Este documento resume los resultados de una evaluación de falla en el eje de un motor eléctrico. Las pruebas mostraron que el eje tenía un recubrimiento de Thermal Spray y valores de dureza más bajos cerca del sitio de falla. El análisis microscópico reveló granos embastecidos en esta área debido al calentamiento del recubrimiento, lo que debilitó la estructura y contribuyó a la fractura. La forma de la falla indica que ocurrió por altas tensiones concentradas causadas por el

1. EVALUACIÓN DE LA FALLA OCURRIDA
EN EL EJE DE UN MOTOR ELÉCTRICO
 Formulación del problema
Se presenta el análisis del eje de un motor eléctrico con el fin de
conocer las posibles causas que ocasionaron la falla. Para ello
se hizo un conjunto de pruebas que permitieron concluir como
condición inicial que el eje había sido recuperado con un
recubrimiento exterior realizado con Thermal Spray.

2. DETALLES EXPERIMENTALES
Al eje se le realizó prueba de dureza utilizando un Durómetro Vicker con
punta de diamante. Las indentaciones se tomaron en diferentes puntos de la
superficie del eje que falló. Los puntos donde se realizaron las indentaciones
se presentan en las figuras 1 y 2.
Figura 1

3. Detalles experimentales
Una primera toma de dureza se realizó mediante cuatro
indentaciones cercanas al sitio donde ocurrió la falla y se
determinó el promedio de la dureza. También se realizó una
segunda prueba de dureza en una región distante al sitio donde
ocurrió la falla. Se tomaron otras cuatro indentaciones y se
determinó el promedio para cada una de las tomas.
Figura 2

4. DETALLES EXPERIMENTALES
La microestructura del eje se analizó mediante el
analizador de imágenes Leica. Se prepararon
metalográficamente dos fracciones del eje, una del sitio
donde ocurrió la fractura y otro en un sitio lejano de
donde ocurrió la falla, para llevarlo al analizador de
imágenes.

5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
En la tabla 1. se presentan las durezas encontradas en cada punto indicado en
las figuras 1 y 2.
Tabla 1

6. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Con base en los datos de la tabla 1, se consideró que la dureza del
eje es muy poco homogénea. Además, los valores de dureza
tomados en el sitio cercano donde ocurrió la falla presentan
durezas bajas. El promedio fue de 157 HV, lo cual indica que
esta disminución de dureza pudo haber influido para que, por este
sitio, se iniciara la falla. Los valores de dureza encontrados en la
región alejada de la falla son más elevados; el promedio fue de
216 HV. Estas durezas son características de un acero de bajo
porcentaje de carbono, aproximadamente de un AISI 1040.

7. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Los valores de dureza obtenidos a través del radio del
eje también fueron muy bajos. En promedio, la dureza
de esta región fue de 161 HV. La diferencia de durezas
entre las zonas cercanas a la falla y la zona alejada,
indica una disminución local de las propiedades
mecánicas. Estas propiedades pudieron ser modificadas
por efectos externos al eje de análisis, como por
ejemplo, algún tipo de tratamiento térmico o proceso de
recubrimiento.

8. ANÁLISIS DE LA MICROESTRUCTURA
Se observó la zona del eje, donde se presentó la falla, éste fue
maquinado, y luego se le aplicó un revestimiento, posiblemente
utilizando la técnica Thermal-Spray. Lo anterior se deduce por
observación visual de un anillo alrededor del eje. Se muestra en las
figuras 3 y 4, y también se deduce por la micrografía de la figura 5, que
se obtuvo en el analizador de imágenes referente a la estructura
interna de este material.
Figura 3 Figura 4 Figura 5

9. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
En la micrografía de la figura 6 se observa otro sitio de la
estructura del anillo. Se presentan granos alargados y bastante
grandes, característicos de material en polvo. También se observa
la presencia de poros, que es típico en materiales que se aplican
como revestimiento. Se considera que al aplicar un
revestimiento alrededor del eje, el calor
produjo embastecimiento del grano; por lo
tanto ocasionó una disminución de las
propiedades mecánicas del acero, lo cual
debilitó la estructura interna del eje y,
como consecuencia, es probable que esto
haya contribuido a la fractura del eje.
Figura 6

10. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
En la micrografía de la figura 7 se presenta la estructura en una
región alejada del sitio de falla, y en la figura 8 presenta la
estructura en el sitio donde ocurrió la falla. En ambos casos se
observa la fase ferrita y un alto porcentaje de fase perlita, que es
característico de un acero AISI 1040. Pero se diferencian en que
el tamaño de grano se encuentra embastecido en la estructura que
corresponde al sitio donde se presentó la falla. El
embastecimiento del tamaño de grano posiblemente fue
ocasionado por el calentamiento al aplicar el recubrimiento
alrededor del eje. El porcentaje del constituyente perlítico
calculado en la microestructura fue de 56% y en la fase ferrita, de
44%.

11. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Figura 7 Microestructura Figura 8 Microestructura
de sitio lejano donde del sitio donde ocurrió la
ocurrió la falla (20X) falla, (20X)

12. ANÁLISIS DE LA FALLA
La característica de la zona donde se produjo la falla determina
en cierto grado las condiciones de carga por las que se produjo la
fractura. Al analizar la figura 9 se encuentra que la zona de
fractura denominada como zona A tiene la forma de una elipse, y
en la zona B no son visibles las marcas de playa que caracterizan
una fractura progresiva. También presenta la formación de un
anillo exterior circunferencial demarcada como zona C.
Todo lo anterior indica que la rotura se produjo debido a una alta
tensión nominal y un alto coeficiente de concentración de
esfuerzos. Se encontró que el eje en la región de falla presentó un
recubrimiento superficial. Para la aplicación del revestimiento del
eje se maquinó la superficie exterior, generando filetes (Ver
figura 10), que incrementaron los efectos de las cargas.

13. ANÁLISIS DE LA FALLA
Figura 9 Sección del eje donde Figura 10 Sección maquinada del
se presentó la falla, del lado eje para la aplicación del
hacia el interior recubrimiento
del motor

14. ANÁLISIS DE LA FALLA
Si se observa la forma transversal de la falla en el eje,
ésta se presenta casi a nivel o a ras en su sección, esto
indica que la falla ocurrió por efecto de momentos
torsores esencialmente y además, que el material
presenta una fractura de carácter dúctil para este tipo de
carga. Lo anterior corrobora el análisis metalográfico,
ya que indica que el acero es de bajo porcentaje de
carbono por lo tanto su dureza es baja y su
comportamiento es dúctil.

15. CONCLUSIONES
Los valores de dureza que se midieron y que presentaron poca
homogeneidad pudieron también influir en la resistencia nominal
del eje, ya que los valores más bajos de dureza 157 HV se
presentaron en el punto donde se inició la fractura.
En los análisis de fases se encontró que el tamaño de grano se
encuentra embastecido debido a un sobrecalentamiento del eje al
aplicar el revestimiento. La morfología de las huellas dejadas por
la falla, indica que la rotura se produjo debido a una alta tensión
nominal y un alto coeficiente de concentración de esfuerzos.

16. CONCLUSIONES
La concentración de los esfuerzos se produjo por el deficiente
maquinado realizado para la aplicación del recubrimiento, lo que
debilitó la sección y generó grietas superficiales. El proceso de
recubrimiento también pudo haber modificado los radios de
entalle en la zona de fractura, pero su comprobación no se pudo
realizar por la característica de la falla que no permitió medir el
radio de entalle.
Si es estrictamente necesario aplicar un recubrimiento, debe
hacerse con especial cuidado para evitar que el
sobrecalentamiento embastezca el tamaño de grano, el cual
produce una disminución en las propiedades mecánicas del
material.

17. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
MÉTODOS NUMÉRICOS APLICADOS EN LA
MECÁNICA DE FRACTURA COMPUTACIONAL
Dominio Elementos finitos (MEF) y Discretización del dominio
Diferencias finitas (MDF)
Métodos
Numéricos
Contorno Elementos de Discretización del contorno
Contorno (MEC)
Los métodos de contorno tienen algunas ventajas importantes sobre los métodos de dominio:
 Hay una disminución del tiempo de preparación de los modelos.
Trabaja sólo sobre el contorno del dominio de cálculo.
 En particular, el MEC al requerir únicamente la discretización del contorno, trae consigo una
reducción de la dimensionalidad del problema con respecto al MEF o al MDF.
 Pueden tratar mucho más fácilmente problemas que involucren dominios infinitos.
 Se obtiene el mismo grado de precisión en las dos variables duales del problema (p.ej.
desplazamientos y tensiones, potenciales y flujos).

18. MALLADO EN CADA UNO DE LOS MÉTODOS
Nodo
Elementos finitos
Nodo
Diferencias finitas
Elementos de
Contorno
Nodo

19. MALLA DE ELEMENTOS DE CONTORNO
2D 3D

20. ESQUEMA DE LA
GID v8.0.2
Datos geométricos y
Propiedades Mecánicas
METODOLOGÍA
COMPUTACIONAL
Módulo
de
BIE3DH Preproceso
FEMAP
Modulo
(malla deformada) principal de
análisis
(Proceso)
Remallado de
Módulo la superficie
J-THERMO de de grieta
Postproces
o
SI
Análisis de
crecimiento y ¿Crece
propagación de la
grietas grieta?
NO
Fin

21. PLACA RECTANGULAR CON ORIFICIO
Efecto de la Temperatura
Apertura de la grieta y deformación de la malla
T = 23 °C T = 50 °C T = 70 °C

22. CUERPO CILÍNDRICO CON GRIETA
CIRCULAR INTERNA
Efecto de la Temperatura
Apertura de la grieta y deformación de la malla
T = 23 °C T = 50 °C T = 70 °C

23. PROBETA CON GRIETA LATERAL
INCLINADA
Efecto de la Temperatura
Apertura de la grieta y deformación de la malla
T = 23 °C T = 50 °C T = 70 °C