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

La deformación elástica se presenta en los materiales básicamente mediante tres mecanismos: (1) por modificación de la distancia interatómica. Este es el mecanismo básico que predomina en los sólidos cristalinos metálicos y cerámicos; (2) por modificación de los ángulos de enlace. Este mecanismo de deformación elástica se presenta en sólidos cerámicos donde sea importante la participación del enlace covalente o dentro de cada una de las cadenas y mallas que componen los materiales poliméricos; y (3) por modificación de la distancia intermolecular. Este mecanismo predomina en los materiales poliméricos termoplásticos, donde las cadenas están unidas entre sí por enlaces secundarios. En la figura 2.4se muestran esquemas de los tres mecanismos básicos de la deformación elástica.

La deformación elástica real de los materiales es una combinación de los mecanismos descritos anteriormente, ya que en un mismo material se pueden encontrar tanto enlaces primarios como secundarios, lo cual es particularmente cierto en los materiales compuestos. En [ 2] se puede encontrar una introducción al estudio del comportamiento elástico de los materiales.

Amplitud, velocidad o aceleración fuera de rango se dan cuando los valores pico de estas magnitudes de vibración, están por fuera del rango esperado por el diseñador, lo que conlleva a experimentar eventos de falla, bien sea por elevados valores de estas variables o por ser muy bajos ( figura 2.2(b)). Los valores pico de amplitud, velocidad y aceleración de vibración son proporcionales entre sí, luego, un elevado estado vibratorio se puede detectar bien sea con sensores de posición, velocidad o aceleración.

Figura 2.4 Mecanismos de la deformación elástica

Fuente: elaboración propia.

Un estado vibratorio en el cual el espectro de las amplitudes de vibración tenga niveles pico inferiores a los de diseño db(t)figura 2.2(b)) generalmente origina malfuncionamientos en el equipo; por ejemplo, en bandas transportadoras vibrantes para minería, un bajo nivel de vibración puede hacer que no se transporte de manera eficiente el material particulado. Bajos niveles de vibración se pueden deber a: (1) una carga o una deflexión forzada de bajo nivel, (2) una elevada acción amortiguante en el sistema, (3) una frecuencia de excitación forzada muy alta o muy baja respecto a la frecuencia natural de vibración, (4) una elevada rigidez del sistema o (5) variación en la masa del sistema.

Un estado vibratorio en el cual el espectro de las amplitudes de vibración tenga niveles pico superiores a los de diseño da(t) > di(t) ( figura 2.2(b)), es un estado potencial de generación de fallas catastróficas, ya que las elevadas aceleraciones y deflexiones desembocan en altos niveles de esfuerzo. Este elevado estado tensional facilita los agrietamientos progresivos en los cuales la fatiga participa, también puede posibilitar la ocurrencia de fracturas súbitas, fatigas de bajo ciclaje (agrietamiento asociado con la deformación plástica cíclica), el ludimiento, la vibrocorrosión, entre muchos otros modos de falla. Altos niveles de vibración se pueden deber a: (1) una carga o una deflexión forzada de alto nivel; (2) una baja acción amortiguante en el sistema; (3) una frecuencia de excitación muy cercana a la frecuencia natural de vibración, es decir, en la condición de resonancia; (4) una baja rigidez del sistema; o (5) variación en la masa del sistema.

Frecuencia fuera de rango ocurre cuando los valores de la frecuencia de vibración de la pieza, equipo o estructura están por fuera del rango esperado por el diseñador, se pueden experimentar eventos de falla, bien sea por elevados valores de las frecuencias o por ser muy bajos ( figura 2.2(c)). Frecuencias de vibración inferiores a las esperadas desde diseño (fb < fi), en general, desembocan en malfuncionamientos de los equipos, como puede ser el caso de un motor de combustión a pistones que opere a una velocidad de rotación inferior a la de mínima o “ralentí”, lo cual amplifica las amplitudes de vibración. Frecuencias de vibración superiores a las de diseño (fa > fi) pueden generar fallas catastróficas, ya que están asociadas con altos valores de aceleración y, por lo tanto, de esfuerzos generados, lo cual puede desembocar en fallas por fractura o desgaste prematuras. Altas frecuencias también pueden provocar malfuncionamientos, como, por ejemplo, ruidos de alta frecuencia que afecten a los operarios. Frecuencias de vibración fuera de rangos están asociadas, principalmente, con frecuencias inapropiadas de excitación de las fuentes de vibración, por ejemplo, de las velocidades de rotación de los motores.

Cuando se tenga un estado vibratorio en el cual las amplitudes, velocidades, aceleraciones y las frecuencias de vibración experimenten constantes cambios, se habla de que se tiene un estado no estacionario de vibración ( figura 2.2(d)). Estos estados pueden originar mal funcionamientos o fallas catastróficas. La ocurrencia de fallas catastróficas está asociada con que se pueden presentar picos importantes de esfuerzo en el estado no estacionario, lo cual puede desembocar, por ejemplo, en agrietamientos o desgastes prematuros. Los estados no estacionarios se presentan especialmente porque la fuente excitadora de la vibración también presenta un estado no estacionario, lo cual hace que los estados transitorios de vibración, que son los derivados de la vibración amortiguada no forzada, no desaparezcan con el tiempo.

Cuando los niveles de vibración y sus esfuerzos asociados son muy altos, es posible que la vibración se dé en rango plástico, lo cual desembocará en una falla catastrófica por distorsión permanente del elemento, y/o fractura (súbita o progresiva), y/o desgaste prematuro, entre otras consecuencias. Las fracturas asociadas con la vibración en rango plástico, corresponden especialmente a las fatigas de bajo ciclaje. Si el lector no está familiarizado con la teoría básica de las vibraciones mecánicas, se recomienda consultar la lectura [ 3].

En este modo de falla las piezas afectadas en servicio experimentan una distorsión de su geometría o deformación plástica permanente, consecuencia de sobrepasarse el esfuerzo límite elástico del material (σE) sin llegar a fractura, es decir, sin superar el esfuerzo último (σU) ( figura 2.2(e), figura 2.5). Este modo de falla, por lo tanto, es súbito y debido a una sobrecarga (para el material, geometría y apoyos involucrados), ya que con una sola vez que se sobrepase el esfuerzo límite elástico, la distorsión permanente aparecerá.

Figura 2.5 Comportamiento del esfuerzo versus el tiempo en las fallas por deformación plástica

Fuente: elaboración propia.

2.2.3.1 Mecanismos de la deformación plástica

La deformación plástica de los materiales se puede dar mediante los mecanismos básicos del deslizamiento, el maclaje, el cambio de ángulos de enlace de moléculas, o por combinación de estos. La deformación plástica puede ser generalizada en la pieza o estar localizada en ciertas zonas. En los siguientes numerales se describen los mecanismos básicos de la deformación plástica.

2.2.3.1.1. DESLIZAMIENTO

El deslizamiento se presenta cuando átomos o moléculas dentro de un material se desplazan unas sobre otras de manera permanente, bajo la acción de un esfuerzo cortante o cizallante (τ), sin que desaparezcan las fuerzas de enlace entre estas.