Fracturas

Lección 5: Fracturas
Introducción
¡Bienvenido de nuevo!. Esta lección presenta las características de las
fracturas y las condiciones que las causan. Los productos Caterpillar
están diseñados para transportar cargas normales durante una vida
esperada, sin que se rompan. Cuando se rompen, generalmente, es el
resultado de un ambiente anormal más que del diseño, tratamiento de
material o proceso. Entender las características de las fracturas
ayudará a determinar si el producto o el ambiente fue la causa de la
avería, y determina las áreas específicas en que debe buscar la
información necesaria para encontrar la causa.
Esta lección trata acerca de las condiciones que permiten el desarrollo
de las fisuras. También, cubre las propiedades físicas del producto,
como la resistencia y la dureza, junto con los diferentes factores que
las afectan, como la carga, los puntos de tensión y la temperatura
(todos estos causantes de inicios de fracturas). También veremos si
las fisuras se desarrollan en los metales lenta o rápidamente y las
características de las superficies, que pueden usarse para clasificar las
fracturas.
Fig. 1.5.1

Objetivo
Al terminar esta lección, el estudiante tendrá la capacidad de:
1. Identificar los signos de camino de los tres tipos de fracturas y
explicar cómo sucede cada una.
2. Distinguir entre los diferentes tipos de fatiga de ciclo bajo y
alto.
Material de referencia
Principios de fracturas SEBV0552
Principios de fracturas SESV8019
Unidad 1 1-5-2 Diagnósticos de la Máquina
Lección 5

Fig. 1.5.2
La resistencia del metal y la carga determinan cuánto tiempo
funcionará correctamente una pieza. Las piezas están diseñadas para
transportar las cargas sin que se rompan. Una carga mas allá de las
especificaciones, o el daño físico de la pieza (rayones, desgaste de
pasadores o ranuras, sobrecalentamiento, etc.), pueden causar una
falla. Se dice que una pieza se rompe por el enlace mas débil de la
cadena.
Lección 5
Fig. 1.5.3
La resistencia del acero y del aluminio disminuye cuando la
temperatura aumenta. Al comienzo, la disminución en resistencia será
gradual. A temperaturas más altas, la resistencia comienza a disminuir
más rápidamente. Mientras cada metal tiene diferente resistencia a la
temperatura, todos pierden resistencia con el aumento de la
temperatura. Si ocurre un sobrecalentamiento muy alto, las piezas
pueden perder su resistencia y rompersen con cargas normales.

Fig. 1.5.4
Este cojinete falló a temperaturas de operación mayores de 8700 C
(1.6000 F). A estas temperaturas, el acero de la biela perdió
resistencia y se quebró. Vea el mango de la biela oxidada, debido a
sobrecalentamiento. Cuando la biela se oxida, se producen óxidos de
diferentes colores. Los óxidos de color azul, amarillo, gris y azul
claro, indican que la temperatura llegó de 2600 C a 6500 C (5000 F a
1.2000 F). Después de 6500 C (1.2000 F), los óxidos son de color
negro. Los óxidos de color negro en el acero o en el hierro fundido
indican que se alcanzaron temperaturas extremadamente altas.
Lección 5
Fig. 1.5.5
Caterpillar diseña todos los productos para resistir las cargas
aplicadas más altas y para que se desgasten antes de que se rompan.
Esta gráfica muestra la capacidad de transportar carga de un material
contra el número de ciclos de carga aplicada. Si la pieza se carga por
debajo del límite de resistencia, esta se desgastará. Si la pieza se
carga por encima del límite de resistencia (por ejemplo, arriba de la
carga permitida para esta pieza), la pieza fallará. El tiempo de la falla
depende de la cantidad de sobrecarga. Si la carga es la mitad del
límite de resistencia, el material de esta aplicación tendrá un factor de
seguridad de dos. Los defectos de material o los daños físicos de una
pieza también afectan la vida útil de la pieza. Los productos
Caterpillar tienen factores de seguridad amplios para compensar los
defectos de material normal, los problemas de fabricación y los
problemas de aplicación en campo.

Fig. 1.5.6
Cuando las piezas se rompen, cada cara de la fractura tendrá
características especiales. Algunas veces, estas características se ven
más claramente en una cara de la fractura que en otra. Cinco factores
básicos de la fractura deben revisarse para estudiar estas
características.
1. Puntos de tensión (o concentraciones de esfuerzo): son
irregularidades físicas (fisuras, ranuras, bolsas, defectos,
roscas, ranuras de llaves, etc) en una pieza que concentra
tensiones existentes.
2. Sitios de iniciación: son localizaciones de inicio de las fisuras,
o la primera parte en donde el material se rompió. Un punto
de tensión generalmente se encuentra en el sitio de iniciación.
3. Fractura final: es simplemente la localización final de la fisura
o la última parte en que se rompió el material.
4. Cargas de choque y sobrecargas: producen fisuras rápidas que
generalmente son rugosas al tacto y son resultados.
5. Si las cargas cíclicas son muy grandes, o cuando se reduce la
resistencia de la pieza, pueden desarrollarse fisuras lentas que
generalmente son lisas al tacto y están asociadas con la causa
real.
Lección 5

Fig. 1.5.7
Esta fractura tiene un sitio de iniciación liso en la parte inferior, con
un crecimiento de la fisura lenta hacia arriba del orificio. Esto
debilitó la pieza, y el ciclo de carga siguiente sobrecargó el metal
restante, causando que la fisura aumentará en velocidad y rompiera la
pieza. Note la textura rugosa producida por la parte de la fisura
rápida.
Lección 5
Fig. 1.5.8
Puntos de tensión
Los puntos de tensión debilitan las piezas al concentrar los esfuerzos
en el área de la irregularidad, creando una sobrecarga localizada. El
incremento varía desde 1,5, para ranuras redondeadas, hasta 3 para
ranuras en forma de "v", y puede ser de 8 o más para fisuras de
superficie. En general, entre más saliente la irregularidad, mayor la
concentración de esfuerzo.

Fig. 1.5.9
Concentraciones de esfuerzo no deseables son el resultado de:
1. Aristas, orificios o muescas demasiado agudas,
2. Defectos significativos del material como inclusiones,
cavidades o fisuras grandes,
3. Problemas de manufactura tales como depresiones de forjado,
fisuras por inmersión o fisuras por rectificado,
4. Abuso físicos tales como rayones, cortes o estrías, y
5. Cualquier desgaste que produzca una concentración de
esfuerzo.
Las concentraciones de esfuerzo, como orificios, muescas, roscas,
hongos, etc., pueden compensarse por diseño, tratamiento térmico o
técnicas de moldeo.
Las concentración de esfuerzos debido a problemas de material,
problemas de proceso o abuso del cliente, pueden llegar a ser lo
suficientemente serias para causar fallas en los componentes, debido
a que no habrá suficiente factor de seguridad para tolerar estos
esfuerzos.
Los análisis de fallas deben buscar concentraciones de esfuerzos en
los sitios de iniciación de las fisuras, debido a que éstos
frecuentemente son "el eslabón más débil de la cadena".
Lección 5

Fig. 1.5.10
CARGAS
Las cargas se dividen en tres tipos generales:
1. Cargas de impacto
2. Sobrecargas
3. Cargas cíclicas.
Las fracturas pueden dividirse en tres tipos generales:
1. Quebradizas
2. Dúctiles
3. Por fatiga
Las cargas de impacto y las sobrecargas causan fracturas quebradizas
y dúctiles rápidas, con fracturas de caras rugosas, que generalmente
son resultados y no las causas reales.
Las causas cíclicas producen fisuras por fatiga, de crecimiento lento,
con fracturas de caras lisas, que inician en los puntos de esfuerzo y
están asociados generalmente con causas reales. El término
quebradiza y dúctil se aplica a las fracturas y no debe confundirse con
el concepto de material quebradizo y material dúctil. Estos términos
no tienen nada que ver con el tipo de material.
Lección 5

Fig. 1.5.11
Las piezas pueden cargarse en una variedad de modos, como tensión,
torsión o doblamiento; y en períodos de tiempo corto o largo. Las
cargas pueden aplicarse una sola vez o en forma repetida.
Las cargas por impacto son generalmente causadas por una operación
incorrecta del equipo o por la falla de otro componente, como
resultado de una carga de choque repentino contra la pieza. Esto
resulta en cargas extremadamente altas aplicadas casi
instantáneamente. La fractura producida puede ser quebradiza o dúctil
dependiendo de la dureza, temperatura o carga de la pieza, etc. Por
ejemplo, una carga por impacto ocurre cuando un pistón se agarrota y
se rompe. La biela golpea la camisa y el bloque, creando cargas de
choque altas que las piezas no puede resistir.
La sobrecarga generalmente es causada por aplicación incorrecta del
equipo, desperfectos del sistema o falla de un componente, que da
como resultado cargas adicionales en otro componente. Por ejemplo,
si uno de los pernos de la biela se rompe, el otro perno llevará la
carga completa, lo que sobrecarga el perno, crea tensiones y hace que
se rompa en una fractura dúctil. La sobrecarga sucede en un período
de tiempo más largo que la carga de impacto.
Las cargas cíclicas generalmente no causan fractura a menos que las
cargas sean mayores que el límite de resistencia, o que puntos de
esfuerzo anormales estén presentes, como un radio de arista de
sobremedida, escamas grandes de material, fisuras por proceso, etc.
Bajo estas condiciones, las cargas cíclicas pueden iniciar fisuras por
fatiga luego de un período de muchos ciclos. Frecuentemente, se
requieren cientos de miles a millones de ciclos de carga para producir
una fractura por fatiga. Debido a esto, es que las fisuras por fatiga se
llaman fisuras lentas.
Lección 5

Fig. 1.5.12
CARACTERÍSTICAS DE LAS FRACTURAS
Como se mencionó, las cargas por impacto y las sobrecargas pueden
causar fracturas quebradizas o fracturas dúctiles. Como lo muestra la
tabla, las fracturas quebradizas ocurren más en materiales duros,
cuando disminuye la temperatura, o con cargas típicas altas de choque
o cargas de impacto. Las fracturas dúctiles ocurren más
frecuentemente en materiales blandos, con muy poco o ninguna
concentración de esfuerzos, o con cargas bajas. Hay otros factores
que afectan los tipos de fracturas. Los más comunes se indican en la
tabla.
Lección 5

Fig. 1.5.13
Debe limpiarse apropiadamente la superficie de la fractura, antes del
análisis, de modo que puedan observarse claramente las
características. Evite métodos de limpieza abrasiva o corrosiva que
puedan destruir las caras. Los solventes, tales como el "estanisol" y el
"freón", limpian de aceite y de escombros las superficies de las
fracturas, sin dañar las caras.
Después de un secado con aire, el análisis de la fractura debe hacerse
con una lupa y, en buenas condiciones de luz. Cuando se observan las
superficies en las tres dimensiones, ayudará si se gira la fractura en la
luz, para variar las sombras y revelar más claramente las
características.
Después de completar el análisis, proteja las superficies la fractura
con aceite, grasa u otros inhibidores de corrosión, para evitar el
deterioro de la superficie. Si la pieza rota necesita empacarse y
llevarse a otro sitio para un análisis más profundo, empaque cada
pieza de forma adecuada, para evitar el daño durante el envío.
Lección 5

Fig. 1.5.14
Las fracturas quebradizas son generalmente el resultado de otra falla
y no están asociadas con la causa real. Este tipo de fractura progresa
muy rápidamente, separándose en fracción de segundo, y puede
aparecer cristalina debido a que se rompe a lo largo de los límites del
grano o a través de los granos, sin cambiar la forma de estos. Las
superficies de la fractura pueden ser rugosas al tacto. Si las piezas
rotas se ajustan de nuevo; la pieza deberá tener una apariencia como
la de la original, indicando que no hubo, o fue muy pequeña, la
deformación plástica durante la falla.
Los materiales trabajados (fraguados) que sufren fracturas
quebradizas, generalmente, dejan una coloración brillante en la
superficie y brillan como diamantes cuando se giran en la luz. Los
metales más blandos tienden a formar cheurones, superficies en
forma de "v" características que tienen forma de punta de flecha en el
sitio de iniciación de la fisura. Materiales más duros pueden formar
también cheurones, pero esto son muy difíciles de localizar sin el uso
de lupas o ángulos de iluminación adecuados.
Los materiales de fundición pueden sufrir fracturas quebradizas,
dejando fracturas opacas u oscuras. Los cheurones raramente se ven
en las caras de estas fracturas, haciendo que los sitios de iniciación
sean extremadamente difíciles de localizar.
Lección 5

Fig. 1.5.15
Esta pieza de hierro fundida fue golpeada; la carga de impacto creó
una fractura quebradiza. La superficie y la fractura rugosa y cristalina
no tiene cheurones que indiquen dónde se inició la fisura.
Lección 5
Fig. 1.5.16
Esta pieza de acero fraguada ha sido también golpeada; de nuevo, la
carga del impacto creó una fractura quebradiza. Note los cheurones
distintivos que señalan el inicio de la fisura. La cara de la fractura
tiene una textura rugosa, brillante y que destella.

Fig. 1.5.17
Las fisuras quebradizas crecen a través de cara a cara de la separación
(fisura) de las celdas unitarias, dentro de los granos o a lo largo de los
límites del grano. Cuando las fisuras se mueven a través de un grano,
cruzan el límite del grano y la fisura comienza en el siguiente grano.
Esto continúa muy rápidamente a través del metal hasta que se
rompe.
No hay deformación plástica. Las piezas rotas encajarán muy bien y
lucirán como la original, excepto por la fisura, debido a la separación
limpia de las celdas unitarias durante la falla. La superficie y la
fractura tiene muchas superficies de granos planos (cristales) que
reflejan la luz haciendo que la superficie de la fractura aparezca
brillante.
Lección 5
Fig. 1.5.18
Las fracturas quebradizas pueden ilustrarse mediante una baraja de
naipes. Hay muchos naipes separados o capas en una baraja. Los
metales están conformados de granos o cristales, cada uno de ellos
contiene miles de capas de celdas unitarias dispuestas muy juntas,
justo como las cartas de una baraja.

Fig. 1.5.19
El aluminio fundido, como en el faldón del pistón, desarrolla
fracturas características quebradizas cuando experimentan cargas de
impacto. Note los cheurones convergiendo al centro inferior de la
fractura. El examen del faldón del pistón en esta localización no
muestra acumulaciones de esfuerzos, pero parece que una biela o un
contrapeso del cigüeñal la ha golpeado.
Examinar las otras piezas asociadas con esta falla ayudará al analista
a determinar qué pieza falló primero.
Lección 5
Fig. 1.5.20
Este engranaje de motor se rompió seis meses después de la entrega.
El distribuidor creyó que la fabrica había apretado demasiado el
perno del retenedor central, haciendo que el engranaje se dividiera, o
que el engranaje era muy poco resistente y se rompió bajo carga
normal. La fractura es oscura y los detalles son difíciles de ver. Una
lupa y una luz adecuada se necesita para inspeccionar la superficie de
la fractura en busca de los hechos.

Fig. 1.5.21
Los cheurones en este engranaje de sincronización del Motor 3306
indican que una fractura quebradiza inició en la raíz de uno de los
dientes y creció rápidamente a través del cuerpo del engranaje.
Conociendo esto, el analista debe buscar por evidencia de material
extraño en el tren de engranajes o alguna otra fuente de carga de
impacto.
Lección 5
Fig. 1.5.22
Fracturas dúctiles
Las fracturas dúctiles son causadas por sobrecargas excesivas y
generalmente aparecen distorsionadas, dobladas, giradas, sin cuello, o
de cualquier forma, cambiada en tamaño, de modo que la pieza no
luce como la original. Esta deformación plástica produce una
superficie de fractura que es rugosa y veteada, atrapando la luz y
produciendo una apariencia oscura sin brillo. Generalmente, un corte
filoso de metal de cerca de 45 grados se presenta alrededor del borde
exterior de una fractura dúctil. Las fracturas dúctiles son mas rápidas
que las fracturas por fatiga, pero más lentas que las fracturas
quebradizas, y son generalmente el resultado de otros problemas.

Fig. 1.5.23
Esta sección de biela se sobrecargó hasta que falló. La fractura tiene
una superficie oscura, rugosa en el centro, con cortes de cizalla
alrededor de los bordes, lo cual es una características de las fracturas
dúctiles. Hay áreas de daños de impacto secundario que han destruido
la superficie de la fractura original en varios sitios. Este cizallado del
metal, después de la fractura, no debe confundirse con una cara de la
fractura.
Lección 5
Fig. 1.5.24
Las fracturas dúctiles ocurren a medida que los granos de metal tratan
de ajustarse a la sobrecarga y cambian la forma en un esfuerzo por
transportar la carga adicional. Ya que la carga se aplica en forma más
lenta que una carga de impacto, los granos tienen tiempo de ajustar la
carga. Cada grano cambia de forma en un proceso conocido como
deslizamiento. Las capas de las celdas unitarias se deslizan unas
sobre otras, pero no se rompen inmediatamente. A esto se llama
deformación plástica o flujo plástico. Eventualmente, la carga se
sobrepone al metal y el grano se separa.

Fig. 1.5.25
Una baraja de cartas se usó como ejemplo de lo que sucede en una
fractura de separación de un grano de metal. La deformación plástica
de un simple grano de metal puede también ilustrarse con una baraja
de cartas. A medida que la carga excesiva se aplica, las capas de las
celdas unitarias representadas por las cartas se deslizan unas sobre
otras cambiando la forma del grano. Eventualmente, la carga excede
la resistencia del metal y el grano se separa. ¿ El cambio de la forma
del grano, qué características producen en una superficie de fractura
dúctil?
Lección 5
Fig. 1.5.26
Cuando los metales se separan bajo tensión, las piezas experimentan
tensiones uniformes al comienzo y luego se angostan más
rápidamente en algunos puntos. Entonces, el área de núcleo central
comienza a separarse y se abren pequeñas fisuras llamadas
"microcavidades". A medida que la tensión interna aumenta, las
microcavidades crecen y se unen unas con otras en un proceso
llamado "coalesencia de microcavidades". El metal en el perímetro
delgado en la región del cuello abajo es el que queda para transportar
la carga en aumento, este cuello se cizalla y produce el filo de corte.

Fig. 1.5.27
Este perno se rompió bajo la cabeza en una prueba de tensión en una
cuña de 6 grados. Observe que el enlace más débil de la cadena fue la
primera rosca base después del eje, la cual es un punto de esfuerzo
normal. Un filo de corte más grande en un extremo es el resultado de
la carga descentrada producida por la cuña.
Lección 5
Fig. 1.5.28
Una inspección con lupa reveló que la textura de la superficie está
rugosa y veteada y un pequeño filo de corte se extiende alrededor de
la parte lateral de la fractura. La superficie no aparece oscura en esta
diapositiva debido a la luz necesaria para tomar la fotografía.

Fig. 1.5.29
Este perno de biela falló en la parte central del eje, y tiene un color
muy oscuro. La fisura muestra alto flujo plástico en donde el área de
sección transversal se reduce, o del cuello hacia abajo. La superficie
de la fractura es rugosa y veteada, con un filo de corte grande. La
apariencia oscura, rugosa y veteada de la fractura, más la
deformación plástica y la presencia de filo de corte indican dos cosas:
1. Es una fractura dúctil de crecimiento rápido y,
2. Es el resultado de una sobrecarga - el analista necesitará
determinar la fuente de la sobrecarga.
Lección 5
Fig. 1.5.30
Fracturas por fatiga
Las fracturas por fatiga frecuentemente están asociadas con la causa
real de la falla. Las fracturas por fatiga pueden seguirse a sus sitios de
iniciación, mirando las marcas de trinquete y los puntos en donde
irradian las marcas de playa. El sitio de iniciación de una fractura por
fatiga debe examinarse cuidadosamente en busca de fisuras
anteriores, inclusiones u otras formas y acumulaciones de esfuerzo. Si
se identifica una acumulación de esfuerzo, el analista generalmente
encontrará dónde está el lugar responsable de la falla. Las fisuras por
fatiga crecen lentamente, dejando una superficie de fractura lisa que,
generalmente, es más brillante que la fractura dúctil o quebradiza. En
estas fracturas, las marcas de playa están presentes, aunque no
siempre.

Fig. 1.5.31
El sitio de iniciación de la fractura pueden tener marcas de trinquete,
indicando cargas o concentraciones de esfuerzo muy altas. Las
marcas de trinquete indican sitios de iniciación múltiple, las fisuras
crecen hacia dentro hasta que se unen formando un frente de fisura
única. La fisura crece con cada carga de ciclo, hasta que ocurre un
cambio de carga, lo cual forma una marca de "playa" o una "línea de
arresto de fisura", visibles a simple vista. Si no hay cambio de carga,
no se formará la marca de playa. Las marcas de playa irradian hacia
afuera, lejos del origen de la fisura, como ondas en una superficie de
un lago cuando se lanza una piedra, y ayudan a identificar el sitio de
iniciación de la fisura. Finalmente, la pieza está demasiado debilitada
para transportar la carga y finalmente ocurre la fractura. La fractura
final puede ser quebradiza o dúctil. Observe que un pequeño filo de
corte puede estar presente, si la fractura final es dúctil.
Lección 5
Fig. 1.5.32
Esta fractura por fatiga claramente muestra marcas de playa saliendo
del sitio de iniciación, con una fractura final quebradiza, indicada por
los cheurones radiando hacia afuera de la última marca de playa.

Fig. 1.5.33
Una mirada mas de cerca a la fractura de la punta de eje del equipo
968B, muestra marcas de playa y marcas de trinquete en la porción
de la fractura por fatiga, y los cheurones en la porción de la fractura
quebradiza final de la falla. Es fácil ver la diferencia en la superficie
rugosa entre la "fractura por fatiga por flexión", de crecimiento lento,
y la fractura final quebradiza, rápida.
Lección 5
Fig. 1.5.34
Este aumento de las marcas de trinquete en la superficie de la fractura
de la punta de eje, claramente muestra entre ellas el crecimiento de
las fisuras por fatiga individuales. Las marcas de playa están
creciendo hacia dentro de la superficie en niveles diferentes,
produciendo entre ellas las marcas de trinquete. A medida que las
fisuras continúan creciendo, estas se juntan y forman una fisura única.
Note que no hay defecto de material y no hay prefisuras en la
superficie. La fatiga parece haberse iniciado directamente en el borde
de la punta del eje.

Fig. 1.5.35
Antes de completar el análisis de esta falla, asegúrese de examinar
ambas mitades de la fractura, debido a que los detalles pueden
haberse dañado en una cara de la fractura, pero pueden haberse
preservado en la otra. En este caso, observando la otra cara de la
fractura, sólo confirma los signos de camino que se encontraron en la
primera cara. La fatiga parece haberse iniciado en la superficie al
borde. Necesitan obtenerse datos a cerca de la carga de la pieza para
determinar si un mal alineamiento, o alguna otra condición, puso
cargas anormalmente altas en el eje.
Lección 5
Fig. 1.5.36
¿Qué tipo de fractura ocurrió en esta biela? (Fatiga)
¿Donde se inició la fisura? (en el área central arriba)
¿Dónde está localizada la fractura final? (En ambos lados)
¿Por qué inició la fisura? (No se puede ver en ésta fotografía-- se
necesita un aumento del área del sitio de iniciación)

Fig. 1.5.37
El aumento de esta pieza muestra que la fisura comenzó en la base de
una letra de identificación forjada en la biela. Si la carga fue normal,
la causa principal pudo ser un problema de proceso. En este caso, el
forjado colocó dos letras de identificación demasiado cerca una de la
otra y plegó material entre ellas, creando una concentración de
esfuerzos.
Lección 5
Fig. 1.5.38
Este eje se rompió debido a una fractura por fatiga que inició en la
parte del área central inferior. Las marcas de playa muestran que la
fisura progresó hacia arriba en ambos lados, y la fractura final ocurrió
en la parte superior.

Fig. 1.5.39
El aumento de éste sitio de iniciación revela que la concentración de
esfuerzo estuvo en una ranura en la superficie exterior. La
comparación de la pieza rota con una pieza nueva, o con una pieza
usada en buenas condiciones, indicará si la ranura fue diseñada
inicialmente o fue producida por desgaste. Si la ranura fue producida
durante la operación, determine qué causó el desgaste. Si la ranura
fue diseñada, investigue la alineación y los factores de carga antes, de
decidir que la culpa de la falla fue de la pieza.
Lección 5
Fig. 1.5.40
¿Qué tipo de fractura ocurrió en este perno? (la limpieza con esferas
de vidrio destruyeron muchos hechos, pero debido a la superficie lisa
y plana se sospecha de una fractura por fatiga). Es importante limpiar
cuidadosamente las fracturas de modo de que no se destruyan los
sitios de iniciación y los puntos de concentración de esfuerzo. No use
limpiadores o técnicas abrasivas o corrosivas cuando prepare piezas
para el análisis de fallas.

Fig. 1.5.41
Cualquier componente que gire con una carga por flexión aplicada,
puede experimentar un tipo único de fatiga llamada "fatiga por
flexión y rotación". Ya que las cargas de flexión colocan los esfuerzos
de tensión más altos en la superficie de la pieza, las fisuras por fatiga
crecen mas rápidamente alrededor de la superficie que a través del
centro de la pieza. Esto produce marcas de playa que hacen que la
fractura final parezca el sitio de iniciación. A medida que la fisura
progresa, ésta puede fisurar todo el camino a través del perímetro de
la pieza antes de que crezca muy rápidamente hacia el medio. Cuando
la fisura alcanza el diámetro externo, ésta gira y se devuelve hacia el
sitio de iniciación, produciendo una fractura final en alguna parte por
debajo de la superficie. La fractura final está generalmente rodeada
con marcas de playa muy distintivas, y parece un desperfecto grande
de material.
Lección 5
Fig. 1.5.42
Muchos ejes experimentan cargas de flexión y rotación. Este eje de la
bomba hidráulica se fracturó por debajo del cojinete del rodillo
debido a cargas de flexión y rotación.

Fig. 1.5.43
Un buen modo de comenzar es un examen visual de ambas
superficies de la fractura. El eje falló por fatiga (las marcas de playa
están presentes y la superficie de la fractura es plana y lisa), y la
fractura final está moviéndose hacia el centro.
Lección 5
Fig. 1.5.44
La superficie de la fractura muestra “marcas de camino” típicos de
una fractura por fatiga por flexión y rotación. La fractura inició en la
parte inferior y creció muy lentamente hacia la parte superior. Las
marcas de playa muestras que la fisura creció mas rápidamente
alrededor del perímetro y se devolvió alrededor de la fractura final.
La fractura final en la parte superior es una fractura de corte por
torsión. Observe como claramente las marcas de playa están cerca a
la fractura final y cómo se dificulta ver el sitio de iniciación. Es muy
fácil pensar que la fractura final es realmente un defecto de material
de su superficie, con marcas de playa creciendo lejos de ésta. Pero si
este fuera el caso, no habría otra área que pudiera ser la fractura final.

Fig. 1.5.45
Un modo de identificar las concentraciones de esfuerzos, es colocar
nuevamente las dos piezas rotas juntas y observar en busca de
muescas, fisuras u otras irregularidades físicas. Evite colocar juntas
las caras de las fracturas, excepto para este tipo de inspección.
Las concentraciones de esfuerzo de este eje están en una ranura
cuadrada. La fractura por fatiga inició desde una de las esquinas en
donde una concentración de esfuerzo de cerca de 3,0 estaba presente.
La causa real se identificó en una ranura innecesaria. Se cambio el
diseño, eliminando esta ranura, y se solucionó el problema.
Lección 5

Fig. 1.5.46
Resumen
Luego de describir los tres tipos principales de fracturas, resumamos
ahora los pasos relacionados con recolectar y usar los hechos
obtenidos de las fracturas.
Primero, obtenga las piezas rotas y limpie las fracturas para un
cuidadoso examen final. Después, clasifique las fracturas como
quebradizas, dúctiles o por fatiga teniendo en cuenta que las fracturas
quebradizas y dúctiles están asociadas con daños resultantes, mientras
que las fracturas por fatiga están asociadas generalmente con las
causas. Revise la carga para verificar si hay cargas de ciclo en las
piezas que tienen fracturas por fatiga, y que se presentaron
sobrecargas o cargas de impacto en las fracturas quebradizas y
dúctiles.
Las fracturas por fatiga entonces se examinan de cerca para encontrar
los sitios de iniciación de la fisura y cualquier concentración de
esfuerzos. Recuerde siempre en observar si hay decoloración que
pueda indicar sobrecalentamiento.
Una vez identificado la concentración de esfuerzos, determine si es el
resultado es un defecto de material o del proceso, o una
concentración de esfuerzo debido a sobrecarga del diseño.
Lección 5

Fig. 1.5.47
Para identificar la causa más probable de una falla:
1. Piense cuidadosamente con los hechos recolectados
2. Responda la pregunta de doble verificación: ¿hay algún modo
que otro factor hubiera podido causar esta falla?"
La pregunta de "doble verificación" es un modo de recordar que se
deben obtener hechos ambientales relacionados con la temperatura, la
aplicación de carga, operación y mantenimiento. Por ejemplo:
1. ¿Cuál era la temperatura de los refrigerantes, lubricantes,
combustibles o aire de admisión?
2. ¿En qué trabajaba la máquina en el momento de la falla, o en
el mes o semana anterior?
3. ¿Es correcta la aplicación del producto?
4. ¿Cuál es el programa de mantenimiento?
Después de revisar todos estos hechos, se puede preparar una opinión
sobre la causa real de la falla.
Lección 5

Fig. 1.5.48
PRÁCTICA DE ANÁLISIS DE FALLAS
Es tiempo de usar los conceptos vistos con algunos ejemplos y
prácticas.
Lección 5
Fig. 1.5.49
La figura muestra tres pernos de biela rotos. Primero, busquemos las
fracturas y determinemos si son causas o resultados. El perno de la
izquierda está doblado y descabezado con indicios de flujo plástico
que indican que es una falla dúctil debido a sobrecarga, y esto es un
resultado. El perno de la derecha tiene una fractura poco
característica con una apariencia lisa causada por daño de corte de
impacto, lo que la hace un resultado. El perno del centro contiene una
superficie plana, lisa, que va de izquierda a derecha, con un filo de
corte en el extremo derecho. Este perno falló por fatiga, iniciando en
el lado izquierdo. A medida que la fisura se acercaba al lado derecho
del perno sobrecargado, falló con fractura final dúctil. Este es el
único perno de los tres que realmente causó una falla. Un examen
cuidadoso del perno puede revelar un defecto en el sitio de iniciación
de la fisura causado por un nudo del eje, en forma de diamante.

Fig. 1.5.50
Este grupo de piezas provienen de un motor que sufrió una falla
repentina. Una de estas piezas causó la falla. Las otras tienen
evidencia clara de que son un daño resultante. ¿Qué causó la falla?
1. El cojinete tiene sólo un corte de impacto y desgaste normal,
2. La parte superior de la biela tiene una fractura rápida
quebradiza/dúctil,
3. La pieza de la biela fue golpeada justo por encima de la cara
partida hasta cizallar la biela y muestra evidencia clara de
haber funcionado con un herraje flojo (redondeada en la parte
adentro del borde debido al golpeteo del cigüeñal).
No hay evidencia de temperatura alta o de falta de aceite y todas las
piezas tienen color normal. Parece que el perno de la biela falló por
fatiga permitiendo que la biela y la tapa se rompieran. El cojinete de
la biela flojo, se salió de su posición y se cortó en dos por la biela
floja cuando la tapa se abrió. La biela entonces se salió del cigüeñal,
golpeó el bloque, rompió la biela y paró el motor. Cuando se encontró
la causa real, se explicó al cliente cómo ocurrió el daño. Si la causa
real estuviera equivocada, no podría explicarse todo el daño.
Lección 5

Fig. 1.5.51
Esta camisa rota del cilindro es de un motor de camión con 725.000
Km (450.000 millas). El camión estaba subiendo una cuesta cuando
se soltó una biela y perforó el bloque. Después de completado el
análisis de la falla, se identificó la causa principal como una fractura
por fatiga de un pistón. ¿Es correcto el diagnóstico?
Respuesta: Es incorrecto. La superficie de la fractura en la camisa es
brillante lo que indica el resultado de un daño por impacto. Hay un
fuerte desgaste adhesivo en la camisa rota, indicando que el faldón
del pistón se agarrotó en la camisa. El desgaste adhesivo del faldón es
el resultado bien sea de una temperatura excesiva (espacio libre muy
pequeño o temperatura de combustión alta) o una transferencia de
calor inadecuada (problemas con el sistema de enfriamiento o de
lubricación).
Una fractura por fatiga de un pistón generalmente no está
acompañado de desgaste adhesivo, pero produce una falla repentina
catastrófica. El analista debe mirar los hechos en los sistemas de
enfriamiento, recordando que debe obtener hechos relacionados con
problemas de meses anteriores a la falla.
Lección 5

Fig. 1.5.52
Este ha sido un resumen de los principios de las fracturas básicas y de
cómo usar estos principios para obtener hechos, usando los ocho
pasos del análisis aplicado de fallas. Los hechos acerca de las
fracturas, desgaste, operación, mantenimiento y aplicación, producen
las pistas que lo llevarán a la causa real de la falla.
Sin los hechos, los analistas estarán confundidos y harán decisiones
incorrectas. LOS HECHOS HACEN LA DIFERENCIA.
Lección 5

Fracturas

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