Fractología en la industria ferroviaria

Fractología en la industria ferroviaria.

Introducción

Desde los orígenes del hombre como especie se inició un proceso de transformación del espacio circundante, las plasticidad de los minerales le permitió a los seres humanos crear herramientas que servirían de base a la sociedad, desde la invención de la punta de flecha, la cual le permitió asesinar a distancia, hasta la purificación de los metales, es en ello que se origina un problema sobre la manipulación misma de los materiales, siendo que muchas veces en los procesos o en el producto final se presentaban fisuras y debilidades en los mismos, lo cual es el inicio de la mecánica de fracturas.

Cada era supuso un cambio radical en la manera en que se estudiaban los materiales, entendiendo la producción construcción y manipulación de los materiales, es en ese entorno en el que se desarrolla la mecánica de fractura siendo que la industria empezó a desarrollarse como un signo de la evolución económica del ser humano, en principio con los utensilios mecánicos simples como el martillo, la sierra, la pala, los cuales respondían a ciertas condiciones como la temperatura, la presión y la fuerza sometida para desarrollar dichas herramientas, estás tenían que responder a las condiciones medioambientales en las que tenían que ser utilizados en ese desarrollo se descubre que por ejemplo que ciertos metales son más frágiles a bajas temperaturas, y otros  metales son más dúctiles o más flexibles, es por ello que el desarrollo de la ciencia de los materiales es también el desarrollo de la ciencia de la mecánica de la fractura.

Por otro lado, un cambio fundamental en la manera en que se percibía esto es la revolución industrial en la cual hay un cambio crucial en el perfeccionamiento de estos materiales, es de ahí qué se origina los primeros estándares de calidad así como las técnicas más sofisticadas para el desarrollo de equipos, instrumentos y herramientas.

Por otra parte uno de los pilares de la revolución industrial fue la existencia del motor a vapor aparato que propicia la existencia del ferrocarril, este es un instrumento termodinámico que transforma el calor en energía mecánica a través de la transformación o cambio de estado del agua en vapor, dicho sistema mantiene presiones constantes lo cual impulsa la variación de volumen esa variación de volumen es aprovechada por émbolos qué hacen girar las ruedas del tren transformando la energía cinética del calor en energía mecánica.

Ahora bien, dentro de la ciencia de los ferrocarriles hay inmensa cantidad de factores que pueden intervenir en el deterioro de los materiales, hay que recordar que no sólo están construidos en material metálico (1) la estructura del ferrocarril sino de la misma manera los rieles y las piezas del ferrocarril, así como la mayor parte de las estructuras viales que los mantienen, es de vital importancia mantener un estándar de calidad que evite las fracturas en dichos materiales por lo que la fractografía aplicada a los ferrocarriles es la ciencia que se aboca al perfeccionamiento de las condiciones en las que un ferrocarril ópera siendo qué la operación misma del instrumento puede atravesar fallas.

Asimismo, estás fallas no solamente se desprenden del mal diseño de los equipos sino también del desgaste mismo dado que la operación en (2) ellos es muy exigente. Siguiendo con el desarrollo de la industria ferroviaria hay que tomar en cuenta del ferrocarril moderno diferencia del ferrocarril original, es decir, mientras que originalmente se hablaba de trenes que eran llevados por motores de combustión interna que funcionaban a base de carbón transformando agua en vapor motor el ferrocarril moderno es movido por un motor eléctrico por lo que las fuerzas de fractura que estaban asociadas a las calderas dentro de los ferrocarriles son de poca importancia en el.

A continuación se presenta un estudio de las fuerzas de la mecánica de la fractura en los ferrocarriles, es de tomar en cuenta la poca divulgación que se presenta a nivel editorial, por lo que se tuvo que acentuar sobre la base de investigaciones a nivel de ingeniería en procesos de grado.

Marco teórico

Fundamentos de la mecánica de fracturas en la industria Ferroviaria

La mecánica de fractura en ferrocarril es una rama de la física qué se encarga describir la deformación de los materiales tras una ruptura, esta tiene sus fundamentos además de la física en la química donde se describe los distintos tipos de enlaces que existen entre los átomos para formar las moléculas, estás interacciones interatómicas son los que dan posible la estructura moleculares de cada sustancia por lo que la manipulación de los materiales y su posterior deterioro tiene una relación muy profunda con el tipo de enlace que presenta la materia.

En el caso de los materiales metálicos se presenta una condición muy especial debido a que en general son sustancias con alto grado de pureza en lo que se refiere a su uso industrial salvo en los casos en que premeditadamente (3) se generan aleaciones para mejorar sus condiciones y cualidades para la tarea para la que son diseñados, una de esas cualidades es la ductibilidad qué se refiere a la capacidad que tienen los metales para modificar su estructura física luego de que ha recibido una fuerza sobre sí esto es muy importante porque puede ser útil a la hora de generar materiales metálicos que puedan resistir alguna injerencia sin que se quiebre.

 Por lo general los materiales metálicos enviados a temperatura baja tienden además a recibir cambios en otro aspecto que es el llamado dureza, uno de los problemas de la dureza es la disminución de la flexibilidad intermolecular por lo que a menor grado de temperatura la vibración intermolecular disminuye, por lo que en un contacto físico o un movimiento brusco la libertad de movimiento de las partículas tiende a disminuir, y en vez de una alineación o deformación de la geometría del material lo que ocurre es una ruptura de la misma.

Con la evolución de la tecnología causado de manera prominente en el desarrollo tecnológico y técnico de la ciencia de los materiales dicha evolución y crecimiento han permitido comprender de mejor manera la forma en que se relacionan los materiales en sí, las consecuencias a futuro que se desprenden de cada interacción.

En ese sentido la fractología en la industria ferroviaria busca eliminar las debilidades que tienen las estructuras metálicas y de concreto además de las piezas mismas de la maquinaria, causadas por las fuerzas desiguales que se mantienen en interacción dicho procesos.

Fatiga

Ahora bien, (4) “cuando un componente estructural se encuentra sometido a tensiones variables con el tiempo puede fracturarse a tensiones mucho menores que aquellas que podría  soportar bajo la aplicación de una carga estática”.

En el caso de la construcción de vías ferroviarias esto ocurre con frecuencia, dados los criterios de evaluación de las rutas de las mismas los cuales tienen a ser más lineales que las autopistas, por lo que la topografía suele encontrarse con mayor número de fenómenos en su trayectoria.

Los puentes metálicos son por tanto muy frecuentes en sistemas ferroviarios enclavados en territorios tipo valle. La rotura por fatiga se caracteriza por la expresión concreta del uso, es decir la deformación en el metal es análogo y en razón a la tarea que dicho material usa, en la siguiente ilustración puede observarse un ejemplo:

[pic 1]

Ilustración 1 Imagen transversal de una ruptura por fatiga.

En la imagen en la región superior se puede visualizar un grupo de franjas que se desarrollan en razón de las características de las fuerzas desarrolladas por la comprensión y además en la parte inferior se observa una ruptura rápida del material.

En las tres zonas pueden observarse comportamientos distintos de la materia ante el momento no estático generado por el uso de los puentes, siendo que ya en la zona 3 el material no es capaz de soportar la presión y por tanto cede a la ruptura.

Por otra parte , es de ahí que se originan los estadios de fatiga, los cuales se desarrollan en razón de las fuerzas dinámicas del ferrocarril afectando todos los materiales que le compone, el primer estadio es en el que se origina la fisura, y no suele aceptar los patrones sino la resistencia a la fuerza vectorial ejercida en el material, a este estadio suele conocerse como iniciación.

Luego de ello, la fisura se modifica y busca desarrollar en función del crecimiento perpendicular al material, por lo que es el estadio más simétrico y en el que desarrollan curvas como las que se observaron, finalmente se encuentra un estadio Propagación acelerada en el que el material se comprime hasta alcanzar la estructura de grano, este proceso es tan acelerado que no es representativo en un análisis de la vida del material.

En el siguiente ejemplo se puede observar el eje de un ferrocarril, el cual es sometido a fuerzas axiales fluctuantes y por tanto es afectado por la cual sufre de fatiga simulado en programa PRO Engenieer (4).

...