Análisis y Prevención de Fallas en Equipos Industriales

541421: ANALISIS DE FALLAS EN
EQUIPOS INDUSTRIALES
GABRIEL BARRIENTOS RIOS
MARIO RAZETO MIGLIARO
DEPARTAMENTO INGENIER´IA MEC´ANICA
Marzo 2014

Índice general
1. Introducción 9
1.1. Objetivos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2. Algunos casos destacados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1. Con participación de los autores . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2. Casos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2. Mecánica de Sólidos 17
2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2. Concepto de esfuerzo en un punto . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3. Comportamiento de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1. Ensayo de tracción uniaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3. Modos de Fractura 27
3.1. Aspectos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1. Mecanismos básicos de fractura . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2. Influencia del estado de tensiones en el tipo de fractura . 28
3.1.3. Fractura en barras cil´ındricas sometidas a tracción . . . . 30
3.2. Fractura de barras cil´ındricas sometidas a Torsión . . . . . . . . 30
3.3. Teor´ıas de falla a la fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4. Teor´ıa del Esfuerzo de Corte Máximo . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5. Teor´ıa de Energ´ıa de Distorsión Máxima . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5.1. Teor´ıa del Esfuerzo Normal Máximo . . . . . . . . . . . . 33
3.6. Teor´ıas de falla a la fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.6.1. Formación y propagación de grietas por fatiga . . . . . . 34
3.6.2. Ciclos de esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.6.3. Formación y propagación de las grietas por fatiga . . . . . 35
3.6.4. Parámetros que influyen en la ruptura a la fatiga . . . . . 38
3.6.5. Dimensiones y estado superficial de las piezas . . . . . . . 38
3.6.6. Resistencia a la fatiga y curva S-N . . . . . . . . . . . . . 41
3.6.7. Factor de superficie Cs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6.8. Factor de Carga Cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6.9. Factor de Tamaño Ct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.6.10. Efectos de la Concentración de Esfuerzos en el L´ımite de
Fatiga Kf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3

4 ÍNDICE GENERAL
3.7. Factor de Concentración de Esfuerzos de Fatiga Kf . . . . . . . . 45
3.8. Diferentes teor´ıas de la resistencias la fatiga . . . . . . . . . . . . 46
3.8.1. Esfuerzos Fluctuantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4. Metodolog´ıa del Análisis de Falla 55
4.1. Procedimiento General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2. Objetivo de la investigación de la falla . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3. Etapas de un Análisis de Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1. Recolección de antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2. Selección de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3. Preparación de muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.4. Análisis Metalográfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.5. Análisis qu´ımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.6. Ensayos mecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.7. Modelación numérica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.8. Planteamiento de hipótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4. Ejemplo de pauta de investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5. Ejemplo de cuestionario de investigación . . . . . . . . . . . . . . 65
5. Análisis, ensayos y estudios a realizar 73
5.1. Ensayos Destructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.2. Ensayos mecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2. Ensayos no destructivos END . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.1. Inspección con l´ıquidos penetrantes . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2. Inspección con part´ıculas magnéticas. . . . . . . . . . . . 79
5.2.3. Inspección por ultrasonido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.4. Ventajas del Ultrasonido Industrial . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.5. Inspección por radiograf´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.2.6. Análisis de vibraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.7. Termograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.8. Inspección por Emisión Acústica . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.9. Ferrograf´ıa directa (conteo de part´ıculas) . . . . . . . . . 86
5.2.10. Espectrofotometr´ıa de absorción atómica (detección de el-
ementos presentes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.11. Ferrograf´ıa anal´ıtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.2.12. Composición de part´ıculas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6. Identificación de Tipos de Fallas 91
6.1. Definición de modos de falla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1.1. Modos de falla presentados en la práctica . . . . . . . . . 93
6.2. Fracturas dúctiles y frágiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3. Fallas por fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3.1. Caracter´ısticas de las fracturas por fatiga . . . . . . . . . 96
6.4. Fallas en ejes sometidos a torsión . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.5. Picado (Pitting) y descascarado (spalling) . . . . . . . . . . . . . 102

ÍNDICE GENERAL 5
6.5.1. Picado Superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5.2. Picado Sub-superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.6. Fallas por Desgaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.6.1. Desgaste adhesivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.6.2. Desgaste Abrasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.7. Fallas por erosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.7.1. Erosión / Erosión-Corrosión . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.7.2. Erosión de un codo de tuber´ıa . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.7.3. Erosión por Cavitatión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.8. Fallas por corrosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.8.1. Corrosión Galvánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.8.2. Corrosión atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.8.3. Corrosión bajo aislamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.8.4. Corrosión cáustica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.9. Fragilidad de metales sólidos por condiciones ambientales . . . . 113
6.10. Fallas por daño con hidrógeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.11. Fallas por corro fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.12. Fallas por altas temperaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.12.1. Creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.12.2. Fatiga térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.12.3. Sobrecalentamiento rápido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
I Aplicaciones industriales 119
7. Uniones Apernadas 123
7.1. Cálculo de uniones apernadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.1.1. Consideraciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2. Pernos en tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3. Coeficiente de dilatación lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.4. Junta con empaquetadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.5. Pernos sometidos a cargas transversales . . . . . . . . . . . . . . 129
7.6. Resistencia de los pernos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.7. Fuentes de peligro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.8. Apriete de pernos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.9. Secuencia de apriete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8. Rodamientos 137
8.1. Definiciones básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.2. Vida útil de un rodamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.3. Fórmula de vida nominal ajustada . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.4. Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.4.1. Causas más comunes de falla . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.4.2. Ejemplos gráficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.5. Gu´ıas de investigación en una falla de un Rodamiento . . . . . . 153
8.6. Resumen fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6 ÍNDICE GENERAL
9. Engranajes 159
9.1. Fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.1.1. Engranajes rectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
9.1.2. Engranajes helicoidales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
9.1.3. Engranajes cónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9.2. Esfuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.2.1. Flexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.2.2. Picadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.3. Tipos de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.4. Clasificación según causa - mecanismo . . . . . . . . . . . . . . . 165
9.5. Ejemplos de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
9.6. Métodos de prevención de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.7. Materiales para engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9.8. Análisis de fallas existentes en engranajes . . . . . . . . . . . . . 167
9.9. Clasificación de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.10. Estad´ısticas de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.10.1. Tipos de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.11. Clasificación de fallas en engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . 175
9.11.1. Procedimiento del análisis de falla . . . . . . . . . . . . . 175
9.11.2. Procedimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
9.11.3. Relación entre la causa de la falla y el modo de falla . . . 176
9.12. Factores que influyen en las fallas en los engranajes . . . . . . . . 180
9.12.1. Lubricación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.12.2. Velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.12.3. Tensiones en el flanco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.12.4. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.12.5. Juego normal entre dientes o backlash . . . . . . . . . . . 182
9.13. Ejemplos de fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
10.Cables de acero 189
10.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
10.2. Clasificación de los modos de falla en cables de transmisión de
potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
10.2.1. Formas de fractura de un cable . . . . . . . . . . . . . . . 192
10.2.2. Desgaste del cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
10.2.3. Corrosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
10.2.4. Descarga eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
10.2.5. Deformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
10.2.6. Indentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
10.2.7. Doblado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10.3. Causas comunes de los modos de falla . . . . . . . . . . . . . . . 201
10.4. EJEMPLOS GRÁFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

ÍNDICE GENERAL 7
11.SOLDADURA 207
11.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
11.2. Fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
11.3. Inclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
11.4. Discontinuidades geométricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
11.5. Radiograf´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
12.Ejes 221
12.1. Ejemplos de fallas en ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

Cap´ıtulo 1
Introducción
1.1. Objetivos generales
Este texto representa un resumen de la experiencia como analista de fallas
de los autores. Muchos de los temas tratados son orientados en función de la
experiencia de los autores en temas de relevancia en la industria nacional. Los
temas son tratados principalmente desde el punto de vista de los conceptos
mecánicos asociados al análisis de fallas aun cuando en muchos de los ejemplos
mostrados se ha trabajado en estrecha colaboración con profesores de otras áreas
del conocimiento.
1.2. Algunos casos destacados
Como una forma de generar conciencia en los ingenieros dedicados a la man-
tención y/o diseño de elementos variados de máquinas y/o equipos, a contin-
uación se muestran algunos casos de fallas que puedan aportar un grano de
arena a los cuidados que se debe tener en esta área.
1.2.1. Con participación de los autores
Incidente en horno de industria qu´ımica
Algunas vistas gráficas del incidente se muestran en la figura 1.1. El in-
cendio duró varias horas y las consecuencias se resumen en pérdidas directas
(equipos dañados) e indirectas (pérdidas por no producción). Una cifra con-
servadora alcanza los US$ 20,000,000. El resultado del análisis de
falla evidenció falla por creep en soportes de tuber´ıa producido por problemas
de operación.
9

10 CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ´ON
Figura 1.1: Incendio en horno de industria Petroqu´ımica

1.2. ALGUNOS CASOS DESTACADOS 11
Desastre ecológico por derrame de Petróleo
Incidentes como el mostrado en la figura 1.2 donde se rompe una tuber´ıa de
descarga de Petróleo causa un daño ambiental de muchos alcances e involucra
grandes costos. El resultado del análisi de falla evidenció problemas de fabri-
cación en soldadura de la tuber´ıa, asociado a altos esfuerzos debido a desnivel
de fondo marino.
Figura 1.2: Derrame de petróleo al mar

Falla en Turbina de Turbogenerador
Una falla como la mostrada en la figura 1.3 implica una serie de gastos direc-
tos e indirectos que sumados llegan facilmente por sobre los US$10, 000, 000..
En este caso se fracturaron durante la puesta en marcha los álabes mostrados
en la figura cuya investigación determinó una falla en el material de sujeción de
los álabes que produjo la falla catastrófica mostrada en la figura. Dichos álabes
se soltaron y dañaron la carcaza de la turbina.
Figura 1.3: Turbogenerador de industria celulosa

Falla en Reductor de Turbogenerador
En una de las l´ıneas de producción de una celulosa ocurre una fractura de
uno de los dientes del piñón del reductor del Turbogenerador. La figura 1.4
muestra el reductor antes del desarme y el eje del piñón con el diente quebra-
do. La mepresa solicitó un estudio para ver laposibilidad de hacer funcionar el
equipo a menor carga. Si bien es cierto fue un incidente controlado (no catas-
trófico) los gastos asociados a la reparación del reductor alcanzan facilmente los
US$ 10, 000, 000. ya que involucra efectos tales como:
Valor de reparación
Pérdidas por no producción de energ´ıa
Lo anterior incluye también la compra de energ´ıa asociada a la falla
El tiempo de reparación. La empresa proveedora no dispone de este tipo
de reductores en el mercado, por lo que debe construirse en fábrica
HH de personal externo involucrado en acciones de desarme, montaje y
puesta en marchja
.....otros
1.2.2. Casos generales
Incendio en avion tripulado
LA figura 1.5 muestar un accidente ocurrido durante el aterrizaje de un
avión Boeing 707 producto de una falla en los pernos de sujerción de uno de los
motores. La investigación demostró una falla por fatiga. Las pérdidas humanas
y materiales son incalculables.
Daño en puente carretero
La figura 1.6 muestra la ubicación de uno de los muchos puentes coonstruidos
en la carrera austral de nuestro pais. En este caso se evidencia una grieta de
gran magnitud que amerita un rápido estudio para reparaciones adecuadas ya
que está en juego vidas humanas.

Figura 1.4: Reductor de industria celulosa

Figura 1.5: Accidente a´ereo

Figura 1.6: Viga principal de puente con grieta visible

Cap´ıtulo 2
Mecánica de Sólidos
2.1. Introducción
Definición 1. Digrama de cuerpo libre. Representación espacial esquemática
de todas las reacciones y cargas externas que actúan sobre un cuerpo o de una
parte de éste.
Definición 2. Equilibrio estático. Para que un cuerpo se encuentre en equilib-
rio estático se debe cumplir que la suma de todas las fuerzas que actúan sobre
él sea nula y que los momentos de las fuerzas también sean nulos respecto a
cualquier eje espacial.
Fi = 0
Mi = 0
Figura 2.1: a) Cuerpo sometido a la acción de dos fuerzas y b) cuerpo sometido
a la acción de tres fuerzas
17

18 CAPÍTULO 2. MEC ÁNICA DE S ÓLIDOS
Figura 2.2: Ejemplos de máquinas y o elementos sometidos a cargas externas
Las cargas dinámicas se originan debido a los cambios de velocidades de
los cuerpos. En estos casos las ecuaciones de equilibrio pasan a denominarse
ecuaciones del movimiento que para el caso de movimiento plano se pueden
escribir de la forma:
Fi = maG
Mi = Iα
donde m es la masa del cuerpo, aG es la aceleración del centro de masas, I es
el momento de inercia de masa, α es la aceleración angular del cuerpo.
El concepto de potencia P está dado por la relación:
P = Tω
donde T es el torque aplicado y ω es la velocidad angular del cuerpo
2.2. Concepto de esfuerzo en un punto
El esfuerzo es un vector que se mide en unidades de fuerza por unidad de
área. Se acostumbra a estudiar todos los tipos de esfuerzos que ocasionan de-
formaciones en los cuerpos:
esfuerzo axial: tracción y compresión
corte transversal o directo
torsión
flexión
De ellos los más significativos y son la torsión y la flexión.

2.3. COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES 19
Figura 2.3: Representación del estado de esfuerzos en un punto. a) 3D y b) 2D
2.3. Comportamiento de los materiales
Los esfuerzos que actúan sobre un cuerpo siempre deberán compararse con
los esfuerzos que resiste ese tipo de material. Para ello existen una série de
ensayos mecánicos normalizados que se realizan a cada material, entre los que
se destacan:
Ensayo de tracción uniaxial
Ensayos de dureza: Rockwell, Vickers, Brinell, Shore entre otros
Ensayos de impacto: Charpy, Izod y tracción al impacto
Ensayo de torsión
2.3.1. Ensayo de tracción uniaxial
La figura 2.4a muestra la forma en que se tracciona una probeta normalizada
en una máquina Universal de Ensayos. Se genera una tabla de valores para la
fuerza de tracción F y para el alargamiento L medido con algún instrumento
de precisión como un micrómetro. Esto permite determinar la deformación :
=
L − L0
L0
y el esfuerzo ingenieril σ:
σ =
F
A
donde A es la sección inicial de la probeta. La figura 2.4b muestra un detalle de
la curva tensión deformación obtenida en un ensayo de laboratorio.

Figura 2.4: A la izquierda se muestra una probeta normalizada que se monta
en una máquina Universal de Ensayos. Con los datos obtenidos en el ensayo se
construye la correspondiente curva Esfuerzo - deformación
Figura 2.5: a) Zonas caracter´ısticas de una curva esfuerzo deformación, b) For-
ma en que se puede determinar el punto de fluencia cuando no se encuentra
claramente definido

Figura 2.6: Curvas esfuerzo de formación. a) influencia de los tratamientos térmi-
cos clásicos, b) comparación entre material dúctil y material frágil

Figura 2.7: 1.Falla por tracción en material dúctil, 2a) Falla por compresión
dúctil y 2b) falla por compresión frágil, 3a) falla por flexión en material dúctil
y 3b) falla por flexión frágil

Figura 2.8: Flexión de vigas prismáticas. Distribución de los esfuerzos en una
sección transversal

Figura 2.9: Torsión de vigas circulares. a) efecto de la torsión, b) distribución de
esfuerzos de corte por torsión en una sección circular hueca y c) Concentrador
de esfuerzos en zona de chavetero cuando actúa torsión

Figura 2.10: Angulo de torsi´on para vigas con diferentes secciones transversales

Figura 2.11: Deflexión y rigidez en vigas de sección circular

Cap´ıtulo 3
Modos de Fractura
3.1. Aspectos generales
La fractura puede definirse como la separación o fragmentación de un cuerpo
sólido en dos o más partes bajo el efecto de tensiones. Desde el punto de vista
mecánico, se han clasificado a las fracturas en dúctiles y frágiles de acuerdo a
la deformación permanente producida en el material. El comportamiento de un
material determinado en cuanto al grado de ductilidad o fragilidad presentado,
depende fundamentalmente de los siguientes factores:
i) Tamaño y forma de la pieza
ii) Temperatura de operación
iii) Estado de esfuerzos
iv) Velocidad de deformación.
Existen algunos metales que presentan un comportamiento dúctil a altas
temperaturas y frágil a bajas temperaturas pudiéndose producir falla inesperada
en servicio cuando la temperatura es menor que una de transición.
En forma simple, se puede atribuir como causa principal de fragilidad de un
material, a la poca habilidad que presenta para resistir la propagación de una
grieta relajando los esfuerzos con deformación plástica local. Si el tiempo no es
suficiente para permitir esta relajación, la grieta se propaga rápidamente cau-
sando fractura frágil (carga de impacto). La capacidad de relajación de esfuerzos
disminuye, en general, al disminuir la temperatura.
Por otro lado, la presencia de esfuerzos triaxiales favorece el comportamiento
frágil, ya que se puede llegar primero al valor cr´ıtico de la fuerza cohesiva que
al esfuerzo de corte cr´ıtico que produce el deslizamiento.
3.1.1. Mecanismos básicos de fractura
Los metales se pueden fracturar debido a:
i) Fuerzas de corte que producen deslizamiento en ciertos planos cristalo-
gráficos (mecanismo dúctil)
27

28 CAPÍTULO 3. MODOS DE FRACTURA
ii) Fuerzas de tracción que producen clivaje o separación de planos cristali-
nos. (frágil)
En una fractura determinada, se pueden encontrar uno o una combinación
de estos mecanismos.
3.1.2. Influencia del estado de tensiones en el tipo de frac-
tura
Figura 3.1: Influencia del estado de tensiones en el tipo de fractura
En general el estado de esfuerzos en un punto, está definido por tres compo-
nentes de esfuerzo normal y seis componentes de corte. Existe una orientación
o direcciones principales, para las cuales sólo están las componentes de compre-
sión o tracción. De estas componentes o esfuerzos principales una corresponde al
mayor esfuerzo normal que hay en el punto y otro al menor, tomando la tercera
un valor comprendido entre los dos anteriores. A 45o
de los planos principales,
están los planos de esfuerzo de corte máximo. Estas ideas se muestran gráfica-
mente en la figura 3.1. Cuando bajo la acción de una carga, se llega a un punto
de fractura, los materiales muestran tres tipos de resistencia:
i) Resistencia a la deformación plástica por corte (flujo plástico)
ii) Resistencia última o de ruptura al corte (fractura dúctil)
iii) Resistencia cohesiva (esfuerzo normal para el cual se produce fractura
frágil).

3.1. ASPECTOS GENERALES 29
Figura 3.2: Esquema de falla para estado de esfuerzo plano y deformaci´on plana

Dependiendo del tipo de esfuerzos y de las resistencias propias de cada ma-
terial, se producirán fracturas frágiles o dúctiles. La figura 3.1 muestra como el
tipo de falla depende en gran medida del estado de esfuerzos involucrado. Se
puede apreciar que un sistema de carga torsional, favorece la ocurrencia de una
falla dúctil, mientras que un estado triaxial, como el que presentan las ental-
laduras, favorece la ocurrencia de fractura frágil.
La figura 3.2 muestra en forma esquemática las tensiones, planos de deslizamien-
to y superficies de fractura de un espécimen de sección rectangular, sometido a
tracción en condiciones de esfuerzo plano y deformación plana.
El efecto de Entalla. La presencia de discontinuidades en una pieza tiene gran
influencia en la distribución de esfuerzos provocada por las solicitaciones y por
lo tanto en el comportamiento a la fractura. La existencia de una entalla, pro-
duce un aumento localizado del esfuerzo (concentrador de esfuerzo), además de
inducir a un estado triaxial, lo que favorecen la ocurrencia de fracturas frágiles.
3.1.3. Fractura en barras cil´ındricas sometidas a tracción
En la sección transversal de la barra actúa el esfuerzo normal máximo, mien-
tras que en planos a 45o
actúa el esfuerzo de corte máximo, que es igual a la
mitad del esfuerzo normal máximo.
Si el material se comporta en forma frágil, la fractura se producirá por el
efecto del esfuerzo normal máximo en una superficie transversal a la barra (cli-
vaje).
Por otro lado las fracturas dúctiles se producen lentamente con una sepa-
ración final debido a esfuerzo de corte. En este caso las deformaciones son muy
importantes. En ensayos experimentales se ha observado que la nucleación de la
grieta está vinculada a la presencia de mayores o menores inclusiones. El pro-
ceso comienza con la formación de cavidades y las grietas comienzan cuando se
produce una estricción en el plano de menor resistencia. A medida que aumenta
la deformación, las cavidades crecen en el sentido de la deformación impuesta.
Las grietas se propagan a la superficie por los planos de corte máximos que
están a 45o
, configurándose una superficie cónica caracter´ıstica llamada copa de
fractura.
Estos procesos de fractura se muestran en la figura 3.3
3.2. Fractura de barras cil´ındricas sometidas a
Torsión
Cuando una barra de sección circular se somete a torsión, se producen es-
fuerzos de corte en secciones transversales y longitudinales y en planos a 45o
se producen esfuerzos normales de tracción y compresión máximos. Según las
caracter´ısticas del material, que se han mencionado anteriormente, la fractura
se producirá según alguno de los mecanismos descritos: dúctil o frágil. Se ilus-
tra (ver figura 3.4) claramente los distintos tipos de fractura (superior: fractura

3.3. TEORÍAS DE FALLA A LA FLUENCIA 31
Figura 3.3: Fracturas de barras cil´ındricas sometidas a tracción
frágil debido a esfuerzos normales, inferior: fractura dúctil debido a esfuerzos de
corte).
3.3. Teor´ıas de falla a la fluencia
En numerosos casos de elementos de máquinas, estructuras, tuber´ıas o es-
tanques, el estado de esfuerzo y deformación en puntos cr´ıticos puede ser muy
complejo. En estos casos se dispone de las fórmulas para determinar los esfuer-
zos principales en los diferentes puntos cr´ıticos, tratando a los problemas como
cargas combinadas de tracción, compresión, corte, torsión y flexión. Desde el
punto de vista del material se dispone de ciertos criterios de falla por fluencia
o por fractura según el tipo de material y el problema espec´ıfico a resolver. En
materiales dúctiles se utilizan principalmente los criterios de esfuerzo de corte
máximo y de energ´ıa de distorsión máxima y en materiales frágiles, se utiliza
principalmente el criterio de esfuerzo normal máximo. Estos criterios correspon-
den a las formas de falla de los materiales dúctiles y frágiles respectivamente.
Estos criterios consideran que un elemento falla cuando se alcanza la fluencia
en algún punto de una pieza.
3.4. Teor´ıa del Esfuerzo de Corte Máximo
Esta teor´ıa resulta de la observación de que en un material dúctil aparecen
los deslizamientos durante la fluencia a lo largo de los planos donde ocurren
los esfuerzos de corte máximos. La teor´ıa dice que siempre que se alcance un
cierto valor cr´ıtico de esfuerzo de corte en un material comienza la fluencia de
éste. Este valor es igual al esfuerzo de corte de fluencia en tracción o compresión

Figura 3.4: Fracturas presentadas en torsi´on de barra cil´ındrica

3.5. TEORÍA DE ENERGÍA DE DISTORSI ÓN M ÁXIMA 33
simple del material, por lo tanto se cumple :
τmax =| ±
σ1
2
|=
σ0
2
(3.1)
Al aplicar este criterio a un problema de esfuerzo plano biaxial, surgen dos casos
diferentes. En un caso los signos de los esfuerzos principales son iguales y en el
otro caso los esfuerzos principales tienen signo contrario.
Para el primer caso, se debe cumplir | ±σ1 |= σ0 y | ±σ2 |= σ0, ya que
σ3 = 0 es el mayor o el menor de los esfuerzos principales.
Para el segundo caso se debe cumplir | ±(σ1 − σ2)/2 |= σ0/2, ya que σ3 = σ0
no es ni el mayor ni el menor de los esfuerzos principales.
Una gráfica de estas ecuaciones se muestra en la figura 3.5. Si un punto de la
pieza analizada tiene esfuerzos tales de caer fuera del hexágono de la figura, el
material está en fluencia. Si cae dentro del hexágono, el material no fluye en ese
punto y se comporta elásticamente.
Este criterio de fluencia se conoce también con el nombre de criterio de
Tresca.
3.5. Teor´ıa de Energ´ıa de Distorsión Máxima
Este criterio es muy utilizado en materiales isótropos dúctiles y se basa en
el concepto de energ´ıa. En este enfoque la energ´ıa de deformación se divide en
dos partes: una asociada al cambio de volumen y la otra que causa distorsiones
por esfuerzo de corte. Igualando la energ´ıa de distorsión en el punto para un
elemento en fluencia en tracción simple a la energ´ıa correspondiente a esfuerzo
combinado, se establece el criterio de fluencia.
Igualando la energ´ıa de distorsión para un punto en un problema de cargas
combinadas con la energ´ıa de distorsión elástica máxima en tracción simple se
obtiene la ley básica para la fluencia de un material :
(σ1 − σ2)2
+ (σ2 − σ3)2
+ (σ3 − σ1)2
= 2σ0
Esta es la ecuación de una elipse cuya gráfica se muestra en la figura 3.5b.
Cualquier esfuerzo que cae dentro de la elipse indica que el material se comporta
elásticamente y si se cae fuera de la elipse, el punto se encuentra en estado
plástico. Este criterio se llama comúnmente Criterio de fluencia de Von Mises.
La comparación de las dos teor´ıa antes vistas se muestran en la figura 3.7. Se
puede observar que el criterio de corte máximo es más conservativo para el
material que el criterio de energ´ıa de distorsión máxima.
3.5.1. Teor´ıa del Esfuerzo Normal Máximo
Esta teor´ıa afirma que la falla de un material ocurre cuando el esfuerzo
normal máximo en un punto alcanza un valor cr´ıtico. El valor cr´ıtico del esfuerzo
es igual al esfuerzo de fluencia obtenido en un ensayo de tracción simple en una
probeta del mismo material.

Figura 3.5: (a)Criterio de falla basado en el esfuerzo de corte máximo, (b) Cri-
terio de von Mises, basado en la energ´ıa de distorsión máxima
Este criterio de falla difiere drásticamente de los dos anteriores en el caso de
que los esfuerzos principales (esfuerzo plano) tienen distinto signo como se puede
ver en la figura 3.7, En esa figura aparecen punteados resultados experimentales
para materiales dúctiles.
3.6. Teor´ıas de falla a la fatiga
Cada vez son más las partes de piezas que deben ser diseñadas usando el
criterio de fatiga. Los esfuerzos variables están casi siempre presente en las
máquinas. Ya en el año 1852 el ingeniero alemán Wholer afirmaba: El hierro
y el acero pueden romperse bajo un esfuerzo inferior, no sólo al esfuerzo de
ruptura estático, sino también inferior al l´ımite elástico, siempre que el esfuerzo
se repita un número suficiente de veces. El fenómeno de ruptura bajo cargas
variables se denomina Falla por Fatiga. Se acepta comúnmente que la falla por
fatiga comienza con la formación de una pequeña grieta o fractura que se inicia
en un punto (foco), donde existe un alto valor del esfuerzo (concentrador de
esfuerzos). Una vez iniciada la fractura, ésta se propaga hasta que la sección
resistente de la pieza disminuye a tal grado, que acontece la ruptura.
3.6.1. Formación y propagación de grietas por fatiga
Un gran porcentaje de las fallas que se producen en la industria se debe al
efecto sobre los materiales de la aplicación de cargas o esfuerzos fluctuantes y
repetidos (figura 3.8). Los materiales pueden fallar a esfuerzos muy inferiores a

3.6. TEORÍAS DE FALLA A LA FATIGA 35
Figura 3.6: Comparación de los criterios de Tresca y von Mises
los esfuerzos que producen una fractura o incluso inferiores al esfuerzo de fluen-
cia.
El fenómeno de ruptura bajo cargas repetidas de denomina falla por fatiga. Se
distinguen dos tipos de falla por fatiga, una de altos esfuerzos y bajo número
de ciclos (N < 1000), en que se sobrepasa el esfuerzo de fluencia y la falla
se produce por incremento de deformación y otra de menores esfuerzos y gran
número de ciclos (N > 1000), donde la propagación de las grietas se producen
a esfuerzos menores al esfuerzo de fluencia.
La superficie de la pieza fractura por fatiga de alto número de ciclos, normal-
mente presenta una forma caracter´ıstica, con dos zonas claramente definidas:
una zona lisa y brillante, con l´ıneas de avance que corresponde a la zona de
propagación de la grieta y una zona granulada que corresponde a la fractura
final. En la falla con bajo número de ciclos, la superficie es similar, pero la zona
de avance de la grieta no es necesariamente lisa.
3.6.2. Ciclos de esfuerzos
La figura 3.8 muestra distintos modelos t´ıpicos de esfuerzo variables los que
se presentan en máquinas y equipos, donde podemos ver esfuerzos totalmente
invertidos, esfuerzos fluctuante y esfuerzos irregulares y aleatorios.
3.6.3. Formación y propagación de las grietas por fatiga
En general el proceso de fatiga se divide en 3 fases:
1. Etapa primaria: de nucleación e inicio de la grieta.
2. Etapa secundaria: propagación de la grieta.
3. Etapa final: falla por ruptura.

Figura 3.7: Comparaci´on de los criterios de Tresca, von Mises y Esfuerzo normal
m´aximo
Figura 3.8: Modelos de cargas variables

La apariencia caracter´ıstica de una superficie dañada por fractura se puede
visualiza en la figura 3.9. Los puntos donde se inicia la fractura normalmente
están ubicados en la superficie, ya que en general es en estos puntos donde
normalmente se producen los mayores esfuerzos.
Los focos potenciales de inicio de una grieta se pueden clasificar en:
Anomal´ıas metalúrgicas, inclusiones, quemaduras y otras.
Anomal´ıas mecánicas, concentración de esfuerzos, defectos superficiales,
etc.
Anomal´ıas qu´ımicas, corrosión, oxidación y otros.
En ausencia de uno de estos focos, tal como ser´ıa el caso de superficies pulidas
de metales dúctiles, sin defectos metalúrgicos superficiales, el inicio de la grieta
se explica como un daño permanente y acumulativo en la microestructura o
topograf´ıa de la superficie de la pieza. La secuencia que se produce generalmente
en estos casos es la siguiente:
Formación de bandas de deslizamiento
Formación de extrusiones e intrusiones,
Propagación de grietas a partir de estos puntos.
La figura 3.9 muestra en forma esquemática el modelo propuesto por Catrell
y Hull para la formación de extrusiones e intrusiones.
Figura 3.9: Propagación de grietas
En general las grietas por fatiga tienen dirección ortogonal a las l´ıneas de
fuerza. Algunos ejemplos clásicos en grietas de chaveteros se muestran en las
figura 3.10. Variada literatura presenta casos generales como los mostrados en
la figura 3.11 que intentan mostrar el aspecto de la superficie de fractura cuando
existe fatiga bajo diversas condiciones de cargas.

Figura 3.10: Aspectos de grietas por fatiga
3.6.4. Parámetros que influyen en la ruptura a la fatiga
Forma en que se aplican los esfuerzos.
Frecuencia
En general se observa poca variación del l´ımite de resistencia a la fatiga con
la variación de la frecuencia de la carga.(2 %)
Forma de aplicación de los esfuerzos
Se ha comprobado que la historia de la carga de la pieza tiene gran impor-
tancia en la falla por fatiga.
Tensiones internas o residuales
La distribución de esfuerzos residuales se suma a la distribución de esfuerzos
causada por las solicitaciones externas. En general se puede decir que los esfuer-
zos residuales de tracción disminuyen la resistencia a la fatiga de un elemento,
en cambio los esfuerzos residuales por compresión contribuyen a aumentar la
duración de la pieza. En fatiga los esfuerzos residuales a los debido a las cargas
c´ıclicas pudiendo aumentar o disminuir su resistencia. La figura 3.12 muestra la
suma de esfuerzos residuales y esfuerzos de flexión.
3.6.5. Dimensiones y estado superficial de las piezas
Dimensiones: Se ha comprobado que las propiedades de resistencia mecánica
de una pieza, disminuyen a medida que aumenta el tamaño de la misma.
Este mismo fenómeno ocurre con la resistencia a la fatiga

Figura 3.11: Aspectos de grietas por fatiga en función de las cargas
Figura 3.12: Esfuerzos en flexión

Entallas y concentradores de esfuerzos: estas singularidades o discontinui-
dades producen aumentos localizados de los esfuerzos, lo que es equivalente
a una disminución de las propiedades mecánicas de la pieza en esos puntos
Terminación superficial: Las irregularidades en la terminación superficial
de una pieza, actúan produciendo el efecto de concentradores de esfuerzo
Temperatura: La temperatura tiene un efecto notable en la resistencia a la
fatiga. Piezas sometidas a esfuerzos c´ıclicos a temperaturas mayores que
las ambientales tienen una menor duración.
3.6.6. Resistencia a la fatiga y curva S-N
La resistencia a la fatiga intr´ınseca se obtiene en el laboratorio bajo las
siguientes hipótesis
Ensayo de flexión rotativa
Superficie pulida a espejo
Probeta de sección circular de 0,3” de diámetro
Sin presencia de esfuerzos residuales ni concentradores de esfuerzo
Los niveles de esfuerzos y respectivos ciclos de duración se grafican en un diagra-
ma bilogar´ıtmico, conocido con el nombre de curva S-N o diagrama de Wholer
(ver figura 3.13).
Se ha demostrado experimentalmente que los materiales ferrosos pueden resistir
un número infinito de ciclos si los esfuerzos están bajo un cierto valor l´ımite.
Para un esfuerzo completamente invertido, este valor l´ımite recibe el nombre de
l´ımite de resistencia a la fatiga (l´ımite de endurancia).
Haciendo ensayos de fatiga a la tracción para diferentes aceros, se obtuvo
una relación emp´ırica entre el valor de la resistencia a la ruptura (Sr) y el valor
l´ımite de resistencia a la fatiga (Sn).
Sn = 0,5Sr
En el caso de metales como el aluminio y otras aleaciones no ferrosas, no existe
un l´ımite de resistencia a la fatiga definido. Por este motivo, este valor se define
para un número de ciclos determinado. Para el Aluminio se considera para
N = 5 · 108
ciclos. Para el acero este valor se considera para N = 106
ciclos.
Dicho valor se modifica en función de los efectos de carga, tamaño y terminación
superficial principalmente. De esta forma, la resistencia a la fatiga de una pieza
de acero cualquiera, para N = 106
ciclos, está dada por:
Sf =
CcCtCsSn
Kf
(3.2)

Figura 3.13: T´ıpico gráfico de wholer para la resistencia a la fatiga de un acero
Figura 3.14: Factor de terminación superficial

3.6.7. Factor de superficie Cs
La figura 3.14 muestra valores para el coeficiente de superficie Cs para dis-
tintas calidades en función de la resistencia a la ruptura del acero.
3.6.8. Factor de Carga Cc
.
Para flexión rotativa o carga de flexión invertida.
La diferencia entre estos dos tipos de carga es que para el caso de flexión
rotativa, todos los puntos de la superficie van tomando el máximo valor
de esfuerzo, mientras que en el caso de flexión invertida, sólo los puntos
de la superficie más alejados de la l´ınea neutra toman el máximo valor de
esfuerzo.
Para un material ideal perfectamente homogéneo, el l´ımite de fatiga en
los dos casos deber´ıa ser el mismo, sin embargo, para materiales reales
sometidos a carga de flexión invertida, se deber´ıa esperar un pequeño
aumento de la resistencia a la fatiga respecto a carga de flexión rotativa.
Esta diferencia, en general, es menor a un 5 % por lo que en la practica,
para los dos casos:
Cc = 1
Carga Axial.
Todos los puntos tienen σmax
Cc = 0,9; sin excentricidad.
Cc = 0,6 → 0,85; con excentricidad intermedia.
Cargas de Torsión.
Las cargas torsionales difieren de las cargas de flexión en el estado de
esfuerzo producido. Basándose en teor´ıas de falla se recomiendan factores
de carga en torsión.
Cc = 0,58; Materiales dúctiles
Cc = 0,8; Materiales frágiles (se rompen por esfuerzo normal).
3.6.9. Factor de Tamaño Ct
Para cargas torsionales y flexionales, el l´ımite de fatiga disminuye al aumen-
tar el tamaño. Este factor se calcula para cargas de flexión y torsión en ejes de
sección circular mediante la siguiente expresión:
Ct = (d/7,62)−0,1133
para 2,79 < d < 51mm.

0,6 < Ct < 0,75 si d > 51mm.
Cuando la sección circular no está sometida a flexión rotativa o no se utiliza
una sección circular, es posible aplicar la ecuación anterior considerando una
dimensión efectiva o diámetro equivalente de.
3.6.10. Efectos de la Concentración de Esfuerzos en el
L´ımite de Fatiga Kf
Las discontinuidades de una pieza, ya sean geométricas o de estructura
del material producen aumentos localizados de esfuerzos. La teor´ıa de elasti-
cidad permite resolver algunos casos sencillos de concentradores de esfuerzos,
además existen métodos experimentales para evaluar los efectos de estas dis-
continuidades. En la mayor´ıa de los problemas simples, estos factores de con-
centradores de esfuerzos están tabulados en la literatura. En caso de cargas
estáticas, la importancia de los concentradores de esfuerzos depende del tipo
de material: En Materiales Dúctiles no tienen gran importancia, ya que pueden
producir fluencia localizada en los puntos de máximo esfuerzo, pero no compro-
meten a la pieza completa.
En Materiales Frágiles altamente heterogéneos, como el fierro fundido, tampoco
tienen gran importancia, ya que el material tiene en su estructura concentradores
de esfuerzo y su resistencia prácticamente no está influida por concentradores
de esfuerzos externos.
Figura 3.15: Concentradores de esfuerzo en la composición interna de un mate-
rial
En cambio, en Materiales Frágiles homogéneos, tienen gran importancia, ya
que la resistencia es reducida al valor que permite el material como máximo
valor de esfuerzo.
La figura 3.16 muestra un gráfico t´ıpico de factores de concentración de esfuerzos
teórico para un eje cil´ındrico con variación de diámetro y distintos diámetros de
fondo.

3.7. FACTOR DE CONCENTRACI ÓN DE ESFUERZOS DE FATIGA KF 45
Figura 3.16: Gráfico t´ıpico de factores de concentración de esfuerzos teórico
3.7. Factor de Concentración de Esfuerzos de
Fatiga Kf
Ensayos de laboratorio muestran que en muchos casos la disminución de
la resistencia a la fatiga causada por concentradores de esfuerzo es menor que
la predicha teóricamente. La razón por la cuál el efecto de concentración de
esfuerzos es menor que el teórico está asociada al gradiente de esfuerzo y al
tipo de micro estructura del material, de esta manera Kf tiende a ser igual
a Kt cuando el gradiente de esfuerzos no es muy importante como sucede en
entallas de gran diámetro. Por otro lado, Kf también tiende a ser igual a Kt en
materiales de grano fino, relativamente homogéneos.
En general el factor de concentración de esfuerzo a la fatiga se puede obtener
a partir del factor de concentración de esfuerzos teórico mediante la siguiente
expresión:
Kf = 1 + (Kt − 1)q
Donde q es el factor de sensibilidad a la entalla, el cual depende del material y
se puede obtener de literatura especializada en cálculo de fatiga.
q = 0 Material insensible a la entalla.
q = 1 Material completamente sensible.

(b)
Figura 3.17: Teor´ıas de falla por fatiga
3.8. Diferentes teor´ıas de la resistencias la fatiga
Algunas teor´ıas de falla presentadas en la literatura se muestran en la figura
3.18
La figura 3.19 muestra una superficie t´ıpica de fractura por fatiga. La parte a)
muestra las marcas de avance de la grieta (marcas de playa). Las flechas indican
la dirección del crecimiento del frente de grieta, cuyo origen se encuentra en la
parte inferior de la fotograf´ıa. La parte b) muestra las marcas de playa con muy
alta ampliación (x 1000), estr´ıas poco espaciadas formadas durante el avance de
la grieta por fatiga.
La grieta comienza con la formación de bandas de deslizamiento en el interior
del grano, la que fractura el grano y que es frenada en los l´ımites de gramo, luego
ésta traspasa los l´ımites de gramo y continúa creciendo. Los granos fracturados
se asocian entre si en un proceso de nucleasión llegando a formar micro-grietas
(ver figura 3.20).
La figura 3.21 muestra un ejemplo del porcentaje de vida de una pieza
sometida a fatiga en función del tamaño del defecto inicial. Para una superficie
totalmente pulida y material sin defectos, más del 95 % del número de ciclos
que producen una fractura se utiliza para hacer crecer una grieta hasta una
magnitud de algunos mil´ımetros, en caso de que el material contenga pequeñas
inclusiones este valor se reduce al 85 % y si la pieza comienza con grietas esta
se propaga rápidamente.
La relación entre el tamaño de la grieta y el número de ciclos para un material
pulido sin inclusiones, permite que una gran parte de los ciclos se consumen en
la nucleación de la grieta y solo un pequeño porcentaje en el crecimiento de ésta

3.8. DIFERENTES TEORÍAS DE LA RESISTENCIAS LA FATIGA 47
Figura 3.18: Fórmulas básicas usadas en teor´ıa de fatiga
Figura 3.19: Macrograf´ıa y micrograf´ıa de una falla por fatiga

Figura 3.20: Formaci´on de una grieta

Figura 3.21: Porcentaje de vida a la fatiga

una vez que alcanza dimensiones visibles. La figura 3.23 permite esquematizar
Figura 3.22: Longitud de grieta en función del número de ciclos
el porcentaje de vida de una pieza con diferentes defectos en función de una
sin defectos en . Se puede observar que una vez que la grieta es visible, se ha
consumido una gran parte de la vida de la pieza.
3.8.1. Esfuerzos Fluctuantes
Cualquiera sea el tipo de carga usado en el diseño de algún elemento de
máquinas, se pueden definir los siguientes esfuerzos:
σmax = Esfuerzo máximo
σmin = Esfuerzo m´ınimo
σm = σmax+σmin
2 = Esfuerzo medio
σa = σmax−σmin
2 = Esfuerzo alterno

Figura 3.23: Longitud de grieta en funci´on del porcentaje de vida

Esfuerzo Fluctuante = σm + σa
La figura 3.24 representa las definiciones dadas. Cuando se está en presencia
de diferentes tipos de esfuerzos fluctuantes diversas teor´ıas permiten estudiar el
problema siendo en la actualidad una de las más utilizadas la teor´ıa de Gerber
[4].
Figura 3.24: Forma en el tiempo de las cargas variables usadas en el diseño por
fatiga
La figura 3.25 representa la zona de diseño para cargas axiales de flexión en
Materiales Dúctiles usando el diagrama σm vs σa. La nube de puntos representa
resultados experimentales que se acercan más a la curva de diseño de Gerber.
Observaciones:
Se puede apreciar que un esfuerzo medio de tracción disminuye la parte
alterna admisible.
Respecto a la falla por fatiga, la l´ınea de Soderberg es demasiado conser-
vativa. La parábola de Gerber se acerca bastante a los valores experimen-
tales.
El Diagrama muestra que un esfuerzo medio en compresión favorece m´ıni-
mamente la resistencia a la fatiga, mientras no se excedan los esfuerzos de
fluencia o de ruptura.

Figura 3.25: Teor´ıas de dise˜no usadas en fatiga

Cap´ıtulo 4
Metodolog´ıa del Análisis de
Falla
4.1. Procedimiento General
Un procedimiento de análisis de falla tiene el objetivo de determinar la causa
origen de ésta y establecer acciones correctivas para solucionar y prevenir la
recurrencia del problema. Un análisis de falla requiere de un claro entendimiento
de la definición de falla, asi como de la distinción entre indicadores, causa y
consecuencia de la falla y acciones. Algunas definiciones básicas son:
Indicador: S´ıntomas que evidencian la presencia de fallas
Causa: Hecho efectivo que indujo a que la falla se produjera
Mecanismo y consecuencia: Procedimiento de ocurrencia de la falla, aclaran-
do origen, desarrollo y consecuancia de la falla
Acciones correctivas: Procedimientos para prevenir la recurrencia de la
falla
El proceso del análisis de fallas es complejo y involucra diferentes disciplinas:
Observación, inspección, ensayos de laboratorio y cálculos. Muchas veces implica
la interacción de expertos de diferentes áreas. Además se debe considerar infor-
mación de diseño, manufactura, mantenimiento, historial de servicio, historial
de fallas.
La figura 4.1 representa un esquema de interacción del análisis de fallas en
el proceso, donde se considera:
1. Identificación. Describe la situación, define la deficiencia en términos de los
s´ıntomas o indicadores. Determina el impacto de la deficiencia en el com-
ponente, producto o sistema. Recoge los datos que entregan una medida
del daño o deficiencia.
55

56 CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA DEL AN ÁLISIS DE FALLA
Figura 4.1: Resolución de un problema de fallas
2. Determinación de la causa Ra´ız. Análisis del problema para identificar la
causa ra´ız y los problemas consecuanciales
3. Desarrollo de acciones correctivas. Planteamiento de acciones para solu-
cionar y prevenir la recurrencia del problema. Genera alternativas y de-
sarrollo de un plan de implementación.
4. Validación y verificación de acciones correctivas. Ensayos y cálculos de
las acciones correctivas, eficiencia de los cambios, verifica el efecto de las
acciones correctivas.
5. Estandarización. Incorporar las acciones correctivas en la documentación
de la empresa para prevenir recurrencia en productos similares. Monitoreo
de cambios para asegurar eficiencia.
En general se presenta una curva de fallas en los equipos en función del tiempo,
la que presenta tres per´ıodos más o menos definidos: Fallas iniciales (después de
la instalación del equipo), fallas intr´ınsecas al funcionamiento normal y fallas
debido al desgaste. Ver figura 4.2
Muchas veces no existe una causa única de una falla, si no, que el origen se
debe a una combinación de ellas.
4.2. Objetivo de la investigación de la falla
El objetivo principal de un análisis de fallas es la utilización de éste para
la prevención de la misma u otras fallas que pueden presentarse en el sistema
analizado.

4.3. ETAPAS DE UN AN ÁLISIS DE FALLAS 57
Figura 4.2: Distribución t´ıpica de fallas en el tiempo
En general una falla se define como una condición o evento no deseado de una
estructura, componente o elemento de máquina. Se considera que un elemento
ha fallado cuando presenta alguna de las siguientes condiciones:
Sistema o elemento completamente inoperable.
Sistema o elemento puede continuar operando por algún tiempo pero en
forma insatisfactoria.
El deterioro o daño producido en el elemento, hace que el sistema no opere
con las condiciones m´ınimas de seguridad.
4.3. Etapas de un Análisis de Fallas
Antes de comenzar un análisis de falla es necesario tener claro el objetivo y
alcances de la investigación de la falla.
Las etapas a desarrollar en la investigación de una falla están condicionadas al
tipo y caracter´ısticas de la falla en cuestión, sin embargo se pueden identificar
las principales etapas que involucran un análisis de fallas.
1. Recopilación de antecedentes y especificaciones de diseño de elemento fa-
llado
2. Recopilación de historial de servicios, incluyendo modificaciones al diseño
original
3. Levantamiento fotográfico in situ lo antes posible. De modo de no dañar
evidencias
4. Inspección Visual y selección de muestras representativas

5. Mediciones e Inspecciones con métodos no destructivos a la parte fallada.
Medición de otros parámetros f´ısicos y qu´ımicos
6. Env´ıo de muestras a Laboratorios, previa identificación y acondicionamien-
to
7. Inspección visual con elementos adecuados, para identificar posibles tipos
de fallas
8. Análisis macroscópico, definición de métodos de fabricación, modos de
falla
9. Ensayos mecánicos. Caracterización mecánica del material. Tracción, Charpy,
Dureza
10. Análisis metalográficos. Del material en zona de falla y en zonas alejadas
de ésta
11. Análisis Qu´ımicos, del material y de productos depositados sobre la pieza
12. Microscop´ıa Electrónica de superficies afectadas
13. Cálculos de esfuerzos a los que estuvo sometida la pieza en condiciones
reales de operación
14. Interpretación de resultados. Formulación y explicación del mecanismo
de falla. Relación de éste con las condiciones de servicio y de diseño de
elemento fallado
15. Estudio de medidas correctivas
16. Implementación de medidas correctivas
17. Informe técnico final
18. Seguimiento a sugerencias y recomendaciones
4.3.1. Recolección de antecedentes
Saber preguntar ordenada y criteriosamente es fundamental para obtener
buenos resultados en la pesquisa de antecedentes. El afectado por el siniestro
(daño) en el equipo debe tener siempre claro que la investigación es para evitar
futuros eventos y no será usada para sanción. Existen muchas formas de realizar
preguntas al respecto y también una serie de ordenadas planillas de recolección.
A continuación se muestra algunos ejemplos de los items a considerar:
1. Documentos.
Es ventajoso y aun necesario coleccionar documentos como evidencias,
tales como: certificados de vendedores, datos de ensayos mecánicos e in-
formes y evaluaciones hechas en casa, especificaciones y garant´ıas, planos

de diseño con especificaciones de terminaciones superficiales. También es
importante el exámen de correspondencia, tales como cartas entre el pro-
ductor y el consumidor o el técnico y el ingeniero. Este tipo de información
técnica no se puede subestimar ya que muchas veces el hecho de ceñirse
a un procedimiento u obedecer una especificación se puede convertir en el
punto más importante de una investigación especialmente desde el punto
de vista legal.
2. Condiciones de servicio.
Condiciones de operación de diseño
Las condiciones de operación o servicio reales son extremadamente
importantes: Historial de servicio, condiciones de operación y man-
tenimiento
Datos sobre los niveles y rangos de condiciones de trabajo
Manuales de mantenimiento
Manuales de operación
Condiciones ambientales (polvo, humedad, altura sobre el nivel mar,
caracter´ısticas de los fluidos utilizados en el proceso, etc.)
Reportes sobre reparaciones realizadas y especificaciones de los ma-
teriales que han sido reemplazados.
3. Manejo de materiales
Muchas veces las fallas no ocurren por condiciones de servicio sino que por
errores al manipular, al identificar o en el almacenamiento. Es t´ıpico que
piezas sufran golpes en su manipulación, que puede ser el inicio de una
futura grieta. También los problemas de corrosión facilitan la formación
de grietas por fatiga o por corro-fatiga. Un ejemplo lo representa un caso
documentado respecto a una falla originada por una marca superficial
realizada eléctricamente, la cual localmente transformó la austenita en
martensita que es mucho más frágil.
Las condiciones de almacenamiento también son importantes. Por ejemp-
lo, los electrodos para soldar deben guardarse en lugares secos, para evitar
problemas de fragilidad por hidrógeno en la soldadura cuando estos son
usados en materiales sensibles al hidrógeno. Los elementos de máquinas
con terminación superficial del tipo pulida fina, deben limpiarse para elim-
inar huellas dactilares. Después deben engrasarse para ser almacenadas y
evitar la corrosión.
4. Entrevistas.
Ninguna investigación es completa sin los testimonios de las personas que
tienen información sobre la falla, ya sea como testigos de la falla o per-
sonalmente asociados con el proceso. Tal testimonio, por supuesto, puede
ser parcial sin intención o deliberadamente. As´ı la falla puede ser guia-
da directa o indirectamente al no cumplimiento de algún procedimiento

prescrito. La parcialidad en la información puede ser revelada por otros
testimonios o por datos de ensayos. Lo importante es que el investigador
debe usar la entrevista sólo como una herramienta, analizándolo juiciosa-
mente.
4.3.2. Selección de muestras
Es fundamental y quizás de la máxima importancia que la investigación
esté apoyada por diversos tipos de ensayos, ya sea de tipo destructivo o no
destructivos. Por lo que es necesaria la recolección de muestras.
Figura 4.3: Diente fracturado de un reductor
Figura 4.4: Selección de muestras en el diente fracturado del reductor

Figura 4.5: Montaje de algunas muestras seleccionadas para ser miradas al mi-
crocopio
4.3.3. Preparación de muestras
Las muestras deben ser seleccionadas de modo de no dañar las evidencias, ni
cambiar las condiciones de éstas. Se debe tener especial cuidado en los cortes, ya
que pueden hacer variar las propiedades mecánicas y metalúrgicas del material.
Figura 4.6: Diente fracturado
4.3.4. Análisis Metalográfico
Es una de las principales herramientas del análisis de fallas ya que, por
una parte permite conocer la microestructura del material y por otra, visualizar
grietas y/o discontinuidades pequeñas. Cada tipo de falla tiene una alteración de
las caracter´ısticas metalográficas del material, por consiguiente una evaluación
metalográfica permitirá en muchos casos determinar la causa exacta de la falla.

Figura 4.7: superficie de análisis sin ataque qu´ımico
Figura 4.8: Diente fracturado. Fotograf´ıa superficie con microcopio con aumento
x200

4.4. EJEMPLO DE PAUTA DE INVESTIGACI ÓN 63
4.3.5. Análisis qu´ımico
El análisis qu´ımico es utilizado para determinar la composición qu´ımica de
los materiales, permitiendo determinar si se ha producido algún cambio en la
composición qu´ımica en operación. Varias empresas realizan este análisis. La
figura 4.10 representa un ejemplo obtenido en la Fundación Imperial de la ciudad
de Concepción.
4.3.6. Ensayos mecánicos
Los ensayos mecánicos como ya hemos visto permite determinar sus propie-
dades mecánicas, éstas var´ıan en algunas condiciones de operación y se utilizan
para determinar si las condiciones mecánicas de los materiales después de op-
eración se mantienen. Son especialmente utilizados para comparar materiales y
en caso de operación a altas temperaturas permiten determinar si existe daño
en el material.
4.3.7. Modelación numérica
Los cálculo y modelaciones numéricas permiten conocer las solicitaciones en
máquinas y estructuras, por lo que pueden ser utilizadas en determinar fallas
de diseño y/u operación. Los autores del presente texto han modelado un sin
número de modelos de equipos reales de los más diversos tipos y es presentada
en una sección aparte.
4.3.8. Planteamiento de hipótesis
Finalmente una vez recopilada toda la información se debe generar una
hipótesis de falla, determinando la causa ra´ız y los efectos consecuenciales.
4.4. Ejemplo de pauta de investigación
1. Determinar la historia previa a la falla.
a) Evidencia a través de documentos.
Certificados de ensayos
Datos de ensayos mecánicos
Especificaciones pertinentes
Correspondencia
b) Parámetros de servicio:
Parámetros de diseño o de operación esperados
Condiciones de servicio reales
• Datos sobre temperatura
• Presiones, velocidades.

• Condiciones del medio
• Tensiones de servicio
c) Detalles referentes a la falla reportados por el personal de operación
y mantenimiento.
2. Ensayos no destructivos.
a) Exámen macroscópico de la superficie de fractura:
1) Presencia de color o cambios de textura
Colores de revenido
Oxidación
Productos de corrosión
2) Presencia de aspectos notables
Zonas de cizalle
Marcas de playa
Marcas chevron
Señas de alta plasticidad
Huecos o inclusiones grandes
Grietas secundarias
3) Detección de propagación
4) Origen de la fractura
b) Detección de defectos en la superficie y bajo la superficie.
1) Magnaflux
2) L´ıquidos penetrantes
3) Ultrasonido
c) Medidas de dureza
1) Macroscópica
2) Microscópica.
d) Análisis qu´ımico
1) Espectrográfico.
2) Ensayos puntuales.
3. Ensayos destructivos.
a) Metalográficos.
1) Macroscópico
2) Microscópico
Estructura
Tamaño de grano
Microdureza
b) Ensayos mecánicos

4.5. EJEMPLO DE CUESTIONARIO DE INVESTIGACI ÓN 65
Tracción
Impacto
Tenacidad a la fractura
Especiales.
c) Ensayos de corrosión.
d) Análisis qu´ımicos húmedos.
La figura 4.11 muestra un esquema presentado por la litertura especializada que
permite estratificar los tipos y causas de fallas
4.5. Ejemplo de cuestionario de investigación
Datos de la empresa
1. Nombre de la planta.
2. Ubicación.
3. Qué procesa y que produce.
4. Departamento interesado en el estudio.
5. Departamento responsable del sistema o equipo averiado.
6. Nombre de la persona responsable de la operación del equipo (su número
telefónico y horario de trabajo).
7. Nombre de la persona responsable del área donde funciona el sistema o
equipo (su número telefónico y horario de trabajo).
8. Nombre de la persona que solicita el estudio (su número telefónico y
horario de trabajo).
9. Propósito del estudio.
Datos sobre la aver´ıa
10. Nombre del equipo o sistema averiado.
11. Descripción de las funciones que cumple en el proceso.
12. En que parte del mismo ocurrió la aver´ıa.
13. Relate cómo ocurrió la aver´ıa.
14. Es la primera vez en la historia del equipo o sistema que falla as´ı.
15. Si hubo otras veces, indique cuántas.
16. Aporte todos los datos de las aver´ıas anteriores (Estudios, ensayos, doc-
umentación fotográfica, etc.).
17. Cuándo ocurrió la aver´ıa?. (durante el funcionamiento, puesta en marcha,
parada, cambio de condiciones de servicio, etc.)
18. Aporte antecedentes si los posee, de aver´ıas similares en instalaciones
semejantes.
19. Fecha de la aver´ıa más reciente.
20. Fecha de la primera aver´ıa.
21. Ubique la(s) posición(es) de la aver´ıa en un plano actualizado del sistema
o equipo.
22. Cronolog´ıa de la puesta en marcha y paradas.

23. Tipo y caracter´ısticas de las medidas adoptadas para condicionar el sis-
tema durante su parada.
24. Horas de servicio prestado hasta la ruptura más reciente.
25. Horas de servicio hasta la primera rotura.
Datos sobre el servicio
26. Tipo de servicio: continuo, intermitente.
27. Clase de servicio: provisión de vapor, refrigeración, bombeo de ácidos, al-
imentación a caldera, lodos qu´ımicos, agua de proceso, transmisión de potencia,
etc.
28. Controles sobre parámetros del proceso.
29. Temperatura de servicio / valores picos registrados.
30. Presión nominal de servicio.
31. Presión promedio / valores picos registrados.
32. Las variaciones de temperatura y presión son c´ıclicos.
33. Frecuencia de las mismas.
34. Ciclos de calentamiento y enfriamiento por d´ıa (mes o año).
35. Número de paradas anuales.
36. Duración de las paradas.
37. Qué variaciones se han introducido en las condiciones operativas del
sistema con respecto a las de diseño, desde su puesta en marcha.
38. Fecha de la ejecución de dichas modificaciones.
39. ¿Hubo sobrecargas accidentales en el sistema?. Cuántas y cuando.
40. Errores operativos consignados (cuántos y cuándo).
41. Durante el proceso, el equipo o sistema es limpiado siguiendo algún
procedimiento especial.
42. ¿Con qué frecuencia?
43. Descripción del gas, l´ıquido contenido o transportado. Composición qu´ımi-
ca o pureza.
44. ¿Existen las fases l´ıquidas o gaseosas?
45. ¿Existen sólidos sin disolver? (cantidad)
46. Elementos contaminantes. Hay controles sistemáticos?
47. ¿Existen elementos corrosivos? (pH, concentración, etc.)
48. Aireación, sin aire, moderado, completo.
49. Agitación, velocidad de disolución.
50. Viscosidad, rigidez, etc.
51. Abrasivos presentes sólidos en estado de suspensión (Naturaleza y can-
tidad).

Figura 4.9: Ejemplo de un análisis qu´ımico realizado por la fundición Naguilán
de la Octava Región

Figura 4.10: Ejemplo de un análisis qu´ımico realizado por la fundición Imperial
de la Octava Región

Figura 4.11: Distribuci´on t´ıpica de fallas en el tiempo

Figura 4.12: Clasificación de fallas en maquinaria
Figura 4.13: Agentes productores de fallas y su forma de aplicación
Figura 4.14: Propiedades respecto al diseño asociado a las fallas

Figura 4.15: Causas de fallas ordenadas para realizar quequeo en una investi-
gaci´on

Figura 4.16: Tabla gu´ıa que indica las principales formas de falla presentada en
equipos industriales

Cap´ıtulo 5
Análisis, ensayos y estudios
a realizar
5.1. Ensayos Destructivos
5.1.1. Introducción
El objetivo principal de los Ensayos destructivos es determinar cuantita-
tivamente el valor de ciertas propiedades de los materiales, como resistencia
mecánica, la tenacidad o la dureza. La ejecución de las pruebas destructivas in-
volucra el daño del material, la destrucción de la probeta o la pieza empleada en
la determinación correspondiente, por lo que podemos concluir que los ensayos
destructivos son la aplicación de métodos f´ısicos directos que alteran de forma
permanente las propiedades f´ısicas, qu´ımicas, mecánicas o dimensionales de un
material, parte o componente sujeto a inspección.
Este tipo de pruebas siempre ha sido necesario para comprobar si las car-
acter´ısticas de un material cumplen con lo especificado durante el diseño. Debe
observarse que estas pruebas no se pueden aplicar a todas las partes o compo-
nentes, ya que ser´ıan destruidos y perder´ıan su utilidad.
5.1.2. Ensayos mecánicos
Ensayo de tracción uniaxial
Se realiza construyendo una probeta estandarizada (dimensiones pre-estable-
cidas) la cual se monta en una máquina de tracción denominada Máquina Uni-
versal de ensayos. As´ı es posible ir midiendo la carga y su correspondiente es-
tiramiento, de manera de obtener el gráfico esfuerzo-deformación del material
de la probeta. La condición de carga en este caso es de tracción pura, tal como
se muestra en la figura 5.1. En ella se muestran las dos máquinas universales
de mayor capacidad con que cuenta el Laboratorio de Mecánica de Sólidos de
la Universidad de Concepción. También existen máquinas de menor capacidad.
73

74 CAPÍTULO 5. AN ÁLISIS, ENSAYOS Y ESTUDIOS A REALIZAR
La máquina Instron que aparece en la figura permite realizar ensayos de fatiga
(con carga dinámica).
Figura 5.1: a) Máquina Universal de ensayos durante un ensayo de tracción
uniaxial, b) máquina Instron que permite realizar ensayos de fatiga
Ensayo de torsión
Este ensayo permite relacionar las deformaciones angulares con los esfuerzos
de corte. El llevar a un gráfico estos parámetros permite determinar el coefi-
ciente de corte del material ensayado. Es de limitada aplicación en elementos de
comportamiento elástico lineal ya que para este tipo de materiales existe una
relación directa entre el módulo de elasticidad E, el módulo de corte G y el
módulo de Poisson ν.
G =
2E
1 − ν
Ensayo de impacto: Charpy
El objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una máquina o estruc-
tura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy
especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por
cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, fileteados, etcétera, o bien
verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado.
Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condi-
ciones, el método Charpy utiliza probetas ensayadas (estado triaxial de ten-
siones) y velocidades de deformación de 4, 5 a 7 m/s.
Las probetas se colocan, como muestra la figura siguiente, simplemente apoy-
adas sobre la mesa de máquina y en forma tal que la entalladura se encuentra

5.1. ENSAYOS DESTRUCTIVOS 75
del lado opuesto al que va a recibir el impacto. Se puede observar la correcta
posición del material como as´ı también la forma y dimensiones de los apoyos y
de la pena del martillo pendular.
La resiliencia al choque resulta, según este método, el trabajo gastado por
unidad de sección transversal para romper al material de un solo golpe:
Resistencia =K = Ao/S(Kgf/cm2
ó Joule/cm2
)
En cada uno de los ensayos se obtendrá el valor de energ´ıa directamente de
la máquina en Kgm (A), Para el método Charpy calcularemos la resilencia (K)
que es el trabajo por unidad de sección transversal.
Figura 5.2: Imagenes asociadas al ensayo Charpy para medir resiliencia en un
material

Ensayo de fatiga
Los ensayos de fatiga clásicos a la flexión son realizados en máquinas rota-
torias, donde se monta una probeta estándart girando y con carga constante.
Lo anterior permite determinar la resistencia a la fatiga Sn para un material
determinado usado en la teor´ıa de fatiga aplicada a elementos de máquinas.
La máquina mostrada en la figura 5.1.b, permite realizar ensayos de tracción
dinámica (fatiga en tracción).
Ensayo de dureza
Existen diversos equipos para medir dureza en los materiales cuya principal
diferencia entre ellas es la punta que se incrusta en el material y la carga usada
para este efecto y que dan origen a las diversas escalas de medición de dureza
usada en la literatura. As´ı existen los durómetros:
Rockwell (60, 100 y 150kgf)
Superficial (15, 30 y 45kgf)
Brinell (3 000kgf)
Vickers (micro y macro)
Knoop (micro y macro)
Universales (Brinell, Rockwell y Vickers)
5.2. Ensayos no destructivos END
Las pruebas no destructivas END son la aplicación de métodos f´ısicos indi-
rectos, como es la transmisión del sonido, la opacidad al paso de la radiación,
etc., y que tienen la finalidad de verificar la sanidad de las piezas examinadas.
No obstante, cuando se aplica este tipo de pruebas no se busca determinar
las propiedades f´ısicas inherentes de las piezas, sino principalmente verificar su
homogeneidad y continuidad. Por lo tanto, estas pruebas no sustituyen a los
ensayos destructivos, sino que más bien los complementan.
Las pruebas no destructivas, como su nombre lo indica, no alteran de forma
permanente las propiedades f´ısicas, qu´ımicas, mecánicas o dimensiónales de un
material. Por ello no inutilizan las piezas que son sometidas a los ensayos y
tampoco afectan de forma permanente las propiedades de los materiales que las
componen. De acuerdo con su aplicación, los Ensayos no Destructivos (nombre
más comúnmente usado para las pruebas no destructivas) se dividen en:
1. Técnicas de Inspección Superficial
2. Técnicas de Inspección Volumétrica
3. Técnicas de Inspección de la Integridad o hermeticidad

5.2. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS END 77
5.2.1. Inspección con l´ıquidos penetrantes
La inspección por L´ıquidos Penetrantes es empleada para detectar e indicar
discontinuidades que afloran a la superficie de los materiales examinados. Esta
técnica se utiliza en materiales metálicos magnéticos y no magnéticos, incluso
en materiales plásticos. Esta técnica se basa en la acción capilar de los l´ıquidos.
En términos generales, esta prueba consiste en aplicar un l´ıquido coloreado o
fluorescente a la superficie a examinar, el cual penetra en las discontinuidades
del material debido al fenómeno de capilaridad. Después de cierto tiempo, se
remueve el exceso de penetrante y se aplica un revelador, el cual generalmente es
un polvo blanco, que absorbe el l´ıquido que ha penetrado en la discontinuidades
y sobre la capa de revelador se delinea el contorno de ésta. Actualmente existen
18 posibles variantes de inspección empleando este método; cada una de ellas
ha sido desarrollada para una aplicación y sensibilidad espec´ıfica.
Requisitos de la Inspección por L´ıquidos Penetrantes
Antes de iniciar las pruebas de L´ıquidos Penetrantes, es conveniente tener
en cuenta la siguiente información:
1. Es muy importante definir las caracter´ısticas de las discontinuidades y el
nivel de sensibilidad con que se las quiere detectar, ya que si son rela-
tivamente grandes o se quiere una sensibilidad entre baja y normal, se
recomienda emplear penetrantes visibles; pero si la discontinuidad es muy
fina y delgada o se requiere de una alta o muy alta sensibilidad, es preferi-
ble emplear los penetrantes fluorescentes.
2. Otro factor de selección es la condición de la superficie a inspeccionar;
ya que si es una superficie rugosa o burda, como ser´ıa el caso de una
unión soldada o una pieza fundida, se debe emplear un penetrante l´ıquido
removible con agua. Pero si la superficie es tersa y pulida, es preferible
emplear un penetrante removible con solvente. Finalmente cuando se re-
quiere una inspección de alta calidad o con problemas de sensibilidad, se
puede emplear un penetrante post-emulsificable.
3. Si el material a examinar es acero inoxidable, titanio o aluminio (para
componentes aeronáuticos, por ejemplo) o aleaciones de n´ıquel (monel),
entonces los penetrantes deberán tener un control muy r´ıgido de contam-
inantes, como son los compuestos halogenados (derivados del flúor, cloro,
bromo, iodo) o de azufre (sulfatos o sulfuros), ya que si quedan residuos
de ellos, pueden ocasionar fracturas o fragilidad del material. Todos los
proveedores de productos de alta calidad proporcionan un certificado de
pureza de sus productos sin cargo adicional.
4. Si se trabaja bajo normas internacionales (Código ASME, API, AWS) o
de compañ´ıas (Beli, Pran and Whitney o GE), los l´ıquidos deben ser de

los proveedores de las listas de proveedores aprobados o confiables publi-
cados por ellos. En caso necesario, se solicitará al proveedor una lista de
qué normas, códigos o especificaciones de compañ´ıas cubren sus productos.
5. Una vez seleccionado uno o varios proveedores, nunca se deberán mezclar
sus productos; como por ejemplo, emplear el revelador del proveedor A
con un penetrante del proveedor B o un penetrante de una sensibilidad
con un revelador de otra sensibilidad, aunque ambos sean fabricados por
el mismo proveedor.
Aplicaciones
Las aplicaciones de los L´ıquidos Penetrantes son amplias y por su gran ver-
satilidad se utilizan desde la inspección de piezas cr´ıticas, como son los com-
ponentes aeronáuticos, hasta los cerámicos como las vajillas de uso doméstico.
Muchas de las aplicaciones descritas son sobre metales, pero esto no es una lim-
itante, ya que se pueden inspeccionar otros materiales, por ejemplo cerámicos
vidriados, plásticos, porcelanas, recubrimientos electroqu´ımicos, etc.
Algunos ejemplos:
Grietas debido a fatiga
Porosidad superficial
Grietas debido a tratamiento térmico
Orificios de filtración en estanques
Grietas debido a rectificado
Grietas por corro-fatiga
Poros y grietas de fabricación
Fallas en proceso de soldaduras.
Ventajas Generales de los L´ıquidos Penetrantes
La inspección por L´ıquidos Penetrantes es extremadamente sensible a las
discontinuidades abiertas a la superficie.
La configuración de las piezas a inspeccionar no representa un problema
para la inspección.
Son relativamente fáciles de emplear.
Brindan muy buena sensibilidad.
Son económicos.
Son razonablemente rápidos en cuanto a la aplicación, además de que el
equipo puede ser portátil.
Se requiere de pocas horas de capacitación de los Inspectores.

Limitaciones Generales de los L´ıquidos Penetrantes
Sólo son aplicables a defectos superficiales y a materiales no porosos.
Se requiere de una buena limpieza previa a la inspección.
No se proporciona un registro permanente de la prueba no destructiva.
Los Inspectores deben tener amplia experiencia en el trabajo.
Una selección incorrecta de la combinación de revelador y penetrante
puede ocasionar falta de sensibilidad en el método.
Es dif´ıcil quitarlo de roscas, ranuras, huecos escondidos y superficies ásperas.
Figura 5.3: Aplicación práctica de la técnica de l´ıquidos penetrantes
5.2.2. Inspección con part´ıculas magnéticas.
La inspección por Part´ıculas Magnéticas permite detectar discontinuidades
superficiales y subsuperficiales en materiales ferromagnéticos. Se selecciona usual-
mente cuando se requiere una inspección más rápida que con los l´ıquidos pen-
etrantes. El principio del método es la formación de distorsiones del campo
magnético o de polos cuando se genera o se induce un campo magnético en
un material ferromagnético; es decir, cuando la pieza presenta una zona en la

que existen discontinuidades perpendiculares a las l´ıneas del campo magnético,
éste se deforma o produce polos. Las distorsiones o polos atraen a las part´ıculas
magnéticas, que fueron aplicadas en forma de polvo o suspensión en la superfi-
cie sujeta a inspección y que por acumulación producen las indicaciones que se
observan visualmente de manera directa o bajo luz ultravioleta.
Actualmente existen 32 variantes del método, que al igual que los l´ıquidos
penetrantes sirven para diferentes aplicaciones y niveles de sensibilidad. En este
caso, antes de seleccionar alguna de las variantes, es conveniente estudiar el tipo
de piezas a inspeccionar, su cantidad, forma y peso, a fin de que el equipo a
emplear sea lo más versátil posible; ya que con una sola máquina es posible
efectuar al menos 16 de las variantes conocidas.
Requisitos de la Inspección por Part´ıculas Magnéticas
Antes de iniciar la inspección por Part´ıculas Magnéticas, es conveniente
tomar en cuenta los siguientes datos:
1. La planificación de este tipo de inspecciones se inicia al conocer cuál es
la condición de la superficie del material y el tipo de discontinuidad a detec-
tar. As´ı mismo deben conocerse las caracter´ısticas metalúrgicas y magnéticas
del material a inspeccionar; ya que de esto dependerá el tipo de corriente, las
part´ıculas a emplear y, en caso necesario, el medio de eliminar el magnetismo
residual que quede en la pieza.
2. Si se trabaja bajo normas internacionales (Código ASME, API, AWS) o de
compañ´ıas (Bell, Pratt and Whitney o GE), las part´ıculas a emplear deben ser
de los proveedores de las listas de proveedores aprobados o confiables publicados
por ellas. En caso necesario, se solicita al proveedor una lista de qué normas,
códigos o especificaciones de compañ´ıas satisfacen sus productos.
Al igual que en el caso de los l´ıquidos penetrantes, una vez seleccionado uno
o varios proveedores, nunca se deben mezclar sus productos, como puede ser el
caso de emplear las part´ıculas del proveedor A con un agente humectante del
proveedor B o las part´ıculas de diferentes colores o granulometr´ıas fabricadas
por el mismo proveedor.
Ventajas de las Part´ıculas Magnéticas
Con respecto a la inspección por l´ıquidos penetrantes, este método tiene las
siguientes ventajas:
Requiere de un menor grado de limpieza.
Generalmente es un método más rápido y económico.
Puede revelar discontinuidades que no afloran a la superficie.
Tiene una mayor cantidad de alternativas.

Limitaciones de las Part´ıculas Magnéticas
Son aplicables sólo en materiales ferromagnéticos.
No tienen gran capacidad de penetración.
El manejo del equipo en campo puede ser caro y lento.
Generalmente requieren del empleo de energ´ıa eléctrica.
Sólo detectan discontinuidades perpendiculares al campo.
Figura 5.4: Aplicación práctica de la técnica de part´ıculas magnéticas
5.2.3. Inspección por ultrasonido
La inspección por ultrasonido Industrial (UT) se define como un proced-
imiento de inspección no destructiva de tipo mecánico, que se basa en la impedan-
cia acústica, la que se manifiesta como el producto de la velocidad máxima de
propagación del sonido entre la densidad de un material.
Los equipos de ultrasonido que empleamos actualmente permiten detectar
discontinuidades superficiales, sub-superficiales e internas, dependiendo del tipo
de palpador utilizado y de las frecuencias que se seleccionen dentro de un ámbito
de 0,25 hasta 25MHz. Las ondas ultrasónicas son generadas por un cristal o
un cerámico piezoeléctrico dentro del palpador; este elemento, que llamaremos
transductor, tiene la propiedad de transformar la energ´ıa eléctrica en energ´ıa
mecánica y viceversa.
Al ser excitado eléctricamente, y por el efecto piezoeléctrico, el transductor
vibra a altas frecuencias (lo que genera ultrasonido); estas vibraciones son trans-
mitidas al material que se desea inspeccionar. Durante el trayecto en el material,
la intensidad de la energ´ıa sónica sufre una atenuación, que es proporcional a la
distancia del recorrido. Cuando el haz sónico alcanza la frontera del material,
dicho haz es reflejado. Los ecos o reflexiones del sonido son recibidos por otro
(o por el mismo) elemento piezoeléctrico y su señal es filtrada e incrementada
para ser enviada a un osciloscopio de rayos catódicos, en donde la trayectoria

del haz es indicada por las señales de la pantalla; también puede ser transmitida
a un sistema de graficado, donde se obtiene un perfil acústico de la pieza a una
pantalla digital, donde se leerá un valor o a una computadora, para el análisis
matemático de la información lograda.
En muchos aspectos la onda de ultrasonido es similar a las ondas de luz;
ambas son ondas y obedecen a una ecuación general de onda. Método de pulso
y eco, o de reflexión, se genera un pulso ultrasónico que es transmitido a través
del material. Cuando la onda elástica choca con una interfase, parte de la onda
se refleja, regresando al transductor. En un osciloscopio es posible desplegar
tanto el pulso inicial como el reflejado.
Del despliegue, se mide el tiempo requerido para el viaje de ida y vuelta, con
lo que se puede calcular la distancia a la que se encuentra la interfase. De no
existir fallas en el material, el haz se reflejará desde su lado opuesto y la distancia
será dos veces el espesor de la pared, mientras que moviendo el transductor sobre
la superficie, podemos conocer, también la longitud de la discontinuidad.
Método de transmisión de un pulso a través del medio, en un transductor
se genera un pulso ultrasónico y mediante un segundo transductor se detecta
en la superficie opuesta. Los pulsos iniciales y los transmitidos se despliegan
en el osciloscopio. La pérdida de energ´ıa entre el pulso inicial y el transmitido
depende de si existe o no discontinuidad dentro del material.
Método de resonancia se utiliza la naturaleza ondulatoria de la onda ul-
trasónica. Se genera una serie de pulsos que viajan como onda elástica a través
del material. Seleccionando una longitud de onda o frecuencia de manera que
el espesor del material sea un múltiplo entero de medias longitudes de onda, se
produce una onda elástica estacionaria, y se refuerza en el material. Una dis-
continuidad dentro del material evita que la resonancia ocurra. Sin embargo;
esta técnica se utiliza con mayor frecuencia para la determinación del espesor
del material.
Figura 5.5: Medición de espesores usando la técnica del ultrasonido
5.2.4. Ventajas del Ultrasonido Industrial
Se detectan discontinuidades superficiales y sub-superficiales.

Puede delinearse claramente el tamaño de la discontinuidad, su local-
ización y su orientación.
Sólo se requiere acceso por un lado del material a inspeccionar.
Tiene alta capacidad de penetración y los resultados de prueba son cono-
cidos inmediatamente.
Limitaciones del Ultrasonido Industrial
Está limitado por la geometr´ıa, estructura interna, espesor y acabado su-
perficial de los materiales sujetos a inspección.
Localiza mejor aquellas discontinuidades que son perpendiculares al haz
de sonido.
Las partes pequeñas o delgadas son dif´ıciles de inspeccionar por este méto-
do.
El equipo puede tener un costo elevado, que depende del nivel de sensibil-
idad y de sofisticación requerido.
El personal debe estar calificado y generalmente requiere de mucho mayor
entrenamiento y experiencia para este método que para cualquier otro de
los métodos de inspección.
La interpretación de las indicaciones requiere de mucho entrenamiento y
experiencia de parte del operador.
Requiere de patrones de referencia y generalmente no proporciona un reg-
istro permanente.
5.2.5. Inspección por radiograf´ıas
El caso de la Radiograf´ıa Industrial, como prueba no destructiva, es muy
interesante; pues permite asegurar la integridad y confiabilidad de un producto;
además, proporciona información para el desarrollo de mejores técnicas de pro-
ducción y para el perfeccionamiento de un producto en particular. La inspección
por RI se define como un procedimiento de inspección no destructivo de tipo
f´ısico, diseñado para detectar discontinuidades macroscópicas y variaciones en
la estructura interna o configuración f´ısica de un material.
Al aplicar RI, normalmente se obtiene una imagen de la estructura interna
de una pieza o componente, debido a que este método emplea radiación de alta
energ´ıa, que es capaz de penetrar materiales sólidos, por lo que el propósito
principal de este tipo de inspección es la obtención de registros permanentes
para el estudio y evaluación de discontinuidades presentes en dicho material.
Por lo anterior, esta prueba es utilizada para detectar discontinuidades internas
en una amplia variedad de materiales.

Dentro de los END, la Radiograf´ıa Industrial es uno de los métodos más
antiguos y de mayor uso en la industria. Debido a esto, continuamente se realizan
nuevos desarrollos que modifican las técnicas radiográficas aplicadas al estudio
no sólo de materiales, sino también de partes y componentes; todo con el fin
de hacer más confiables los resultados durante la aplicación de la técnica. El
principio f´ısico en el que se basa esta técnica es la interacción entre la materia y
la radiación electromagnética, siendo esta última de una longitud de onda muy
corta y de alta energ´ıa.
Durante la exposición radiográfica, la energ´ıa de los rayos X o gamma es ab-
sorbida o atenuada al atravesar un material. Esta atenuación es proporcional a la
densidad, espesor y configuración del material inspeccionado. En la actualidad,
dentro del campo de la industria existen dos técnicas comúnmente empleadas
para la inspección radiográfica:
1. Radiograf´ıa con rayos X
2. Radiograf´ıa con rayos gamma.
La principal diferencia entre estas dos técnicas es el origen de la radiación
electromagnética; ya que, mientras los rayos X son generados por un alto poten-
cial eléctrico, los rayos gamma se producen por desintegración atómica espontánea
de un radioisótopo.
Ventajas de la Radiograf´ıa Industrial
Es un excelente medio de registro de inspección.
Su uso se extiende a diversos materiales.
Se obtiene una imagen visual del interior del material.
Se obtiene un registro permanente de la inspección.
Descubre los errores de fabricación y ayuda a establecer las acciones cor-
rectivas.
Limitaciones de la Radiograf´ıa Industrial
No es recomendable utilizarla en piezas de geometr´ıa complicada.
No debe emplearse cuando la orientación de la radiación sobre el objeto
sea inoperante, ya que no es posible obtener una definición correcta.
La pieza de inspección debe tener acceso al menos por dos lados.
Su empleo requiere el cumplimiento de estrictas medidas de seguridad.
Requiere personal altamente capacitado, calificado y con experiencia.
Requiere de instalaciones especiales como son: el área de exposición, equipo
de seguridad y un cuarto oscuro para el proceso de revelado.

Las discontinuidades de tipo laminar no pueden ser detectadas por este
método.
5.2.6. Análisis de vibraciones
Es la principal técnica de análisis predictivo. Se presenta un breve análisis
en cap´ıtulo aparte de vibraciones asociado a los problemas más comunes de falla
en máquinas rotatorias
5.2.7. Termograf´ıa
Generalmente las imperfecciones en un material alteran la velocidad de flujo
térmico a su alrededor, generando gradientes de alta temperatura, es decir pun-
tos calientes. En la termograf´ıa, a la superficie de un material se le aplica un
recubrimiento sensible a la temperatura, a continuación el material es calentado
uniformemente y luego enfriado. La temperatura es más elevada cerca de una
imperfección que en otros sitios; por tanto, el color del recubrimiento en este
punto será distinto y fácilmente detectado.
Se puede utilizar una gran diversidad de recubrimientos. Comúnmente se
usan pinturas y papeles sensibles al calor; compuestos orgánicos o fósforos que
producen luz visible al ser excitados por radiaciones infrarrojas; y materiales
orgánicos cristalinos, conocidos como cristales l´ıquidos. Un uso importante de
la termograf´ıa es la detección de uniones pobres o delaminación de monocapas
o cintas individuales, que forman muchas estructuras de materiales compuestos
reforzados con fibras, particularmente en la industria aerospacial.
5.2.8. Inspección por Emisión Acústica
Asociada con muchos fenómenos microscópicos, como el crecimiento de una
grieta o transformaciones de fase, aparece una liberación de energ´ıa de esfuerzo
en forma de ondas de esfuerzo elásticas de alta frecuencia, de manera muy similar
a las producidas durante un terremoto. En la prueba por emisión acústica, se
aplica un esfuerzo inferior al esfuerzo de cedencia nominal del material.
Debido a concentraciones de esfuerzo en el extremo de alguna grieta ya
existente, ésta puede ampliarse, liberando la energ´ıa de esfuerzo que rodea el
extremo de la grieta. La onda de esfuerzo elástico asociado con el movimien-
to de la grieta puede ser detectada por un sensor piezoeléctrico, y posterior-
mente amplificada y analizada. Mediante esta técnica se pueden detectar gri-
etas tan pequeñas como de 10-6 pulgadas de largo. Utilizando varios sensores
simultáneos, es posible también determinar la ubicación de la grieta.
Es posible utilizar la prueba de emisión acústica para todos los materiales.
Se utiliza para detectar microgrietas en componentes de aluminio de aeronaves,
aún antes que éstas sean lo suficientemente grandes para poner en peligro la
seguridad de la aeronave. Se pueden detectar grietas en pol´ımeros y cerámicos.
La prueba detectará la ruptura de las fibras en materiales compuestos reforzados
con fibras, as´ı como la falta de unión entre fibras y matriz.

Figura 5.6: Imagen termográfica de un reductor, donde se indican los puntos
asociados a la temperatura captada
5.2.9. Ferrograf´ıa directa (conteo de part´ıculas)
La ferrograf´ıa directa consiste en una medición cuantitativa de la concen-
tración de las part´ıculas ferrosas en una muestra de fluido a través de la pre-
cipitación de esas part´ıculas en un tubo de vidrio sometido a un fuerte campo
magnético. Dos rayos de luz transportados por fibra óptica impactan sobre el
tubo en dos posiciones correspondientes a la localización en la cual las part´ıcu-
las grandes y las pequeñas serán depositadas por el campo magnético. La luz
es reducida en relación a las part´ıculas depositadas en el tubo de vidrio y ésta
reducción es monitoreada y medida electrónicamente. Dos conjuntos de lecturas
son obtenidos de las grandes y pequeñas part´ıculas (part´ıculas por encima de
5 micras y part´ıculas por debajo de 5 micras). Por lo general más de 20, 000
part´ıculas mayores de 5 micras indican una alerta de seguimiento y más de
40, 000 son excesivas e indican problemas de desgaste en componentes ferrosos
de la máquina.

Figura 5.7: Informe de an´alisis usando t´ecnica de ferrograf´ıa

Material Posible origen
Silicio polvo, aditivos antiespumantes
Calcio polvo, aditivos detergentes
Bario Magnesio: aditivos detergentes
Hierro engranajes y rodamientos
Cobre babbitt de cojinetes de fricción o
separadores de rodamientos
Cromo anillos y camisas de pistón
Aluminio pistones
Estaño, Cobre, Plata cojinetes
Plomo contaminación con gasolina
Vanadio, Sodio combustible quemado
5.2.10. Espectrofotometr´ıa de absorción atómica (detec-
ción de elementos presentes)
Este análisis, en conjunto con el conteo de part´ıculas, es el más popular en
la implementación de programas de mantenimiento predictivo, debido a que en
los centros industriales, los proveedores de lubricante ofrecen el servicio como
un valor agregado a la venta. El principio básico consiste en someter la muestra
de lubricante a una fuente alto voltaje (15kV ) en la cual se calienta y libera
energ´ıa. Fenómenos especiales de radiación se generan, en los cuales se pueden
diferenciar y asignar las radiaciones a diferentes frecuencias a elementos espec´ıfi-
cos constituyentes del lubricante. La intensidad de radiación a una frecuencia
espec´ıfica es proporcional a la concentración de su respectivo elemento.
Figura 5.8: Espectrometr´ıa
5.2.11. Ferrograf´ıa anal´ıtica
La ferrograf´ıa anal´ıtica se posiciona como una de las técnicas mas impor-
tantes para el análisis de aceite. Cuando es implementada correctamente provee
gran información de causa ra´ız. A pesar de sus capacidades es frecuentemente

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