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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. Deflexiones fuera de rango (a): en la figura superior izquierda se muestra la deflexión ideal de diseño (di) de una viga en voladizo ante una carga (P); en la figura superior central se tiene una deflexión baja (db) ante la misma carga, debido a una elevada rigidez de la viga; en la figura superior derecha se presenta una elevada deflexión (da), como consecuencia de una baja rigidez del elemento. Amplitudes, velocidades o aceleraciones de vibración fuera de rango (b): en la figura central izquierda se esquematiza el comportamiento ideal de vibración esperado desde diseño, para la deflexión respecto al tiempo de una viga en voladizo vibrando (di (t)); en la figura central se muestra la misma viga vibrando con deflexiones inferiores a las de diseño (db (t)); en la figura central derecha la viga vibra con deflexiones superiores a las esperadas desde diseño (da (t)). Frecuencias de vibración fuera de rango (c): para una viga en voladizo se espera un espectro de vibración donde la frecuencia de diseño es (fi), pero se pueden presentar desviaciones hacia frecuencias altas (fa) o frecuencias bajas (fb).

Fuente: elaboración propia.

Figura 2.2 Esquemas de los modos de falla por deformación de componentes mecánicos (continuación)

Nota. Estado no estacionario de vibración (d): en este caso un elemento mecánico vibra en un estado inestable, donde las amplitudes, velocidades, aceleraciones y/o frecuencias de vibración se encuentran en constante cambio. Deformación permanente estática o cíclica (e): en la figura central izquierda se esquematiza una viga en voladizo sin carga y, por lo tanto, no deformada; en la figura central se muestra la viga cargada con (P) y con deflexión (d); en la figura central derecha se tiene la viga descargada, donde esta no regresa a su forma original, conservando una deflexión permanente (dp), a consecuencia de la distorsión por deformación plástica. Fluencia lenta o termofluencia (f): en este caso se observa que la distorsión en la viga conservando la misma carga (P), aumenta progresivamente con el tiempo

(dt1 < dt2 < dt3).

Fuente: elaboración propia.

La rigidez se puede definir como la medida de la resistencia a la deformación elástica de un elemento mecánico. La rigidez de una pieza se mide a través de su constante de rigidez (k), que corresponde a la pendiente de la curva carga —deflexión del elemento, figura 2.3 (izquierda)—. Esta propiedad de la pieza depende de tres factores: (a) el material constituyente, (b) su geometría y (c) sus apoyos. Existen materiales más rígidos que otros, y las propiedades del material que la miden son básicamente dos: (1) el módulo de elasticidad del material (E) y (2) el módulo de rigidez (G), donde a mayor valor de estos, se obtendrán piezas a su vez más rígidas. En general, los cerámicos son materiales más rígidos que los metales, y estos a su vez son más rígidos que los polímeros. En el diseño mecánico la rigidez depende fuertemente de la geometría de la pieza y sus apoyos, donde para un mismo material se pueden lograr configuraciones de alta o de baja rigidez, cambiando posición de apoyos, áreas o momentos de inercia de las secciones.

Figura 2.3 Relación entre cargas y deflexiones

Nota. Relación entre una carga constante y las deflexiones obtenidas de piezas con rigideces alta, ideal y baja (izquierda); relación entre una deflexión constante y las cargas obtenidas de piezas con rigideces alta, ideal y baja (derecha). La pendiente de las curvas de carga o constante de rigidez (k) es la medida más común de la rigidez de las piezas.

Fuente: elaboración propia.

Cuando una pieza por la combinación de sus materiales constituyentes, geometría y disposición de apoyos, posea baja rigidez, puede llevar a que en aplicaciones de carga constante (P) se generen, por ejemplo, errores en el posicionamiento de maquinaria de precisión, debido a la discrepancia entre la deflexión de diseño (di) y la real que será mayor (da) (figura 2.3, izquierda); en aplicaciones de deflexión constante (d), se puede dar por ejemplo que en un ensamble se genere una presión insuficiente entre las partes (Pb), inferior a la esperada por diseño (Pi), lo que puede llevar a fugas de fluidos contenidos o a fomentar el desgaste por ludimiento (figura 2.3, derecha).

Cuando una pieza por la combinación de sus materiales constituyentes, geometría y disposición de apoyos, posea alta rigidez, puede llevar a que en aplicaciones de carga constante (P), se generen al igual que en baja rigidez, errores en el posicionamiento de maquinaria de precisión, debido a la discrepancia entre la deflexión de diseño (di) y la real, que en este caso será menor (db) (figura 2.3, izquierda); en aplicaciones de deflexión constante (d), se puede dar, por ejemplo, que en un ensamble se genere una presión excesiva entre las partes (Pa), superior a la esperada por diseño (Pi), lo que puede llevar a fracturas progresivas prematuras, debido a los elevados esfuerzos residuales que quedan en la unión (figura 2.3, derecha).

2.2.1.1 Mecanismos de la deformación elástica

Todo material bajo la acción de una carga mecánica responderá experimentando un cierto nivel de deformación, el cual será proporcional a la magnitud de dicha carga. Esta deformación no solo se restringe a la dirección de aplicación de la carga, sino que además se presenta en las direcciones perpendiculares y se dimensiona a través del módulo de Poisson (ν). La deformación elástica es aquella que cesa una vez desaparece la carga, es decir, la pieza que la experimenta recobra las dimensiones macroscópicas originales cuando se descarga. No obstante lo anterior, de todas maneras, con valores menores que el esfuerzo límite elástico (σE), los materiales experimentan a nivel nanoscópico o microscópico deformación plástica localizada. Esta deformación plástica no es suficiente para producir una distorsión notable de la pieza a escala macroscópica, pero sí es importante tenerla en cuenta, ya que tiene una enorme influencia en el mecanismo de nucleación de grietas por fatiga (numeral 3.6).

La deformación elástica se presenta en los materiales básicamente mediante tres mecanismos: (1) por modificación de la distancia interatómica. Este es el mecanismo básico que predomina en los sólidos cristalinos metálicos y cerámicos; (2) por modificación de los ángulos de enlace. Este mecanismo de deformación elástica se presenta en sólidos cerámicos donde sea importante la participación del enlace covalente o dentro de cada una de las cadenas y mallas que componen los materiales poliméricos; y (3) por modificación de la distancia intermolecular. Este mecanismo predomina en los materiales poliméricos termoplásticos, donde las cadenas están unidas entre sí por enlaces secundarios. En la figura 2.4 se muestran esquemas de los tres mecanismos básicos de la deformación elástica.

La deformación elástica real de los materiales es una combinación de los mecanismos descritos anteriormente, ya que en un mismo material se pueden encontrar tanto enlaces primarios como secundarios, lo cual es particularmente cierto en los materiales compuestos. En [2] se puede encontrar una introducción al estudio del comportamiento elástico de los materiales.

2.2.2 Estado vibratorio fuera de rangos

Amplitud, velocidad o aceleración fuera de rango se dan cuando los valores pico de estas magnitudes de vibración, están por fuera del rango esperado por el diseñador, lo que conlleva a experimentar eventos de falla, bien sea por elevados valores de estas variables o por ser muy bajos (figura 2.2 (b)). Los valores pico de amplitud, velocidad y aceleración de vibración son proporcionales entre sí, luego, un elevado estado vibratorio se puede detectar bien sea con sensores de posición, velocidad o aceleración.

Figura 2.4 Mecanismos de la deformación elástica

Fuente: elaboración propia.

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].