Édgar Espejo Mora - Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos

Figura 2.1 Clasificación general de los modos de falla por deformación de componentes mecánicos

Fuente: elaboración propia.

Los modos de falla por deformación mencionados en las figuras 2.1y 2.2hacen 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.

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).