Ergonomia

FALLAS DE MATERIALES

En su mayoría, las fallas en las máquinas se deben a cargas que varían

con el tiempo y no a cargas estáticas: Estas fallas suelen ocurrir a niveles de esfuerzo

muy por debajo del límite elástico de los materiales. Por lo tanto, de manejar sólo las

teorías de fallas estáticas presentadas en algunos libros, puede llevar a diseños poco

seguras cuando las cargas sean dinámicas.

Este fenómeno se observó por primera vez en los años 1800, cuando

empezaron a fallar ejes de los carros de ferrocarril después de sólo poco tiempo de

servicio. Estaban fabricados de acero dúctil, pero mostraban falla súbita de tipo frágil.

En 1843 Rankine publicó un estudio “Sobre las causas de la ruptura inesperada de

los rodamientos de los ejes de ferrocarril” en el cual postuló que el material se había

“cristalizado” y hecho frágil debido a los esfuerzos fluctuantes. Los ejes se habían

diseñado según todos los conocimientos de ingeniería disponibles a la fecha,

conocimientos que se basaban en experiencia adquirida con estructuras cargadas

estáticamente. Las cargas dinámicas eran entonces un fenómeno nuevo, resultado de

la introducción de maquinaria movida por vapor. Estos ejes estaban fijos a las ruedas, y

giraban junto con ellas. Por lo que el esfuerzo a flexión en cualquier punto de la

superficie del eje variaba cíclicamente de positivo a negativo. Un ingeniero alemán,

August Wohler, hizo a lo largo de un periodo de 12 años la primera investigación

científica en lo que se conocía como fallas por fatiga. Probó los ejes hasta la falla, en

el laboratorio, bajo cargas totalmente alternantes. Publicó sus resultados en 1870, que

identificaban como “culpable” al número de ciclos de esfuerzo en concordancia con su

variación en tiempo, y encontró la existencia de un límite de resistencia a la fatiga

para los aceros, es decir, un nivel de esfuerzos que puede ser tolerable para millones

de ciclos de esfuerzos totalmente alternantes. El término “fatiga” fue aplicado por

primera vez a esta situación por Poncelet en 1839. Todavía no se entendía el

mecanismo de las fallas, y la apariencia frágil de la superficie de falla en un material

dúctil hizo que se especulara que de alguna manera el material se había “cansado” y

de hecho frágil debido a la oscilación de las cargas, Wohler demostró después que las

mitades rotas de los ejes seguían siendo tan resistentes y dúctiles a los ensayos a

tensión como el material original. Sin embargo se retuvo el término falla por fatiga y

se sigue manejando para describir cualquier falla debida a cargas que varían con el

tiempo.

La falla por fatiga es causa de un costo importante en la economía.

Dowling propone, con base en datos del informe del gobierno de Estados Unidos por

Reed y colaboradores que:

“El costo anual para la economía de Estados Unidos por fatiga de los materiales,

en dólares de 1982, es de alrededor de 100.000 millones, correspondiendo a

aproximadamente el 3% del producto bruto (PNB). Estos costos provienen de la

ocurrencia o prevención de fallas por fatiga en vehículos terrestres, vehículos

sobre rieles, aeronaves de todo tipo, puentes, grúas, equipos de plantas

generadoras de energía, estructuras de pozos petroleros submarinos y una

amplia variedad de maquinaria y equipos varios, como artefactos domésticos,

juguetes y equipo deportivo.”

El costo también puede implicar vidas humanas. La primera aeronave a

reacción comercial para pasajeros, el COMET británico, sufrió dos accidentes graves

en 1954, debido a fallas por fatigas causadas por los ciclos de presurización y

despresurización de la cabina. Más recientemente en 1988 un Boeing 737 de Hawaian

Airlines perdió un tercio de la parte superior de su cabina en pleno vuelo, a 25.000 pies

de altitud. Aterrizó con pérdidas mínimas de vidas. Hay muchos otros ejemplos

recientes de falla por fatiga de tipo catastrófico. En los últimos 150 años se ha

trabajado mucho a fin de determinar el mecanismo real de la falla por fatiga. Las

demandas impuestas desde la Segunda Guerra Mundial sobre los materiales, en

aplicaciones para aeronaves aéreas y aeroespaciales han motivado crecientes

desembolsos en la investigación científica de este tema y ahora está razonablemente

bien comprendido, aunque los investigadores siguen buscando respuestas a preguntas

sobre el mecanismo de fatiga.

Las fallas por fatiga siempre empiezan en una grieta. La grieta pudiera

haber estado presente en el material desde su manufactura o haberse presentado a lo

largo del tiempo por causa de las deformaciones cíclicas cerca de las concentraciones

de esfuerzos.

Fisher y Yen han demostrado que casi todos los miembros estructurales

contienen discontinuidades, desde microscópicas (<0,001pulg) hasta macroscópicas,

introducidos en el proceso de fabricación. Las grietas por fatiga se inician en una

muesca o en otra concentración de esfuerzo (Utilizaremos el término general muesca

para representar cualquier contorno geométrico que incremente esfuerzo local). Las

fallas frágiles de algunos de los buques cisternas de la Segunda Guerra Mundial, fueron

achacadas a grietas que empezaron en un electrodepósito dejado por algún soldador

descuidado: Las fallas del Comet se iniciaron en grietas menores de 0,07 pulg. de

largo, cerca a las esquinas de las ventanillas, que eran casi cuadradas, las que

aportaban por ello altas concentraciones de esfuerzos.

Hay tres etapas de fallas por fatiga, la iniciación de la grieta, la

propagación de la grieta y la fractura súbita causada por el crecimiento inestable

de la grieta

Etapa de Iniciación de las Grietas

Suponga que el material es un metal dúctil que al ser fabricado, no tenía

grietas, pero tiene la colección normal de partículas, inclusiones, etcétera, comunes en

materiales de ingeniería. A escala microscópica, los metales no son homogéneos ni

isotrópicos. Suponga además, que hay algunas partes de concentración geométrica de

esfuerzos (muescas) en localizaciones de esfuerzo significativo variando con el tiempo,

que contienen un componente a tensión (positivo). Como los esfuerzos en la muesca

oscilan, puede ocurrir fluencia plástica local debido a concentración de esfuerzos, aún

cuando el esfuerzo nominal en la sección esté muy por debajo del límite elástico del

material. La fluencia plástica local causa distorsión, creando bandas de deslizamiento

(regiones de deformaciones intensas producidas por movimientos cortantes) a lo largo

de los bordes cristalizados del material. Conformen los esfuerzos se alternan, aparecen

más bandas de deslizamiento, las que forman grietas microscópicas. Aun en ausencia

de muescas (como en las probetas lisas) este mecanismo sigue funcionando, siempre

que en alguna parte del material se haya excedido el límite elástico. Los huecos o

inclusiones preexistentes servirán como elevadores de esfuerzo para la iniciación de la

grieta.

Los materiales menos dúctiles no tienen la misma capacidad de fluencia

plástica que los dúctiles y tenderán a generar grietas con mayor rapidez. Son más

sensibles a las muescas. Los materiales frágiles (especialmente los fundidos) que no

tienen fluencia pueden pasar por alto esta etapa inicial y llegar directamente a la

propagación de grietas, en sitios de los huecos o inclusiones existentes, que sirven

como microgrietas.

Etapa de Propagación de las Grietas

Una vez establecida una microgrieta (o si está presente desde el inicio),

se hacen operables los mecanismos de la mecánica de fracturas. La grieta aguda crea

concentraciones de esfuerzos superiores a los de la muesca original, lo que provoca

una zona plástica en el extremo de la grieta cada vez que el esfuerzo a tensión lo abre,

lo que achata su extremo y reduce la concentración efectiva de esfuerzos. La grieta

crece un poco. Cuando el esfuerzo se alterna desde un régimen de esfuerzo a

compresión hasta cero o hasta un esfuerzo a tensión lo bastante inferior, la grieta se

cierra, la fluencia plástica cesa momentáneamente y de nuevo la grieta se vuelve

aguda, aunque con una dimensión mayor. Este proceso continúa en tanto el esfuerzo

local en la punta de la grieta esté alternando desde por debajo del punto de fluencia a

tensión, hasta por encima. Por lo que el crecimiento de la grieta se debe a esfuerzos

a tensión, y la grieta crece a lo largo de planos normales al esfuerzo máximo a

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