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reporte e investigacion de la materia mecanica
Tipo: Ejercicios
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Nombre del autor: Daniela Aracely Cruz Pérez Grado y grupo: 10 B Asignatura : Dirección De Equipos De Alto Rendimiento Profesor: Ilhuicamina González Hernández
Fecha de entrega: 17/10/
Objetivo:
El alumno identificará las principales fallas de los materiales para calcular las diversas cargas
Saber:
Identificar los conceptos y teorías de falla por cargas dinámicas.
Saber hacer:
Emplear los conceptos de fatiga, medición y prevención en elementos sometidos a esfuerzos repetidos.
En su mayoría, las fallas en las máquinas se deben a cargas que varían con el tiempo y no a cargas estáticas. Estas fallas suelen ocurrir a niveles de esfuerzo muy por debajo del límite elástico de los materiales. Por lo tanto, de manejar solo la teoría de fallas estáticas, puede llevar a diseños pocos seguros cuando las cargas sean dinámicas.
HISTORIA DE LAS FALLAS POR FATIGA
Este fenómeno se observó por primera vez en los años 1800, cuando empezaron a fallar los ejes de los carros de ferrocarril después de solo poco tiempo de servicio. Estaban fabricados de acero dúctil, pero mostraban fallas súbitas de tipo frágil. Para dar una respuesta a este fenómeno en 1843 Rankine postuló que el material se había cristalizado y hecho frágil debido a los esfuerzos fluctuantes.
Las cargas dinámicas eran entonces un fenómeno nuevo, resultado de la introducción de maquinaria movida por vapor.
Estos ejes estaban fijos a las ruedas y giraban juntos con ellas. Por lo que el esfuerzo a flexión en cualquier punto de la superficie del eje variaba cíclicamente de positivo a negativo.
La falla por fatiga ocurre debido a esfuerzos pequeños, los cuales se van haciendo cada vez mayor esa medida que las grietas alcanzan una longitud crítica, la fatiga siempre es una preocupación donde se presenten esfuerzos cíclicos.
La vida total de un componente o estructura representa el tiempo que le toma a una grieta para comenzar más el tiempo que necesita para propagarse por la sección transversal.
POR ESTO, LA VIDA ÚTIL SE MAXIMIZA CUANDO:
Minimiza los efectos iniciales , especialmente los defectos de superficie: se debe maquinar o pulir las superficies, para dejarlas lisas, luego hay que protegerlas para ponerlas en servicio.
Maximizando el tiempo de iniciación : los esfuerzos superficiales se presentan por una variedad de tratamientos superficiales, como el bruñido o el gramallado.
Maximizando el tiempo de propagación : es importante la característica del sustrato, especialmente las que retardan el crecimiento de la grieta. Por ejemplo, las grietas por fatiga se propagan más rápido a lo largo de los límites de las fronteras reticulares que a través de los granos (por que la disposición de los granos tiene un empaque atómico más eficiente).
Maximizando la longitud crítica de la grieta : la tenacidad a la fractura es un ingrediente esencial.
La mayoría de las fallas de los elementos de máquinas implican condiciones de carga que varían con el tiempo. Sin embargo, las condiciones de carga estática analizadas anteriormente son muy importantes, pues proporcionan la base para comprender el tema de la fatiga.
FATIGA. A menudo, se encuentra que los elementos de máquinas han fallado bajo la acción de esfuerzos repetidos; no obstante, el análisis revela que los esfuerzos máximos estuvieron por debajo de la resistencia ultima del material y con mucha frecuencia incluso por debajo de la resistencia de fluencia.
La característica más notable de estas fallas consiste en que los esfuerzos se repitieron un gran número de veces. Por lo tanto, a la falla se le llama falla por fatiga.
Cuando un elemento falla estáticamente, por lo general desarrollan una deflexión muy grande, puesto que el esfuerzo sobrepasó el limite elástico; por ello, la parte se remplaza antes de que en realidad ocurra la fractura. De esta manera la falla estática proporciona una advertencia visible. Pero una falla por fatiga no proporciona una advertencia. Es repentina y total y, por ende, peligrosa. La fatiga es un fenómeno complejo, consistente en la propagación de grietas en una micro escala al principio, y luego muy rápida a medida que las grietas alcanzan una longitud critica. Tres factores se requieren para que se dé una falla por fatiga. 1.- Un esfuerzo de tensión suficientemente grande. 2.- Una variación de esfuerzos de suficiente amplitud. 3.- Un número de ciclos de aplicación de la carga suficientemente elevado.
Existen otros factores tales como: concentración de esfuerzos, corrosión, esfuerzos residuales, esfuerzos combinados, etc., que pueden alterar la resistencia a la fatiga del elemento. En las fotos siguientes se ilustran estas fallas:
La determinación experimental de los límites de resistencia a la fatiga es ahora un procedimiento de rutina, aunque extenso y costoso. En términos generales, se prefiere realizar ensayos de esfuerzos a ensayos de deformación para determinar límites de fatiga. Se han analizado muchos datos de prueba real, proveniente de varias fuentes y se ha concluido que el límite a la resistencia a la fatiga, o de fatiga, puede estar relacionado con la resistencia a la tensión
RESISTENCIA A LA FATIGA
Para desarrollar un enfoque analítico, de la ecuación de la recta S–N será:
Supóngase que se tiene un esfuerzo completamente invertido σa el número de ciclos de duración correspondiente a este esfuerzo puede determinarse a partir de St = aNb sustituyendo σa por Sf.
En los experimentos a la fatiga, se suponen las mejores circunstancias para la obtención de vidas largas a la fatiga. No obstante, dicha situación no se garantiza en aplicaciones de diseño, así que el límite a la fatiga del componente se debe modificar o reducir a partir del límite a la fatiga del material en el mejor de los casos. Los factores de modificación que vamos a analizar aquí serán para cargar completamente alternante (σm = 0 ). El limite a la fatiga modificado se expresa como: '
Objetivo:
El alumno identificará las principales fallas de los materiales para calcular las diversas cargas
Saber:
Definir los Factores a tomar en cuenta para la prevención de la fatiga.
Saber hacer:
Utilizar los diversos esfuerzos aplicando las teorías de fallas de Soderberg y Goodman para la detección de fallas.
La fatiga de materiales es un proceso que conduce a una falla mecánica local, causada por una carga alternada, variable, y generalmente de un valor mucho menor que una carga estática que conduce a la ruptura. La falla mecánica puede caracterizarse por grietas, fisuras o ruptura completa después de un número suficiente de fluctuaciones. Observando la dependencia del material y de la geometría, se puede decir que la fatiga es local, progresiva y acumulativa. Mucho esfuerzo, tiempo e inversión en investigación y ensayos fueron demandados para entender y prevenir las fallas mecánicas debido a fatiga de material.
Estimación y cálculo de la vida en fatiga de materiales
El analista o experimentalista utilice las siguientes informaciones: geometría del componente, cargas aplicadas y propiedades de los materiales. Con esta información y una metodología adecuada, se obtiene la vida o durabilidad de los componentes. La imagen idealiza el flujo de información para la estimación de vida de fatiga de una muestra, componente o sistema.
Un dato importante para esta evaluación es la propiedad de material, obtenida a partir de ensayos. Hay tres propiedades del material principales: vida en función de tensión nominal, vida en función de deformación local y la relación tensión deformación cíclica.
para obtener las propiedades de fatiga del material fue elaborado originalmente por August Wöhler: un ensayo de flexión rotativa, donde se espera que la aplicación de carga sea similar a la de un eje rotativo cargado: toda la superficie de la muestra estará sometida a tracción y comprensión a cada ciclo.
La propiedad del material de vida en función de la deformación local está dada por una curva llamada E-N (Epsilon – N), donde E es la deformación local y N es el número de ciclos de carga hasta la falla. En este tipo de ensayo, la falla está dada por el inicio de la grieta y el ensayo es hecho para muestras estandarizadas. Las muestras utilizadas en este ensayo son de alta calidad, con superficie tratada para evitar tensiones residuales y pulidas. La premisa de ausencia de grietas iniciales es fundamental.
Cuando trabajamos con máquinas o equipos tenemos que ser conscientes de que sus piezas y componentes mecánicos están sometidos a cargas cíclicas o variables que pueden desencadenar en una rotura por fatiga. El proceso de fabricación, la tecnología empleada o los materiales son claves para evitar estos problemas.
POSIBLES CAUSAS DE UNA ROTURA POR FATIGA
La rotura por fatiga mecánica puede desencadenarse debido a algunas de las siguientes causas: Presencia de irregularidades o discontinuidades internas. Irregularidades originadas en los propios procesos de mecanizado de las piezas. Tipo de geometría de la pieza. Ésta influirá en la velocidad de propagación de la grieta. La influencia del medio: fatiga térmica y fatiga por corrosión.
Evitar las irregularidades estructurales o realizar modificaciones en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos vivos, llevará a una resistencia a la fatiga superior. Las dimensiones de la pieza también influyen, aumentando su tamaño obtenemos una reducción en el límite de fatiga. Mejorando el acabado superficial mediante el pulido, para evitar las pequeñas rayas o surcos que aparecen en la superficie de la pieza por acción del corte. Endurecimiento superficial mediante procesos de carburación y nitruración, en los cuales un componente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a temperaturas elevadas. Esta capa suele ser de 1 mm de profundidad y es más dura que el material del núcleo La tensión alterna o cíclica es otro elemento a tener en cuenta. Sus cargas actúan a un alto número de ciclos antes de que se produzca el fallo, siendo uno de los parámetros principales que intervienen en el proceso de resistencia a fatiga de los materiales. Una tensión media de tracción empeora el comportamiento a fatiga de los metales, ya que ensancha la grieta. En cambio una de comprensión la mejora. Aumentar el rendimiento mediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capa delgada superficial. El efecto neto es que la probabilidad de nucleación de la grieta y de rotura por fatiga se reduce.
Objetivo:
El alumno identificará las principales fallas de los materiales para calcular las diversas cargas
Saber:
Describir las teorías de fallas de Soderberg y Goodman, en los elementos mecánicos
Saber hacer:
Calcular las fallas en los elementos mecánicos para prevención de las mismas.
Criterio de Soderberg
Gráficamente el criterio se representa por un línea recta en el gráfico de tensión media frente a tensión alternante, denominada línea de Soderberg, que indica la frontera del fallo. Cualquier punto con una combinación de tensiones media y alternante a la izquierda de la línea resistirá, mientras que uno a la derecha de la línea fallará según este criterio.
El coeficiente de seguridad en el punto analizado se obtiene, de acuerdo con este criterio, mediante el cociente:
Ecuación Criterio de Goodman modificado Gráficamente el criterio se representa por un línea quebrada en el gráfico de tensión media frente a tensión alternante. Para tensiones alternantes elevadas la línea coincide con la del criterio de Goodman, mientras que para tensiones alternantes pequeñas, predomina la segunda ecuación anterior, representada por la línea de fluencia. Cualquier punto con una combinación de tensiones media y alternante a la izquierda de la línea quebrada resistirá, mientras que uno a la derecha de la línea fallará según este criterio.
El coeficiente de seguridad en el punto analizado se obtiene, de acuerdo con este criterio, mediante el cociente:
Objetivo:
El alumno identificará las principales fallas de los materiales para calcular las diversas cargas
Saber:
Identificar los tipos de fallas en los elementos mecánicos.
Saber hacer:
Categorizar los factores de fatiga por esfuerzos combinados para los elementos mecánicos
Análisis de fallos en componentes mecánicos
Las máquinas de procesos hemos seleccionado aquellos componentes más expuestos a averías y que suelen estar implicados en la mayoría de los fallos de los equipos:
**1. Rodamientos
AVERÍAS EN RODAMIENTOS
Los componentes más importantes de las máquinas. En condiciones normales el fallo de un rodamiento sobreviene por fatiga del material, resultado de esfuerzos de cortadura que surgen cíclicamente debajo de la superficie
corrosión, no sólo ocurre en la superficie en deslizamiento, sino también en las superficies de los elementos rodantes.
- Fatiga superficial: Es un fenómeno en el que se porducen pequeños agujeros con una profundidad aproximada de 0.1 mm sobre la superficie de rodadura debido a la fatiga rodante. - Corrosión: Es un fenómeno de oxidación o disolución que ocurre en la superficie metálica y es causado por la acción química (reacción electroquímica, incluyendo combinaciones o cambios estructurales) de ácidos o bases. - Daño por corriente eléctrica: Es un fenómeno en el cual la superficie del rodamiento es parcialmente derretida por chispas generadas cuando una corriente eléctrica pasa por el rodamiento y atraviesa la delgada película de lubricante en el punto de contacto rodante.
Daño secundario
- Desconchado (descascarillado): Es un fenómeno en el cual la superficie del rodamiento se torna escamosa y arrugada debido al desprendimiento del material, consecuencia del contacto repetitivo de un esfuerzo o carga sobre las superficies de rodadura de los aros y elementos rodantes durante la rotación. La presencia del desconche es una indicación de que está próximo el fin de la vida de servicio del rodamiento. - Roturas: Incluyen fracturas por deslizamiento, rajaduras y roturas
Objetivo:
El alumno identificará las principales fallas de los materiales para calcular las diversas cargas
Saber:
Reconocer los factores para la prevención de la fatiga por esfuerzos combinados.
Saber hacer:
Emplear los factores de fatiga por esfuerzos combinados para los elementos mecánicos.
El complemento de todos los esfuerzos el cual está sometidos los elementos de máquinas, y no a un solo tipo de esfuerzo, sino más bien a la interacción de esfuerzos de manera simultánea. Esto quiere decir que los esfuerzos que allí estén involucrados no deben exceder el límite de proporcionalidad del material.
El círculo de mohr es una gráfica de las combinaciones de los esfuerzos normal y cortante que existen en un elemento de esfuerzo, para todos los ángulos posibles de la orientación del elemento. Este método tiene validez especial en el análisis experimental de esfuerzos. Círculo de Mohr para el siguiente elemento mostrado El radio del mayor de los círculos da el esfuerzo cortante máximo en el punto Q. y su diámetro es igual a la diferencia entre σmáxy σmín, se escribe:τmáx= 12│σmáx - σmín│ En donde σmáxy σmín representan los valores algebraicos de los esfuerzos máximo y mínimo en el punto Q.
