos se cree que sea la soldadura. Los átomos de metales iguales o cristalográficamente similares tienen fuerzas de cohesión muy intensas. Cuando dos superficies limpias del mismo metal se tocan efectivamente entre si, se soldaran debido a la tracción atómica. Si, por fricción, se aplica suficiente presión para romper a través de cualquier material desigual de separación, como aceite, polvo o humedad absorbida, y las superficies están en contacto suficiente para que tenga lugar una deformación elástica o plástica, tiene lugar el aferramiento o la soldadura. El impacto es un factor en el desgaste, ya que la carga aplicada repentinamente puede producir flujo plástico y un cambio en forma. Un diseño adecuado debe proporcionar una resistencia a la cedencia compresiva en la superficie, superior al esfuerzo compresivo producido por las cargas aplicadas con impacto y suficiente soporte. Métodos de prueba de resistencia al desgaste Como el desgaste no es un fenómeno simple, la resistencia al desgaste esta representada por menor cantidad de pruebas estandarizadas que como en otras propiedades de la ingeniería, generalmente se acepta que una prueba universal de desgaste no es factible; por tanto el equipo para ensayos de

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desgaste debe diseñarse con el fin de simular condiciones reales de servicio. Estas pruebas deben tener probadas reproducibilidad, poder clasificar los diversos materiales bajo consideración y, lo más importante, hacerse validas por correlación con los datos de servicio. Protección contra el desgaste Hay disponibles muchos materiales y métodos para proteger contra el desgaste como lo son: • Electrodepositación: la resistencia al desgaste de una pieza de metal puede mejorarse electro depositando un metal más duro sobre su superficie. Los metales que más a menudo se electro depositan sobre materiales base son el cromo, el níquel y el rodio. El revestido con indio se ha utilizado para reducir el desgaste de cojinetes de plomo. • Anodizado: la formación de una cubierta de oxido por anodizado puede utilizarse para mejorar la resistencia al desgaste de cierto metales. El proceso de anodizado se aplica generalmente a aluminio, magnesio, zinc y sus aleaciones. En el anodizado la pieza es el ánodo, y capas de oxido se forman en el metal base. • Difusión: diversos procesos mejoran la resistencia al desgaste por difusión de algún elemento dentro de las capas de la superficie: carburización, cianuración, carbonitruración, nitruración, cromada, siliciado. • Rociado metálico: el rociado metálico o rociado por llamas sea utilizado por muchos años en la recuperación de piezas para reconstruir, dimensiones que están fuera de tamaños y para reparar superficies gastadas, actualmente se ha incrementado su empleo en aplicaciones en donde se requieren recubrimientos resistentes al desgate.

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Las cubiertas rociadas pueden aplicarse por diversos métodos: metalizado, revestimiento metálico por llamas, utilizado para depositar carburos de tungsteno y oxido de aluminio. •

Revestimiento duro: la producción de una capa superficial dura y resistente al desgate sobre metales, por soldadura, se conoce como revestimiento duro. Este método es relativamente fácil de aplicar, requiriendo solo las aleaciones de revestimiento duro en la forma de varillas de soldar y una llama de oxiacetileno o arco eléctrico.

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Tratamiento térmico selectivo: los métodos empleados para tratamientos térmicos selectivos son, el endurecimiento por inducción y por flama, mismos que constituyen esencialmente, métodos de endurecimientos pocos profundos, para producir una superficie externa y un núcleo relativamente tenaz.

CORROSIÓN DE LOS METALES En sentido amplio, la corrosión puede definirse como “la destrucción de un material por interacción química, electroquímica o metalúrgica entre el medio y el material”. Generalmente es lenta pero de carácter persistente. En algunos ejemplos, los productos de la corrosión existen como una película delgada adherente que solo mancha o empaña el metal y puede actuar como un retardador para posterior acción corrosiva. En otros casos, los productos de la corrosión son de carácter voluminosos y porosos, sin ofrecer ninguna protección. Uno de los problemas más serios de la industria lo constituye la corrosión, que produce daños por miles de millones de dólares al año. Es un problema complejo acerca del cual se conoce; sin embargo, a pesar de la extensa investigación y experimentación, todavía hay mucho que aprender. En algunos casos, como el ataque químico directo la corrosión es altamente

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obvia, pero en otros, la corrosión intergranular es menos obvia pero igualmente dañina. La principal causa de la corrosión es la inestabilidad de los metales en sus formas refinadas; los mismos tienden a volver a sus estados originales a través de los procesos de corrosión. Principios electroquímicos La corrosión es esencialmente un proceso electroquímico que origina parte o el total del metal que esta transformándose del estado metálico al iónico. La corrosión requiere un flujo de electricidad entre ciertas áreas de la superficie de un metal a través de un electrolito, el cual es cualquier solución que contiene iones. Los iones son átomos o grupos de átomos eléctricamente cargados; por ejemplo, el agua pura contiene iones, hidrógenos positivamente cargados (H+) e iones hidroxilo negativamente cargados (OH-) en cantidades iguales; por lo tanto, el electrolito puede ser agua pura, agua salada o soluciones acidas o alcalinas de cualquier concentración. Para completar el circuito eléctrico, debe haber dos electrodos, un ánodo y un cátodo mismo que deben conectarse. Los electrodos pueden ser dos diferentes clases de metales o distintas áreas sobre la misma pieza del metal. La conexión entre el ánodo y cátodo puede ser mediante un puente mecánico, pero en la corrosión se lleva a cabo simplemente por contacto. Para que fluya la electricidad debe haber una diferencia de potencial entre los electrodos. En el ánodo, los átomos de hierro positivamente cargados se separan por sí mismo de la superficie solida y entran a la solución como iones positivos, mientras que las cargas negativas en la forma de electrones se dejan atrás en el metal. En el cátodo, los electrones chocan y neutralizan algunos iones hidrógenos positivamente cargados, los cuales han llegado a la superficie a través del electrolito. Al perder su carga, los iones positivos llegan hacer átomos neutrales nuevamente y se combinan para formar gas hidrógeno. Así, conforme este proceso avanza la oxidación y corrosión del hierro se presentan en los ánodos y el desvestimiento de hidrógeno ocurre en los cátodos. La cantidad de metal que se disuelve es proporcional al número

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de electrones que fluyen, lo cual a su vez dependen del potencial y de la resistencia del metal.

Factores que influyen en la corrosión Uno de los factores más importantes que influyen en la corrosión es la diferencia en potencial eléctricos de metales no similares cuando están acoplados conjuntamente y sumergidos en un electrolito. Este potencial se debe a las naturalezas químicas de las zonas anódicas y catódicas. Alguna indicación de cuales metales puedan ser anódicos en comparación con el hidrógeno esta dada por la serie estándar de fuerza electromotriz, mostrada a continuación:

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La diferencia en potencial eléctrico entre dos metales está relacionada con la distancia entre ellos en la celda galvánica. Un metal acoplado con otro cercano a él sobre esta lista corroerá generalmente en forma más lenta que cuando se acopla con otro más alejado por debajo de él. El efecto del oxígeno disuelto sobre la rapidez de corrosión es doble: actúa en la formación de óxidos y como despolarizador catódico. Si el oxígeno actúa para eliminar hidrógeno de los alrededores del cátodo, se incrementará la corrosión. Tipos específicos de corrosión La corrosión es a menudo asociada con óxido y perdida de brillo, sin embargo, el daño por corrosión puede ocurrir en otras formas, por ejemplo, el agrietamiento de metales, la perdida de ductilidad o resistencia tensil, etc. De acuerdo con la apariencia externa y alteración de propiedades físicas: los tipos de corrosión que ocurren más comúnmente son: • Ataque uniforme: Es la forma más común de corrosión. Se caracteriza normalmente por una reacción química o electroquímica la cual procede uniformemente sobre toda la superficie expuesta o sobre una gran extensión del metal. El metal puede disminuir sus dimensiones, lo cual se traduce en perdida de resistencia mecánica. Aunque este tipo de corrosión representa un gran porcentaje de material perdido en términos de toneladas / año, no es de mucho peligro, desde el punto de vista técnico, ya que la vida del equipo puede ser estimada, con cierto grado de confiabilidad, sobre la base de ensayos de laboratorio y de planta, sobre los materiales a usar, en los mismos ambientes. Ejemplo de este tipo de corrosión: acero expuesto a la superficie, el acero de tuberías, carros, barcos, tanques de almacenaje, etc.

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• Corrosión galvánica Ocurre este tipo de corrosión cuando dos materiales diferentes, tanto en composición química, tratamiento térmico, diferentes en cuanto a sistemas de recubrimiento o pintura en cada material, etc., están en contacto y se encuentran ambos metales inmersos en un medio corrosivo. Uno de los metales se comporta como ánodo y tiende a corroerse mientras que el otro metal se comporta como cátodo y no se corroe o se corroe muy poco. Si los metales hubiesen estado separados no ocurriría la corrosión del metal ánodo tan rápidamente como sucede en el caso de acoplamiento galvánico. Ejemplo de este tipo de corrosión: un tornillo de cobre con una arandela de acero al carbono, estando ambos materiales en el mismo medio acuoso (agua con sal). El cobre se corroerá, pero el hierro se consumirá debido a su comportamiento anódico, llegando a desaparecer en forma más rápida que en el caso de estar el hierro solo. • Picaduras Es una forma localizada de corrosión, en la cual, la corrosión es muy grande en una determinada parte, en comparación con el resto del material expuesto al medio corrosivo, esto conduce a la formación de un pequeño hueco, picada o picadura. Los sitios picados o picaduras representan puntos ánodos.

Tubería de acero inoxidable que falló por presencia de picaduras.

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• Corrosión intergranular Es una forma de ataque localizado en los bordes de grano en los materiales metálicos. Resulta una pérdida de resistencia mecánica y ductilidad del metal. El borde de grano actúa como ánodo y se corroe selectivamente en comparación con el resto del grano, el cual es el cátodo. El ataque es rápido y conduce a fallas catastróficas del material. Es un problema muy común en los aceros inoxidables. La causa de la corrosión intercristalina en este tipo de aceros es la precipitación de carburos de cromo durante el tratamiento de soldadura en los límites de grano de material.

Corrosión intergranular de un Bronce (200x)

• Desincificación y partición (lixiviación selectiva) La desincificación es un tipo de ataque selectivo, que, ocurre solamente en aleaciones de zinc, en las cuales, el zinc se corroe preferencialmente dejando un residuo poroso y productos de corrosión. La aleación corroída retiene su forma original, y parece estar sin daños, excepto por la perdida de brillo, pero la fuerza tensil y ductilidad pueden estar muy disminuidas. La partición es similar a la desincificación en que uno o más componentes de la aleación se corroe preferencialmente, dejando un residuo poroso el cual puede retener su forma original.

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• Corrosión – erosión Este tipo de daño resulta debido al ataque del metal por un movimiento entre el líquido o fluido corrosivo y la superficie del metal. Generalmente, el líquido lleva partículas sólidas las cuales eroden el metal y luego, el medio corrosivo, corroe el metal fresco. El daño aparece como canales, formas onduladas, valles, etc. • Erosión cavitación La formación y colapso de burbujas de vapor en una interfase líquido-metal conduce a la destrucción de metal y la consecuente formación de picaduras. Generalmente, los productos de corrosión llenan los pequeños huecos y picaduras, y sólo después de la respectiva limpieza se puede apreciar el daño sobre el metal. • Corrosión por frotamiento o fricción Resulta del movimiento relativo de dos sustancias en contacto, al menos una de las dos sustancias debe ser metal, de este movimiento resultan picaduras en la interfase de los metales. • Agrietamiento Si el material se fractura, se agrieta o se parte en la presencia de fuerzas repetitivas aplicadas, se dice que ocurrió fatiga, y si fue en presencia de un medio corrosivo, el material falló por corrosión por fatiga. Métodos para combatir la corrosión Muchos métodos se emplean industrialmente para evitar la corrosión, mediante la selección de la aleación y estructuras propias o por medio de protección de la superficie de un material dado. Los métodos más importantes son: a) Utilización de metales de alto grado de pureza: en la mayoría de los casos la utilización de metales con alto grado de pureza tiende a 16

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reducir la corrosión por agujeros en la superficie, minimizando las inhomogeneidades, por lo cual se mejora la resistencia a la corrosión. b) Empleo de adiciones de aleación: pueden reducir la corrosión mediante diversos métodos. Algunas adiciones de aleación mejoran la resistencia a la corrosión formando películas de óxido superficial no porosas y adherentes o ayudando a su formación. c) Utilización de tratamientos térmicos especiales: el tratamiento térmico que origina la homogeneización de soluciones sólidas, especialmente en aleaciones fundidas que están sujetas a una composición variable de cristales individuales a través de la pieza fundida, tiende a mejorar la resistencia a la corrosión. d) Diseño adecuado: el diseño adecuado debe mantener contacto con el agente de corrosión a un mínimo. Las uniones deben diseñarse adecuadamente para reducir la tendencia a que los líquidos entren y sean retenidos. El contacto entre materiales alejados en la serie electromotriz debe evitarse; en caso contario, deben separarse por hule o plástico para reducir la posibilidad de corrosión galvánica. e) Protección catódica: la protección catódica es uno de los métodos más comúnmente usado para el control de la corrosión. Consiste en hacer que toda la estructura metálica sea un cátodo, lo cual protegerá la estructura de la corrosión. De esta manera las áreas anódicas y catódicas del metal estarán al mismo potencial por lo que flujo de corrosión entre ellas y por tanto no ocurre corrosión. f) Empleo de inhibidores: se acostumbra a definir como inhibidor de corrosión a aquellas sustancias químicas que adicionadas al medio corrosivo en pequeñas cantidades producen una disminución sensible de la velocidad de corrosión. En cierto sentido esta definición es amplia y pueden incluirse en ella sustancias como la hidracina mencionada en el epígrafe anterior, también sustancias tales como H2SO4 ya que la adición de pequeñas cantidades de este ácido en un medio básico puede reducir notablemente la corrosión del aluminio. Por esta razón en este material se incluye una restricción adicional y es que la acción de lo inhibidores se realice en la interfase metal-solución, quedando excluidas las sustancias que alteran la concentración de los agentes oxidantes y de

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otros agentes agresivos del medio. Además, en algunos casos los inhibidores no se añaden al medio corrosivo sino a un recubrimiento superficial como son las grasas protectoras inhibidas. g) Revestimientos superficiales: A fin de que ocurra corrosión electroquímica debe haber lo siguiente: un ánodo, un cátodo, un electrolito y un potencial o flujo de corriente. Si se elimina uno o varios de estos factores se elimina la tendencia a la corrosión. Los recubrimientos eliminan el contacto entre el metal siendo protegido y el medio ambiente corrosivo, el electrolito, lo cual evita la corrosión. Básicamente se puede dividir los diversos tipos de recubrimientos en tres grandes grupos: 1. 2. 3.

Recubrimientos metálicos. Recubrimientos inorgánicos no metálicos. Recubrimientos orgánicos.

ANÁLISIS DE LAS CAUSAS QUE PRODUCEN FALLAS Cuando se consideran los muchos millones de piezas metálicas que se fabrican y ponen en servicio, no es raro que algunas fallaran prematuramente. Simplemente, desde el punto de vista estadístico, no es razonable, con la práctica de la ingeniería, no esperar fallas; sin embargo, aunque el número de fallas de un componente dado sea pequeño, son importantes porque pueden afectar el prestigio del fabricante en cuanto confiabilidad.

Diferentes tipos de fallas en los metales
Modos de fractura: el análisis adecuado de la fractura suele dar mucha información sobre los factores de contribución y ayuda a identificar el tipo de falla.

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Las fracturas dúctiles son el resultado de fuerzas cortantes que producen deformación plática (deslizamiento o macla) a lo largo de ciertos planos cristalográficos, en tanto que las fracturas frágiles se deben a fuerzas tensiles que producen clivaje. En la mayoría de las fracturas, ambos tipos están presentes en diversos grados. La identificación del mecanismo básico suele determinar el tipo de carga que inicio la fractura. De la misma manera, el conocimiento de la aplicación de la carga ayuda a determinar si una falla particular fue de naturaleza dúctil (corte) o frágil (clivaje). Las fracturas de corte producidas por una carga única son de colores grises opacos y fibrosos, con bordes que por lo general están plásticamente deformados. Unas pequeñas cavidades se forman inicialmente por deslizamiento. Se unen de manera conjunta y crecen eventualmente para formar una fisura bajo la aplicación continuada de cargas. La fisura se extiende con ayuda de la concentración de esfuerzos en la punta de la fisura, moviéndose por lo general en forma perpendicular a la fuerza tensil y formando eventualmente un “labio de corte” en la superficie. Las fracturas frágiles (clivaje) aparecen brillantes y cristalinas. Cada cristal tiende a fracturarse en un plano de clivaje único, plano que varía sólo ligeramente de un cristal al siguiente en el agregado. Por esta razón, se concluye que en una fractura por clivaje en una muestra policristalina generalmente brillará en la luz cuando se gira en la mano. Las superficies de fracturas frágiles algunas veces tienen apariencias distintivas. Desde el origen de la fractura se forma un modelo característico de “espigado”, el cual apunta al origen de la fractura. La consideración de combinaciones de modos de fractura puede dar información respecto a la naturaleza de la fractura.
Esfuerzo y resistencia: la solución a los problemas de fallas resultantes de piezas sometidas a sobreesfuerzos depende de la determinación de dos factores: el esfuerzo sobre la pieza y la resistencia requerida para soportar ese esfuerzo. Dependiendo del tipo de carga y de la geometría de la pieza, puede haber esfuerzo simple axial o un sistema complejo de esfuerzos multiaxiales. El esfuerzo total puede incluir esfuerzos 19

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internos residuales originados en la fabricación o tratamiento térmico, así como esfuerzos debidos a carga externa.
Tipos de aplicación de cargas: en muchos casos, el tipo de carga es un factor que contribuye a la falla, Hay esencialmente cinco tipos de cargas: acial, de flexión, torsional, corte directo y contacto. En la aplicación de carga axial, la carga se aplica coincidente con la línea central de la pieza y el esfuerzo es uniforme a través de la sección transversal, como en las barras de ensayos tensiles y cables de soporte. La aplicación de cargas por flexión se produce por pares de fuerzas coincidentes con la línea central. A través de la sección transversal, el esfuerzo varía desde un máximo en las fibras más exteriores hasta cero en el eje neutral, como en vigas y la raíz de los dientes de engrane. La aplicación de carga torsional implica la aplicación de un par de fuerzas en un plano normal a la línea central. El esfuerzo cortante varía desde un máximo en la superficie hasta cero en el je neutral. Algunos ejemplos de piezas sometidas a cargas aplicadas con torsión son ejes (flechas) y resortes espirales. Las cargas directas de corte actúan sobre planos paralelos estrechamente espaciados y tienden a mover parte del material respecto al resto, similar a una acción de corte, como en remaches y tornillos. Las cargas aplicadas por contacto son compresivas perpendiculares a dos superficies, combinadas con fuerzas de deslizamiento entre las superficies. La distribución de esfuerzos varía con la profundidad y dirección de la fuerza. Algunos ejemplos de aplicación de cargas por contacto son los cojinetes de rodillos y dientes de engrane.
Fracturas por fatiga: las fallas por fatiga son los tipos más comunes de fractura en máquinas y probablemente constituyen el 90% de todas las fracturas. Tales fracturas se desarrollan después de un gran número de aplicaciones de carga, generalmente a un nivel de esfuerzos inferior a la resistencia de cedencia del material.
Efecto de las concentraciones localizadas de esfuerzos: en piezas de maquinaria y estructurales, los mayores esfuerzos se presentan más

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a menudo en filetes, agujeros e irregularidades geométricas similares que concentran e incrementan el esfuerzo superficial. Estos se llaman concentraciones localizadas de esfuerzos. La mayoría de las concentraciones localizadas de esfuerzos quedan incluidas en uno de los siguientes grupos: 1. Aquellas producidas por cambios en la geometría de una pieza, como agujeros cajas de cuña, roscas, escalones o cambios en diámetro en ejes y cabezas de tornillos, etc. 2. Discontinuidades de la superficie, como muescas, rayaduras, marcas de maquinado, formación de agujeros, corrosión, etc. 3. Defectos inherentes en el material, como inclusiones no metálicas, fisuras pequeñísimas, huecos, etc.
Efecto de los reductores de resistencia: aparte de las concentraciones de esfuerzos localizadas, ciertas condiciones metalúrgicas pueden actuar para disminuir la resistencia del metal y dar lugar a fractura. Tales condiciones incluyen sobrecalentamiento, quemaduras por esmerilado, deficiente tratamiento térmico y poca práctica de fundición.
Esfuerzos de los esfuerzos residuales: los esfuerzos residuales son esfuerzos que existen en una parte, independiente de cualquier fuerza externa. Casi toda operación de manufactura dará como resultado esfuerzos residuales en diversos grados.
Otras variables: aparte de las concentraciones de esfuerzos localizadas, los reductores de resistencia y las tensiones residuales, otras variables podrían considerarse cuando investigan las fallas.
Fracturas por flexión: la flexión es una de las causas comunes de fractura en piezas de máquinas y estructurales. La falla puede originarse por una aplicación única de una carga mayor que la de la resistencia total de

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una pieza o deberse a una carga de inversión que da como resultado una fractura por fatiga de flexión.


Fallas torsionales: Las fallas torsionales son más comunes en ejes, incluyendo cigüeñales, barras de torsión y ejes de vehículos. La apariencia de una fractura por fatiga por torsión es completamente distinta de la producida por fatiga por combado. Las fallas por fatiga por torsión ocurren a los largo de los planos de corte máximo o la lo largo del plano de tensión máxima. Para determinar la verdadera causa de una falla, el investigador debe tener en cuenta la acción interrelacionada del diseño, la fabricación, las propiedades del material, el ambiente y las cargas de servicio. Las soluciones apropiadas pueden incluir rediseño, cambio de material o procesamiento (o ambos), control de calidad, protección contra el ambiente, cambios en los programas de mantenimiento, o restricciones en las cargas aplicadas durante el servicio o la vida de servicio. Clasificación de las causas que producen las fallas • Fallas debidas a procesamientos defectuoso: 1.- Imperfecciones debidas a composición defectuosa (inclusiones, impurezas que fragilicen la pieza y material equivocado). 2.- Defectos que se originan durante la manufactura de lingotes y piezas de fundición (segregación, interior defectuoso, porosidad, cavidades centrales por contracción durante la solidificación, e inclusiones no metálicas). 3.- Defectos debido al trabajado (dobleces, costuras, fisuras internas y discontinuidades, grietas por fragilidad, deslaminación y exceso de deformación local).

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4.- Irregularidades y errores debidos al maquinado, esmerilado o estampado (ranuras, quemaduras, rasgaduras, escamas, fisuras y fragilización). 5.- Defectos debidos a la soldadura (porosidad, acanaladuras, fisuras, tensión residual). 6.Anormalidades debidas al tratamiento térmico (sobrecalentamiento, quemadura, presencia de fisuras por templado, crecimiento de grano). 7.- Imperfecciones debidas al endurecimiento superficial (carburos intergranulares, núcleo suave y ciclos térmicos erróneos). 8.- Defectos debidos a los tratamientos superficiales (limpiado, electrodepositado, revestido, difusión química). 9.- Ensamble descuidado (mal acoplamiento, polvo o abrasivo atrapado, esfuerzo residual). 10.- Fallas en la línea de separación en el forjado debido a deficientes propiedades transversales. • Fallas debidas a consideraciones de diseño defectuoso o mala aplicación del material: 1.- Falla dúctil (exceso de deformación, elástica o plástica y fractura por rasgadura o corte). 2.- Falla por fatiga (cargas cíclicas, deformación cíclica, calor cíclico, fatiga por corrosión). 3.- Fractura frágil (debido a imperfecciones o concentraciones de esfuerzos localizada de intensidad crítica). 4.- Falla por alta temperatura (fluencia, oxidación, fusión local y deformación).

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5.- Fracturas estáticas demoradas (fragilización por hidrógeno, fragilización cáustica). 6.- Concentraciones de esfuerzos localizadas excesivamente severas, inherentes en el diseño. 7.- Inadecuado análisis de esfuerzos de esfuerzos, o imposibilidad de efectuar un cálculo racional de esfuerzos en una pieza compleja. 8.- Error al diseñar con base en propiedades estáticas tensiles, en vez de las propiedades significativas del material que miden la resistencia del material a cada posible modo de falla. •

Fallas debidas al deterioro durante las condiciones de servicio:

1.- condiciones de aplicación de cargas excesivas o imprevistas. 2.- Desgaste (erosión, daño superficial por fricción, aferramiento, ranuración y cavitación). 3.- Corrosión (incluyendo ataque químico, esfuerzo por corrosión, fatiga por corrosión). 4.- Mantenimiento inadecuado o mal dirigido o reparación impropia. 5.- Desintegración debida a ataque químico o a ataque por metales líquidos o a electrodepositación a temperaturas elevadas. 6.- Daño por radiación (algunas veces se debe descontaminar para examinarse, lo cual puede destruir alguna evidencia vital de la causa de falla). 7.- Condiciones accidentales (temperaturas anormales de operación, vibración severa, vibraciones sónicas, colisiones por impacto o imprevistas, desgastes, choque térmico, etc.).

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PROCEDIMIENTO PARA EL ANÁLISIS METALÚRGICO DE FALLAS En cualquier análisis de las causas que producen fallas es importante obtener tantos datos como sean posibles de la propia pieza que falló, además de examinar las condiciones en el momento en que se produjo la falla. Algunas preguntas que deben hacerse son: ¿Cuánto tiempo estuvo la pieza en funcionamiento? ¿Cuál era la naturaleza de los esfuerzos aplicados a la pieza en el momento en que se produjo la falla? ¿Estuvo la pieza sometida a una sobrecarga? ¿Se instalo adecuadamente la pieza? ¿Estuvo sometida a servicio excesivo? ¿Hubo algunos cambios en el ambiente? ¿Tuvo la pieza un mantenimiento adecuado? Después de estudiar la superficie fracturada se deben contestar las preguntas siguientes: ¿Fue la fractura dúctil, frágil o una combinación de las dos? ¿Empezó la falla en la superficie o por debajo de ella? ¿Empezó la falla en un punto, o se originó en diversos puntos? ¿Empezó la fisura recientemente o había estado creciendo por un tiempo largo? Debe ser obvio que no puede prescribirse ninguna solución adecuada, a menos que se disponga de la información que considere la forma en que se comportó y falló la pieza. Las pruebas de laboratorio y de campo permiten evaluar los efectos del material, el diseño y las variables de fabricación sobre el comportamiento de la pieza en condiciones controladas: por otro lado, el análisis de las causas que producen fallas se centra en las piezas devueltas del servicio y de este

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modo de resultados de condiciones reales de operación. Combinando la información de los ensayos con los resultados del análisis, se puede obtener un cuadro claro de las causas que producen la falla. Rara vez son fallas asignadas a una sola causa, generalmente resultan de los efectos combinados de dos o más factores que son perjudiciales para la vida de la pieza o estructura. Cuando se estudia una falla, se debe tener especial cuidado en no destruir pruebas importantes. Los estudios detallados requieren generalmente un conocimiento previo de la historia del servicio (tiempo, temperatura, carga, ambiente, etc.) junto con el análisis químico, fotomicrografías y semejantes. El estudio posterior de la secuencia de acontecimientos que causaron la falla, más el conocimiento de la localización, marcas y condición de todas las piezas adyacentes en el momento de la falla, es necesario para confirmar el análisis. Siempre existe la posibilidad de aplicar cargas imprevistas, de colisiones no reportadas o de vibración no anticipada que pueden haber contribuido a fallas prematuras. El procedimiento para investigar una falla abarca cuatro áreas: 1. Observaciones iniciales: un estudio detallado visual de la componente real que falló debe hacerse tan pronto como sea posible, una vez que se detecta la falla; además, se deben registrar todos los detalles por medio de muchas fotografías para revisión posterior, y hacer la interpretación de las marcas de deformación, de la apariencia de la fractura, de la deterioración, de los contaminantes y de otros factores. 2. Datos informativos: reunir todos los datos disponibles referentes a las especificaciones y dibujos, diseño de componentes fabricación, reparaciones, mantenimiento y utilización de servicio. 3. Estudios de laboratorio: verificar que la composición química del material esté dentro de los límites especificados y constatar las dimisiones y propiedades de la componente. Se deben hacer los ensayos suplementarios que se necesiten; por ejemplo, dureza y determinación de microestructura para verificar el tratamiento térmico, pruebas no destructivas para examinar si existen defectos de procesamiento o fisuras, composición de productos de

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corrosión, un ensayo de flexión libre para verificar la ductilidad, etc. A menudo, el examen de una superficie de fractura con un microscopio binocular de baja resolución puede revelar el tipo y causa de la falla. 4. Síntesis de la falla: estudio de todos los hechos y evidencias, tanto positivas como negativas, y respuestas a las preguntas típicas dadas previamente. Esto, combinado con el análisis teórico, debe indicar una solución al problema de la falla.

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CONCLUSIONES

Una vez realizado el presente trabajo podemos decir que:

• La metalurgia es una ciencia cuyo objetivo principal es el estudio de las operaciones industriales relacionadas con la preparación, tratamientos físicos y/o químicos, producción de metales y sus aleaciones.

• La metalografía ayuda a conocer con mayor profundidad la micro estructura de los metales y de esta manera entender la forma en q se pueden asociar con otros metales.

• La corrosión y el desgaste son los factores más degenerativos a los que puede estar sometido un metal, es por esto que se hace necesario conocer los mecanismos para contrarrestar dichas acciones.

• Es necesario saber bajo que condiciones de esfuerzo estarán trabajando los metales, para así analizarlos y determinar de que manera podrían llegar a fallar.

• El análisis para la detección de fallas es un procedimiento continuo y sistemático mediante el cual conocemos o estudiamos las condiciones a las que están sometidos los metales, lo que dará un resultado puntal que será la forma en que fallara la estructura.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS _ AVNER H., Sidney. (1988). Introducción a la metalurgia física. 2da edición. Editorial McGraw- Hill. México. _ Libro de corrosión.pdf.

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