Este documento trata sobre el análisis y prevención de fallos en materiales. Explica la importancia de elegir el material adecuado para cada aplicación considerando sus propiedades. También describe los métodos de análisis de fallos para estudiar la naturaleza de los modos de fallo y de prevención de fallos aplicando los conocimientos del análisis para evitar desastres. Finalmente, resume diferentes tipos de ensayos destructivos y no destructivos para obtener información sobre los materiales.

1. ANALISIS Y PREVENCION DE
FALLOS
INTRODUCCIÓN
 En la industria es importante la elección del material
mas adecuado para su aplicación, sabiendo:
• Características y propiedades del material.
Análisis de fallos:
Estudio sistemático de la naturaleza de los distintos
modos de fallos.
Prevención de fallos:
Aplicar conocimientos proporcionados por el análisis
para evitar desastres.
La información de los materiales es suministrada
mediante los ensayos realizados sobre probetas.

2.  Clasificación de ensayos:
ENSAYOS
TÉCNICOS CIENTÍFICOS
DESTRUCTIVOS NO DESTRUCTIVOS
Energía de impacto Rayos X
Rayos γ
Ultrasonidos
Corrientes inducidas
Partículas magnéticas
Líquidos penetrantes
Tenacidad de fractura
Fatiga
Químicos Metalográfico
Físico-químicos Mecánicos

3. CÁLCULO DE LA
ENERGÍA DE
IMPACTO
Ensayos de resiliencia

4. Los ensayos de resiliencia

5. Resiliencia
Tenacidad
Ductilidad

6. Resiliencia:
E
S
 

7. Existen dos variantes básicas
del ensayo de resiliencia
desarrolladas ambas a
principios del siglo XX.

8. Ensayo Charpy

9. Ensayo Izod

10. Ejemplos de péndulos comerciales:
Péndulo de
uso didáctico

11. Péndulo de
uso industrial

12. Péndulos de
baja energía

13. Probetas
Norma UNE 7290-72

14. Algunas probetas comunes son:

15. Brochadora para realizar la entalla
de una probeta

16. Ensayo
Charpy

17. - Conocidas las alturas inicial y final del
martillo
0
1
· · ·
· · ·
E P H m g H
E P h m g h
 
 
0 1 ·( ) · ·( )
a
E E E P H h m g H h
     
Energía inicial:
Energía final:
Energía
absorbida:
Resiliencia:
· ·( )
m g H h
S




18. -Conocidos los ángulos inicial, α, y final, β,
y la longitud L del brazo del martillo
cos ·cos ·(1 cos )
L h
h L L L
L
  

     
cos ·cos ·(1 cos )
L H
H L L L
L
  

     
Altura inicial:
Altura final:
Resiliencia:
· ·( ) · ·(cos cos )
m g H h F L
S S
 

 
 

19. Datos del ensayo de impacto Charpy para
algunas aleaciones

20. Datos del ensayo de impacto Izod para
distintos polímetros

21. Comparación
entre
‘latón rojo’
(Cu 23000-
061) y una
aleación hcp
frágil
(Mg AM100A)

22. Variación de la Tª de transición dúctil-frágil
con la composición del acero

23. Energía de impacto Charpy frente a Tª para
aleaciones Fe-Mn-0,05C

24. TENACIDAD DE FRACTURA

25. Tenacidad: Capacidad de un material para absorber energía
antes de la fractura.
Tenacidad de fractura: La resistencia a la fractura de un
material cuando existe una grieta. Resistencia a ser roto cuando
existe una fisura.
Los materiales muy frágiles tienen valores bajos de tenacidad
de fractura (KIC ) al contrario que los más resistentes.

27. TENACIDAD DE FRACTURA: KIC
I Carga modo I (uniaxial)
C Crítico

28. Y factor geométrico de
orden la unidad
tensión total aplicada
en el momento de la
rotura
longitud de una grieta
superficial
· ·
IC f
K Y a
 

f

a
[ ]
MPa m

29. Valores
típicos de
tenacidad de
fractura (KIC)
para
distintos
materiales

30. Mecanismos para aumentar la tenacidad de
fractura de los cerámicos frenando el avance de la
grieta

31. FATIGA DE
MATERIALES
ENSAYO DE FATIGA

32. Definición de Fatiga y ejemplos
Fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo
cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente
que con cargas estáticas.
Forma de rotura que aparece en estructuras que están
sometidas a fuerzas cíclicas (puentes, aviones o
componentes de máquinas)
Es de una gran importancia
Implica una deformación elástica del material
Su estudio data de mediados del s. XIX

34. Clasificación ensayos de Fatiga y conceptos
importantes
Amplitud constante:
Ensayos de bajo número de ciclos (<104-105 ciclos)
Ensayos de alto número de ciclos (>104-105 ciclos)
Amplitud variable:
Ensayos de alto número de ciclos.
 Vida a la fatiga: nº de ciclos hasta rotura.
 Resistencia a la fatiga: Máxima tensión bajo la cual el
material no se rompe.

35. Máquinas de ensayo para el estudio del
fenómeno
Wohler (1819-1914)
Máquina de Moore (ensayo de flexión rotativa)

36. Curvas S-N o de Wohler
Curva S-N con límite de fatiga: Curva S-N sin límite de fatiga:

37. Proceso de rotura
INICIO:
 Deformación plástica local en la superficie del metal
 Discontinuidades acusadas superficiales
 Formación de la grieta

38. PROPAGACIÓN:
ETAPA I:
Propagación de la grieta
de forma lenta
ETAPA II:
Aumento de la velocidad de propagación
Formación de marcas de playa y estrías
ROTURA:
Aumento de la grieta en anchura
Rotura final

39. Factores que intervienen en la rotura por
fatiga
DISEÑO:
 Gran influencia
 Las Discontinuidad geométricas  Concentradoras de
tensión
 ↑Discontinuidad, ↑concentración de tensiones
 Soluciones: Modificar el diseño

40. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES:
 Rayas y surcos  Limitan la vida a la fatiga
 Soluciones: Mejora del acabado superficial (Procesos de
“Granallado” o “Perdigonado”)
ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL:
 Aumento de dureza superficial y vida a la fatiga
(Proceso de “Carburación” y “Nitruración”)

41. Influencia del medio
FATIGA TÉRMICA:
 A Temperaturas ↑
 Sin aplicación de tensión mecánica
 Dilatación y contracción
FATIGA CON CORROSIÓN:
 Tensión y ataque químico
 Reducción del espesor
 Aparición de fisuras o picaduras
 Corrosión del interior
 Disminución de la vida a la fatiga

42. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
-Definen la calidad intrínseca de un producto
sin deteriorarlo.
-Permiten la inspección del 100% de la
producción, y la obtención de datos de todo
el volumen de un producto o pieza.
-Contribuyen a mantener un nivel de calidad
uniforme en el producto y en la producción.

43. ¿Qué es la uniformidad?
-Es una comprobación de la calidad de lo
fabricado.
-Prestigio a la industria, seguridad al
proyectista y confianza al usuario.
-Es un índice de calidad de las propiedades
físico-químicas y tecnológicas de la pieza.
¿Qué otorga la uniformidad?

44. ENSAYOS POR LIQUIDOS
PENETRANTES
-Sirven para detectar grietas en la superficie de
sólidos no porosos.
-Se utiliza un líquido que por capilaridad penetra
en las posibles grietas de la pieza.
-Aplicable a materiales no magnéticos: aluminio,
magnesio, acero inoxidable, cobres, bronces,
latones y otras aleaciones y metales. También
cerámicas vitrificadas, vidrio y plásticos.

45. Etapas básicas del ensayo
1. Limpieza y preparación
previas de la superficie.
2. Penetración del líquido.
3. Eliminación del exceso de
líquido penetrante.
4. Aplicación del Revelador.
5. Observación.

46. ¿Qué propiedades afectarán a la
penetrabilidad de los líquidos?
1) Viscosidad  se recomiendan valores medios.
2) Tensión superficial y poder humectante  están
ligadas del tal forma que contra más baja sea la
primera más alta será la segunda.
3) Volatilidad  debe ser pequeña.
4) Inercia química  Inerte y resistente a la corrosión
con respecto a los materiales a inspeccionar.
5) Toxicidad, olor, irritación de la piel  se prefiere que
sean inocuos sacrificando algunas características.

47. Tipos de líquidos penetrantes
-Penetrantes fluorescentes: incorporan en su
composición un pigmento fluorescente.
 Autoemulsionables: se eliminan con agua.
Postemulsionables: se aplica un emulsificador.
En medio acuoso: se usan en caso de riesgo de
incendio.
-Penetrantes coloreados: son disoluciones de
pigmentos coloreados. Tienen la ventaja de que no
se necesita una fuente luminosa especial para
observarlos (luz visible).

48. PROCEDIMIENTO DE LIQUIDOS PENETRANTES
 Limpieza de la zona a inspeccionar, con cepillo metálico o trapo húmedo
en limpiador.
 Aplicación del penetrante, mediante brocha o spray (baño para piezas
grandes)
 Espera de unos 15-20 min. para que se produzca la penetración.

49.  Eliminación del penetrante, mediante trapos húmedos en eliminador.
 Aplicación del revelado.
 Espera de unos 15 min. hasta que el revelador haga efecto.
 Evaluación del ensayo.

50. ENSAYOS POR PARTÍCULAS
MAGNÉTICAS
-Permiten detectar discontinuidades superficiales y
subsuperficiales en materiales ferromagnéticos.
-Las distorsiones atraen a unos polvos procedentes de
una suspensión vertida previamente, mostrando por
acumulación y de manera visual las grietas del material.
- Se aplica un campo magnético  provocará la aparición
de distorsiones cuyo componente vectorial será
perpendicular al campo externo.

51. Ferromagnetismo
-Este comportamiento de la materia se presenta en
el hierro puro, cobalto, níquel y en aleaciones de
estos metales entre sí. También tiene lugar en el
gadolinio y en el disprosio.
-Es una propiedad de la materia que surge cuando se
aplica un campo magnético externo. Este provocará la
alineación de los dipolos magnéticos del material ante
ese campo externo (imanación).
-Los dipolos magnéticos reciben el nombre de
dominios en los materiales ferromagnéticos.

52. Ilustración de los dominios ferromagnéticos

53. Curva de histéresis
-De 0 a A  Imanación.
-Cerca de A  Pte 0 por la imanación
de saturación.
-De A a B  Reducción del campo
aplicado hasta un valor 0. (Histéresis)
-Punto B  Campo remanente (el
sumatorio de los dominio en la pieza
ya no es cero en ausencia de campo
externo).
-Es a través de la interpretación del ciclo de histéresis como se detectan
tensiones internas, el contenido en carbono, el tratamiento térmico o
la dureza para un conjunto de materiales.

54. Equipos basados en la distorsión
magnética
- Aparte de las partículas magnéticas (polvos) para detectar las
discontinuidades de manera visual, existen elementos
automáticos capaces de detectarlas también. Estos detectores
son las sondas Foersted o Hall y la banda magnética
(Magnetografía)
-

55. PROCEDIMIENTO DE PARTICULAS MAGNETICAS
 Limpieza de la zona a inspeccionar (eliminación de grasas y óxidos).
 Elección del tipo de partículas:
 Secas: hay que recogerlas y son mas caras (ensayo mas lento).
 Húmedas: negras o fluorescentes.
 Para partículas negras se da una laca de contraste.
 Magnetizar zona a inspeccionar.

56.  Aplicar partículas.
 Inspeccionar con lámpara (negras → luz blanca; fluorescentes → luz
negra).
 Evaluación de indicaciones.
 Limpieza de la zona ensayada.

57. ENSAYOS POR CORRIENTES
INDUCIDAS
-Comprueban la calidad de los materiales en cuanto a la presencia
y la magnitud de heterogeneidades y además ofrecen información
sobre la caracterización de los mismos. La caracterización es la
comprobación de su naturaleza, de su composición y de su estado
estructural.
-Constituyen una prueba de uniformidad por su gran sensibilidad
y por la aplicación al 100% de la producción.
- Son en esencia una mejora del método de las partículas
magnéticas por el registro automático de las indicaciones, la
velocidad del mismo y la selección rápida de piezas sin grietas.

58. Fundamento del ensayo
-No existe contacto directo entre el equipo y la pieza objeto
de estudio, por lo que no existe posibilidad de dañar la pieza.
-El ensayo consta de dos solenoides, el primero de ellos es la
bobina exterior (primaria) y el otra la interior (secundaria) que
es el receptor de las variaciones de impedancia aparente
debido a las características significativas de la muestra.
-En vacío existe una diferencia de fase entre el primario y el
secundario. Al explorar la muestra se produce un
desplazamiento de la curva correspondiente al secundario y,
en el caso de que la muestra presente grietas, se produce un
nuevo desplazamiento.

59. -Aplicaciones de las corrientes
inducidas
a) Discontinuidades o grietas  Detección y determinación
de su magnitud.
b) Naturaleza y estado de tratamiento de metales y
aleaciones  Comprobación de la pureza de metales no
aleados, identificación y clasificación de metales y
aleaciones, identificación y comprobación del estado del
tratamiento, de la dureza, determinación de la
profundidad y dureza de chapas.
c) Determinación de propiedades físicas  conductividad
eléctrica, permeabilidad magnética.
d) Dimensiones  medida de espesores.

60. RAYOS X
NATURALEZA DE LOS RAYOS X
 Radiación electromagnética penetrante.
 Producida por la transición de e- internos entre orbitales, desarrollando una
aceleración brusca de estos e-.
 λ →10nm-0,001nm(λ ↓ que la luz visible).
 ↓ λ → ↑ energía y poder penetrante.

61. INTRUMENTAL
Partes del equipo:
 Tubo de rayos X
• Carcasa protectora
• Envoltura de cristal
• Cátodo
Filamento (mayor o menor)
Copa de enfoque
Selector
• Ánodo (estacionario o rotativo)
Punto focal
Blando
 Ábaco de exposición
 Monitor
 Cables auxiliares
 Película
 Indicador de imagen

62. Tipos de equipo:
 Equipo fijo
 Equipo portátil

63. RAYOS γ
NATURALEZA DE LOS RAYOS GAMMA
 Radiación producida por un núcleo excitado (radioactivo).
 ↓ λ que rayos X → ↑ energía y poder penetrante.
 Emisión de partículas alfa y beta asociada a la radiación γ.
 Poder penetrante: gamma > beta(-) > alfa(+)
 No poseen carga ni masa → no hay cambio estructural.
 Emisión γ pura → isótopos (isómeros nucleares). Ej. Protactinio 234

64. INTRUMENTAL Y EQUIPO
 Carcasa del equipo de rayos gamma
 Telemando
 Soporte del telemando
 Guía flexible de salida de fuente
 Porta fuentes
 Colimador
 Ábaco de exposición
 Película
 Indicador de calidad

66. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO RAYO γ Y X
 Tipo de material.
 Tipo de probeta u zona a ensayar (unión soldada, tubo, chapa …).
 Espesor de zona a radiografiar.
 Tamaño y calidad de película.
 Indicadores de calidad de imagen.
 Distancia entre foco y pieza.
 Voltaje del equipo.
 Tiempo de exposición.
 Revelado y calificación de la radiografía.
UTILIZACIÓN
Fallos internos:
 Rayos X: espesores menores.
 Rayos γ: espesores mayores, zonas de difícil acceso.

67. ULTRASONIDOS
NATURALEZA DE LOS ULTRASONIDOS
 Vibraciones elásticas de frecuencia superior a 20000 Hz.
 El haz sónico (ondas) posee una frecuencia entre 20 KHz a 20 MHz.
 Requieren un medio con partículas que oscile alrededor de su posición de
equilibrio.
 Tipos de ondas:
• Ondas longitudinales
• Ondas transversales
• Ondas Rayleigh

68. GENERACIÓN DE ONDAS ULTRASONICAS
Métodos:
 Cristales piezoeléctricos (cristales entre electrodos metálicos oscilan por
resonancia). Ej. Cuarzo
 Materiales cerámicos ferro eléctricos (varilla ferromagnética sometida a dos
campos). Ej. Sulfato de litio
Forma y características de haz:

69. TÉCNICAS DE ENSAYO
 Método por transmisión
 Método por reflexión o pulso-eco
 Método por resonancia
 Método por ecos múltiples

70. INSTRUMENTAL Y EQUIPO
 Equipo de ultrasonidos
 Palpador
 Cable de conexión
 Receptor (si se necesita)

71. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
 Tipo de material.
 Tipo de probeta u zona a ensayar (unión soldada, tubo, chapa …).
 Espesor de zona de ensayo.
 Elección del tipo de palpador (normales o angulares) y frecuencia a utilizar.
 Calibración de equipo.
 Limpieza de zona de ensayo.
 Aplicación del acoplante (colas, aceites…).
 Realización de ensayo.
 Evaluación de posibles indicaciones o defectos.

72. Modo de fallos
Metodología e identificación de
los diferentes modos de fallos:

73. Rotura dúctil
Los materiales
sobrepasan el
límite elástico y
se rompen

74. Rotura Frágil
Propagación
rápida de una
grieta sin
deformación
plástica.

75. Fallo por fatiga
Tras varios
ciclos de
aplicación de
una tensión
menor que la
de rotura

76. Fallo por corrosión bajo
tensión
Tensión no
cíclica en un
ambiente
corrosivo

77. Fallo por erosión líquida
Causado por un
líquido
produciendo
una zona de
picaduras

78. Fragilización por hidrógeno
EL hidrógeno
se encuentra
entre el acero
produciendo
grietas
imperceptibles

79. El análisis de fallos del Titanic
La temperatura de transición entre dúctil y
frágil era muchas más alta que la que se
encontraban en los actuales aceros (Ensayo
de impacto Charpy)

80. El análisis de fallos del Titanic
La selección
del material fue
un fracaso,
pero
probablemente
era el mejor de
la época