Unidad 1 Diseño De Elementos Mecanicos

Descripción de los modos de falla.

Llamamos modo de falla al fenómeno o mecanismo responsable del evento o condición de falla. En este sentido, los modos de falla que en general pueden afectar a un componente estructural, son:

• Inestabilidad elástica (pandeo local o generalizado)

• Excesiva deformación elástica

• Excesiva deformación plástica (fluencia generalizada)

• Inestabilidad plástica (estricción, pandeo plástico)

• Fatiga de alto ciclo y bajo ciclo

• Corrosión, erosión, corrosión-fatiga, corrosión bajo tensiones, etc.

• Creep y creep-fatiga

• Fractura rápida (frágil, dúctil, mixta)

Los cuatro primeros modos de falla pueden ser atribuidos fundamentalmente a falencias en el diseño del elemento estructural (excepto en el caso en que la falla se produzca como consecuencia de una carga superior a las máximas previstas en el diseño). Los cuatro modos mencionados en último término, si bien pueden ser causados por un diseño incorrecto, obedecen muchas veces a factores introducidos durante las etapas de fabricación del elemento. En particular los problemas de fatiga, corrosión y fractura rápida suelen estar estrechamente relacionados con las operaciones de soldadura que se hayan utilizado.

Debe tenerse en cuenta que:

• Los componentes estructurales en general y los fabricados por soldadura en particular pueden experimentar fallas en servicio de distintos tipos.

• A veces estas fallas en servicio adquieren características catastróficas.

• La presencia de defectos en las uniones soldadas son muchas veces la razón de que se produzca una falla en servicio.

• La naturaleza de la discontinuidad que corresponde al defecto, determina en general para condiciones de servicio dadas, el tipo de falla que puede favorecer.

• A veces las fallas en servicio no obedecen a falencias de diseño sino a factores extrínsecos introducidos durante la fabricación del componente, particularmente a través de las operaciones de soldadura.  

Factores de Concentración de Esfuerzos por Carga Cíclica.

El factor de concentración de esfuerzos “Kf” usado para carga cíclica es en realidad igual o menor que el factor “K” estático y geométrico de concentración de esfuerzos, y los efectos combinados de la carga cíclica y la concentración de esfuerzos dependerá de la sensibilidad del material. La manera más efectiva de determinar este factor es por medio de pruebas experimentales del material en cuestión. El “índice de sensibilidad” o “sensibilidad de muesca” es una cantidad que define la sensibilidad de un material particular ante los efectos combinados de la concentración de esfuerzos y ante la carga de fatiga. Puede definirse como:

Donde Kf es el factor de concentración de esfuerzos por fatiga, k es el factor de concentración de esfuerzos solo por forma geométrica y q es el índice de sensibilidad el valor de q siempre se encuentra entre:0≤q≤1.0 Si el valor de q = 0, el valor de kf es 1. Si el valor de q = 1, el valor de kf es exactamente igual al factor de forma “K”. si el diseñador no está seguro de como determinar el valor del índice de sensibilidad, el uso del factor estático “k” dará una medida conservadora para el diseño. La tabla proporciona valores del índice “q” para algunos materiales de ingeniería típicos.

Factores de Concentración de Esfuerzos por Fatiga.

Muchas aplicaciones industriales llevan asociada una carga cíclica en lugar de estática y en ese caso, los materiales se romperán a tensiones mucho menores que aquellas que puede soportar la pieza bajo la aplicación de una única tensión estática. La fatiga es el fenómeno general de fallo del material tras varios ciclos de aplicación de una tensión menor a la de rotura.

Definición: rotura por fatiga se da como consecuencia de esfuerzos repetidos y variables debiéndose a un desmenuzamiento de la estructura cristalina, con el consiguiente deslizamiento progresivo de los cristales, con producción de calor.

El aspecto de las piezas rotas por fatiga presenta en su superficie de rotura dos zonas características que son:

-Una zona lisa, de estructura finísima y brillante: la rotura por fatiga se da después de un periodo relativamente largo.

-Una zona de cristales grandes, o de estructura fibrosa: cuando la rotura por fatiga se da instantáneamente debido a la disminución de sección.

Las circunstancias que influyen en la rotura por fatiga de un material metálico son:

-Estado de la superficie: el estado de esta tiene gran importancia sobre la rotura por fatiga.

-Variaciones de sección: el límite de fatiga se reduce por los cambios bruscos de sección no acordados con radios amplios, entalladuras de cualquier otra clase.

-Temperatura: en casi todos los materiales metálicos el aumento de temperatura por encima de cierto valor, disminuye el límite de fatiga.

-Tratamientos térmicos: las termones internas provocadas por tratamientos térmicos, crean localización de esfuerzos que pueden originar fisuras.

-Homogeneidad de la estructura cristalina: cuando la estructura no es homogénea puede suceder que los cristales más pequeñas, se acuñen entre las más grandes, originando fisuras y la consiguiente disminución de sección.

-Corrosión:

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