Teorias De Fractura

2. Concepto de Rotura y de Falla

La idea de rotura o de falla de una pieza está asociada a la idea de desafectar la misma del mecanismo o máquina en la cual actúa. Sin embargo entre ellas existe una diferencia conceptual que permite efectuar un análisis diferente en cada caso y tomar decisiones afines.

Un proceso de rotura significa que la pieza se divide en dos o más partes dejando así de cumplir con la función que tiene asignada como órgano de máquina. Un proceso de falla aunque es entendido de la misma manera que el anterior como que la pieza deja de cumplir con la función asignada en la máquina, de por sí constituye un concepto algo más general ya que contempla al anterior sin embargo la falla de una pieza puede ocurrir sin necesidad de su rotura. Esta diferencia se puede apreciar en una comparación entre dos probetas de ensayo compresivo tal como la que se ve en la Figura 2.54

UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan

Existen diferentes mecanismos de falla en diferentes tipos de piezas construidas con diferentes tipos de materiales (En algunos casos se presentan dos o más como en la Figura

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2.55, donde pueden aparecen deformación por fuerzas, impacto, erosión superficial entre otras), algunas de las cuales se pueden enunciar a continuación:

Figura 2.54. Distinción del proceso de falla y de rotura

Figura 2.55. Multiplicidad de efectos de falla en una misma pieza

1. Deformación inducida por fuerzas y/o Temperatura

2. Desplazamientos inducidos por fuerzas o temperatura (pandeo)

3. Límite de Fluencia

4. Rotura Dúctil

5. Rotura Frágil

6. Fatiga estructural

7. Fatiga Superficial

8. Impacto o falla dinámica

9. Desgaste por fricción

10. Endurecimiento parcial

11. Daño por Radiación: típico en materiales como los plásticos.

12. Corrosión

13. Desgaste por Corrosión

14. Fatiga por Corrosión

15. Fatiga por “Fretting”

16. Desgaste por “Fretting”

17. Relajación Térmica.

18. Rotura por tensiones térmicas: Efectos concentradores de tensiones

19. Falla por efectos Creep: presencia de deformaciones sostenidas en el tiempo

20. Fatiga Térmica:

21. Shock o Golpe Térmico: modificación estructural por efecto térmico

UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan

22. Spalling

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23. Debonding: Pérdida de contacto entre fibras y resina en materiales compuestos

24. Delamination Pérdida de contacto entre laminas de materiales compuestos

La lista anterior es solo una muestra de la gran cantidad de mecanismos de falla que se pueden presentar en piezas construidas con diversos materiales y formas. Cada una de las precedentes tiene un proceso de análisis específico para caracterizar el potencial estado de falla de la pieza. Si bien cada caso es diferente en su enfoque y en las variables que se ponen en juego y los métodos de cálculo que se utilizan (en complejidad y representatividad), todas tienen en común la necesidad de caracterizar aspectos geométricos relativos al proceso de falla.

La concentración de Tensiones

La concentración de tensiones es un efecto geométrico sumamente localizado. En algunos casos se puede deber a una grieta superficial, en otros se puede deber a un maquinado no adecuado o a la selección de radios de acuerdo muy bruscos entre superficies no concordantes. Si el material es dúctil, la carga estática de diseño, puede generar una fluencia en el punto crítico sobre la mueca. Esta fluencia puede conducir a un endurecimiento por deformación del material y a un incremento de la resistencia de fluencia en tal punto. Suele suceder que siendo las cargas estáticas, la fluencia localizada no conduce a fluencia general y en consecuencia la pieza globalmente puede soportar la solicitación.

Figura 2.56. Distribución y concentración de tensiones evidenciado por foto elasticidad

Figura 2.57. Distribución y concentración de tensiones evidenciado por termo elasticidad radiométrica

UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo Tulio Piovan

Un concentrador de tensión, es una discontinuidad que altera la distribución de la tensión en inmediaciones de la discontinuidad. Este tipo de discontinuidades se puede ver en las Figuras

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2.56 a 2.57. La concentración de tensiones es la zona donde se hallan los concentradores de tensiones. Normalmente se define el factor de concentración de tensiones, como el indicador del incremento de tensiones en la concentración de tensiones, y se calcula de la siguiente manera: PuntualomedioPrTensiónPuntualMáximaTensiónKC =

(2.155)

Los factores concentradores de tensión, históricamente han sido y actualmente son muy útiles para poder emplear metodologías de cálculo tradicionales (Resistencia de Materiales) sin incurrir en graves errores de representatividad del estado tensional. De manera que el estado tensional en un punto viene dado por la siguiente expresión:

NomCMaxKσσ=

(2.156)

Donde σMax es la tensión normal o tangencial que se pretende valorar en la zona concentradora de tensiones, KC el coeficiente concentrador de tensiones y σNom la tensión nominal obtenida por cálculo de resistencia de materiales (Flexión, Tracción, torsión, etc.).

Para la obtención de los factores de concentración de tensiones usualmente se recurría a ensayos de foto-elasticidad (Figura 2.56) o termo-elasticidad radiométrica (Figura 2.57) los cuales son métodos

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