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

Los elementos mecánicos son piezas de máquinas diseñadas para soportar cargas o deformaciones, bajo unas determinadas condiciones de radiación electromagnética o de radiación material incidente, de temperatura, de presión y de composición química del medio ambiente circundante, lo cual hace que se desarrollen varios modos de falla en el tiempo, que se pueden agrupar en cuatro familias básicas ( figura 1.5), estos modos aplican también a estructuras.

Figura 1.4 Ejemplo de un mecanismo de falla hipotético en la fractura de un cigüeñal de motor

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.5 Familias de modos de falla básicos de los elementos mecánicos y las estructuras

Fuente: elaboración propia.

Las fallas por deformación o distorsión se presentan, si bajo la acción de las cargas una pieza cambia su geometría de manera permanente (deformación plástica) o si su deformación elástica no es la esperada, bien sea por muy elevada o muy baja. Un estado vibratorio anormal en un equipo puede ser consecuencia de la evolución de modos de falla por deformación, fractura, desgaste o corrosión, sin embargo, también es posible tener fallas por vibración, lo cual indica que se tienen amplitudes, velocidades, aceleraciones o frecuencias de vibración fuera de rango, que pueden desencadenar la ocurrencia de los otros modos de falla. Las fallas por deformación y vibración se pueden agrupar en una misma familia, ya que la vibración es una deformación cíclica. Las fallas por fractura son modos de falla mediante los cuales se disgrega en dos o más fragmentos un elemento de máquina o estructura, lo cual ocurre como consecuencia de la generación y posterior propagación de grietas en la pieza bajo la acción de las cargas que experimenta. Las fallas por desgaste y las fallas por corrosión son modos de falla que remueven, agregan o desplazan material de la superficie de las piezas, modificando su estructura, enlaces químicos, composición química, geometría y dimensiones, dándose estos procesos bajo la acción de esfuerzos de contacto o deslizantes en el caso del desgaste, y por la acción química, electroquímica o de la radiación del medio que rodea una pieza en el caso de la corrosión. Dentro de los fenómenos de corrosión se incluyen también aquellos modos de falla, derivados de la modificación de propiedades de los materiales por la interacción con el medio ambiente, sin que necesariamente se haya dado modificación de la geometría o dimensiones de una pieza. Es posible tener sinergias entre modos de falla (acción conjunta), por ejemplo, fallas por corrosión fractura, donde cargas y medio corrosivo promueven la fractura de una pieza, o fallas por corrosión desgaste, donde se presenta modificación superficial de las piezas, por la acción combinada de esfuerzos de contacto y un medio corrosivo.

El evento final de un mecanismo de falla es el modo de falla final detectado dentro del proceso de falla, mientras que el evento inicial del mecanismo de falla corresponde a la fuente de la falla o causa física de la falla ( figura 1.3). Las fuentes generales de falla son las siguientes ( figura 1.6):

Figura 1.6 Fuentes de falla básicas de los elementos mecánicos y estructuras

Fuente: elaboración propia.

1.Deficiencias de diseño. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), debido a deficiencias en el proceso de diseño. Ejemplos comunes son, a saber: especificar concentradores de esfuerzos severos en las piezas; realizar una inadecuada selección del material, proceso o procedimiento de fabricación; no haberse realizado un estudio juicioso de las cargas por soportar; cálculos de dimensionamiento erróneos o incompletos; entrega de planos incompletos o errados al fabricante, etcétera.

2.Deficiencias de material. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que el material en el cual fue construido no posee la resistencia que especificó el diseñador. Esto se debe básicamente a una composición química del material alejada de las especificaciones, que genera problemas como contenido excesivo de inclusiones, o facilitación en la generación de segregaciones, o incapacidad de lograrse las propiedades mecánicas deseadas a través del proceso de fabricación escogido.

3.Deficiencias de fabricación. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que en su proceso de fabricación hubo deficiencias que hicieron que la pieza no quedara con la resistencia que especificó el diseñador. Ejemplos pueden ser: generación de concentradores de esfuerzo severos en la geometría de las piezas que no estaban especificados en planos; generación de esfuerzos residuales no deseables por inadecuados procesos de enfriamiento; ciclos termomecánicos que faciliten fenómenos de segregación; procedimientos de soldadura inadecuados que inducen discontinuidades; procedimientos inadecuados de tratamientos térmicos que generan agrietamientos y oxidación, etcétera.

4.Deficiencias de transporte. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), producto de deficiencias en el embalaje, medio de transporte, manipulación, etcétera, que atentan contra la integridad de los equipos; generando, por ejemplo, impactos, corrosión, desensamble, entre otros, durante el traslado de estos desde las fábricas hasta el lugar donde serán montados e instalados.

5.Deficiencias de montaje. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que durante su montaje o ensamble se incurrió en deficiencias que modificaron su resistencia o aumentaron las solicitaciones de servicio. Algunos ejemplos son los siguientes: desalineamientos que generan esfuerzos parásitos, inapropiada cimentación de una máquina que la hace trabajar en un alto estado vibratorio, montaje con golpes sobre las piezas que dañan sus superficies, etcétera.

6.Deficiencias de operación. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente que experimenta en servicio (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que estas solicitaciones son superiores a las especificadas por una inadecuada operación. Generalmente se presenta cuando el equipo se usa en una aplicación para la cual no fue diseñado o es sometido a condiciones severas de velocidad, carga, temperatura, medio ambiente, etcétera.

7.Deficiencias de mantenimiento. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente que experimenta en servicio (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que no se ejecutó una labor de mantenimiento en el momento adecuado o se hizo incompleta. Ejemplos son los siguientes: cambios de aceite superiores en tiempo a lo recomendado por el diseñador, recambio de piezas en tiempos superiores a los recomendados, uso de repuestos no probados y aprobados por el diseñador, etcétera.