La ciencia de materiales es una disciplina compleja y fascinante que busca entender la estructura, propiedades y comportamiento de los materiales en diferentes condiciones. A lo largo de los estudios y experimentos, los científicos de materiales se encuentran con diversos modos de error que pueden afectar la validez y reproducibilidad de sus resultados. En este artículo, exploraremos algunos de los tipos más comunes de modos de error en la ciencia de materiales y cómo evitarlos. Si eres un entusiasta de esta disciplina o simplemente tienes curiosidad acerca de su funcionamiento, ¡este artículo te será de gran interés!
Los errores son una de las cosas más importantes a las que todo diseñador debe enfrentarse. Todos los componentes y elementos de la máquina no pueden cumplir su función prevista. Para comprender la falla de un elemento de una máquina, primero debemos comprender de cuántas maneras diferentes puede fallar un elemento de la máquina. Veamos los tipos más comunes de modos de falla en la ciencia de materiales.
Los elementos de la máquina y los elementos estructurales no pueden realizar sus funciones previstas en tres modos de falla generales.
- Fallo por deformación elástica excesiva.
- Fallo por fluencia o deformación plástica excesiva.
- Fallo por rotura
Para un buen diseño, es importante comprender los modos de falla más comunes, ya que siempre es necesario relacionar las cargas y dimensiones del componente con un parámetro importante del material que limita la capacidad de carga del componente.
Diferentes parámetros significativos son importantes para diferentes tipos de errores.
Fallo por deformación elástica excesiva.
Pueden ocurrir dos tipos generales de deformación elástica excesiva.
- Deflexión excesiva en condiciones de equilibrio estable, como la deflexión de una viga bajo cargas graduales.
- Deflexión o pandeo repentino en condiciones de equilibrio inestable.
Una deformación elástica excesiva de una pieza de una máquina puede provocar fallos en la máquina, al igual que la rotura completa de la pieza. Por ejemplo, un eje demasiado flexible puede provocar un rápido desgaste de los cojinetes, o una deflexión excesiva de las piezas que encajan muy bien puede provocar fallos y daños en las piezas.
La falla por pandeo repentino puede ocurrir en una columna delgada cuando la carga axial excede la carga crítica de Euler o cuando la presión externa que actúa sobre una carcasa de paredes delgadas excede un valor crítico.
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Las fallas debidas a una deformación elástica excesiva están controladas por el módulo elástico más que por la resistencia del material.
En general, el módulo de elasticidad difícilmente puede controlarse metalúrgicamente.
La forma más eficaz de aumentar la rigidez de un componente suele ser cambiar su forma y aumentar las dimensiones de su sección transversal.
Fallo por fluencia o deformación plástica excesiva.
La fluencia o deformación plástica excesiva se produce cuando se ha superado el límite elástico del metal.
El ceder provoca un cambio permanente de forma, lo que puede provocar que la pieza ya no funcione correctamente.
La fractura rara vez ocurre en un metal dúctil bajo condiciones de carga estática a temperatura ambiente porque la tensión del metal se endurece a medida que se deforma y se requiere una tensión mayor para inducir una mayor deformación.
La falla debida a una deformación plástica excesiva está controlada por el límite elástico del metal para una condición de carga uniaxial.
Para condiciones de carga más complejas, el límite elástico sigue siendo el parámetro decisivo,
Sin embargo, debe utilizarse con un criterio de error adecuado. A temperaturas muy por encima de la temperatura ambiente, los metales ya no muestran endurecimiento por trabajo.
En cambio, los metales pueden deformarse continuamente bajo tensión constante en un comportamiento de flujo dependiente del tiempo llamado fluencia.
El criterio de falla en condiciones de fluencia se complica por el hecho de que la tensión no es proporcional a la deformación y que las propiedades mecánicas del material pueden cambiar significativamente durante la operación.
Fallo por rotura
La formación de una grieta que puede provocar una interrupción total de la continuidad del componente constituye una fractura.
Un componente de metal dúctil sometido a carga estática rara vez se rompe como una muestra de tracción porque inicialmente falla debido a una deformación plástica excesiva.
Sin embargo, los metales fallan por fractura de tres maneras generales:
- Fractura frágil repentina
- Fatiga o fractura progresiva.
- ruptura retrasada
El frágil material se rompe bajo carga estática y apenas muestra signos externos de ceder.
1. Fractura frágil repentina
A repentinamente frágil En determinadas condiciones, este tipo de fracturas también pueden producirse en metales normalmente dúctiles. El acero estructural al carbono normal es el ejemplo más común de un material con una transición dúctil a frágil.
La transición del tipo de fractura dúctil al frágil se ve favorecida por una disminución de la temperatura, un aumento en la tasa de carga y la presencia de un estado de tensión complejo a través de una entalla.
2. Fatiga o fractura progresiva
Esto provoca la mayoría de roturas en las piezas de la máquina. fatiga. Las fallas por fatiga ocurren en piezas que están sujetas a cargas cambiantes o fluctuantes. Una pequeña grieta comienza en un lugar localizado, generalmente en una muesca o concentración de tensión, y se propaga gradualmente a lo largo de la sección transversal hasta que el componente se fractura.
En tensiones nominales o promedio muy por debajo de la resistencia a la tracción del metal, la falla por fatiga ocurre sin signos visibles de fluencia.
La falla por fatiga es causada por una tensión de tracción local crítica, que es muy difícil de evaluar. Por lo tanto, el diseño para falla por fatiga se basa principalmente en relaciones empíricas que utilizan tensiones nominales. Lea más sobre la fatiga aquí
3. Ruptura retrasada
Un tipo común de ruptura retrasada Es una falla por fractura por tensión que ocurre cuando el metal ha sido sometido a cargas estáticas a temperaturas elevadas durante un período prolongado de tiempo. Dependiendo de la carga y la temperatura, es posible que no haya fluencia antes de la fractura.
Un tipo similar de fractura retardada, en la que no hay aviso previo de fluencia antes de fallar, ocurre a temperatura ambiente cuando el acero se somete a carga estática en presencia de hidrógeno.
Todos estos son tipos de defectos que pueden ocurrir en los materiales. Veamos cómo podemos controlar estos modos de falla.
Prevención de fallos de materiales en el diseño de elementos de máquinas.
- Todos los materiales de ingeniería tienen cierta variabilidad en las propiedades mecánicas, que a su vez pueden verse influenciadas por cambios en el tratamiento térmico o la fabricación.
- Además, generalmente hay incertidumbres en la magnitud de las cargas aplicadas y generalmente se requieren aproximaciones para calcular las tensiones para todos los elementos, excepto para los más simples.
- Por lo tanto, para proporcionar un margen de seguridad y proteger contra fallas por razones imprevisibles, es necesario que los voltajes permitidos sean menores que los voltajes que conducen a la falla.
- El valor de la tensión para un material particular utilizado de una manera particular que se considera una tensión segura se denomina comúnmente tensión de trabajo σw
- En aplicaciones estáticas, la tensión operativa de los metales dúctiles generalmente se basa en el límite elástico σ0 y para metales frágiles sobre la resistencia a la tracción σtu
- Los niveles de estrés laboral los establecen los gobiernos locales y estatales, así como organizaciones técnicas como la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME). Ver la lista completa de normas técnicas.
- La tensión de trabajo puede verse como el límite elástico o la resistencia a la tracción dividido por un número llamado factor de seguridad.
σw = σ0/NORTE0
o
σw = σtu/NORTEtu
Dónde
σw = estrés laboral, psi
σ 0 = límite elástico, psi
σ tu =Resistencia a la tracción, psi
norte0 = Factor de seguridad basado en el límite elástico
nortetu = Factor de seguridad basado en la resistencia a la tracción
- El valor asignado al factor de seguridad depende de una estimación de todos los factores discutidos anteriormente.
- Además, se deben considerar cuidadosamente las consecuencias del fracaso.
- Si una falla resultaría en la pérdida de vidas, se debe aumentar el factor de seguridad.
- El tipo de equipo también influye en el factor de seguridad.
- Para equipos militares, donde el peso ligero puede ser una prioridad, el factor de seguridad puede ser menor que para equipos comerciales.
- El factor de seguridad también depende del tipo de carga que se espera.
- Si hay una carga estática, como en un edificio, el factor de seguridad sería menor que para una máquina expuesta a vibraciones y cargas cambiantes.
Diploma
Discutimos varios modos de falla en la ciencia de materiales y cómo podemos controlar estos modos de falla al diseñar elementos de máquinas. Además, existen diferentes teorías de falla cuando un componente de una máquina se somete a diferentes cargas de diferentes tipos. Además, en la fase de prueba de los prototipos se observan fallas por fractura, falla por fatiga y falla por fluencia. Todos estos conceptos son muy importantes porque todo diseñador debe tener un conocimiento profundo de ellos. Háganos saber lo que piensa en la sección de comentarios a continuación.
Tipos comunes de modos de falla en la ciencia de materiales
Fracaso debido a deformación elástica excesiva
El exceso de deformación elástica puede ocurrir de dos formas generales:
– Deflexión excesiva bajo condiciones de equilibrio estable, como la deflexión de una viga bajo una carga gradualmente aplicada.
– Deflexión repentina o pandeo bajo condiciones de equilibrio inestable.
La deformación elástica excesiva de una pieza de máquina puede implicar un fallo de la máquina tanto como si la pieza se fracturara por completo. Por ejemplo, un eje demasiado flexible puede causar un desgaste rápido del rodamiento, o la deflexión excesiva de partes que se ajustan estrechamente puede provocar interferencia y daños en las partes.
El tipo de fallo repentino por pandeo puede ocurrir en una columna delgada cuando la carga axial excede la carga crítica de Euler o cuando la presión externa que actúa sobre una carcasa delgada supera un valor crítico.
Los fallos debido a deformación elástica excesiva se controlan mediante el módulo de elasticidad, no por la resistencia del material.
En general, se tiene poco control metalúrgico sobre el módulo de elasticidad. La forma más efectiva de aumentar la rigidez de una pieza es generalmente cambiando su forma y aumentando las dimensiones de su sección transversal.
Fracaso debido a la cedencia o deformación plástica excesiva
La cedencia o deformación plástica excesiva ocurre cuando se ha superado el límite elástico del metal. La cedencia produce un cambio permanente de forma que puede evitar que la pieza funcione correctamente.
En un metal dúctil bajo condiciones de carga estática a temperatura ambiente, la cedencia rara vez resulta en fractura, debido a que el metal se endurece a medida que se deforma, y se requiere un mayor estrés para producir una mayor deformación.
El fallo por deformación plástica excesiva está controlado por la resistencia a la cedencia del metal en una condición uniaxial de carga.
Para condiciones de carga más complejas, la resistencia a la cedencia sigue siendo el parámetro significativo, pero debe usarse con un criterio de fallo adecuado. A temperaturas significativamente superiores a la temperatura ambiente, los metales ya no exhiben endurecimiento por deformación.
En su lugar, los metales pueden deformarse continuamente a una tensión constante en una deformación dependiente del tiempo conocida como fluencia. El criterio de fallo en condiciones de fluencia es complicado debido a que el estrés no es proporcional a la deformación, y además las propiedades mecánicas del material pueden cambiar considerablemente durante el servicio.
Fracaso debido a la fractura
La formación de una grieta que puede resultar en la interrupción completa de la continuidad de la pieza constituye una fractura. Una pieza hecha de un metal dúctil que está cargada estáticamente rara vez se fractura como una muestra de tracción, ya que primero fallará debido a una deformación plástica excesiva.
Sin embargo, los metales pueden fracturarse de tres formas generales:
– Fractura frágil repentina
– Fatiga o fractura progresiva
– Fractura tardía
Los materiales frágiles se fracturan bajo cargas estáticas con poco evidencia externa de cedencia.
1. Fractura frágil repentina: Este tipo de fractura frágil puede ocurrir incluso en metales ductiles en ciertas condiciones. El acero estructural al carbono es el ejemplo más común de un material con una transición de dúctil a frágil. El cambio de dúctil a frágil se promueve por una disminución de la temperatura, un aumento en la velocidad de carga y la presencia de un estado de estrés complejo debido a una muesca.
2. Fatiga o fractura progresiva: La mayoría de las fracturas en partes de máquinas se deben a la fatiga. Las fallas por fatiga ocurren en partes que están sujetas a tensiones alternantes o fluctuantes. Una pequeña grieta comienza en un lugar localizado, generalmente en una muesca o concentración de tensiones, y se extiende gradualmente por toda la sección transversal hasta que la pieza se rompe. La falla por fatiga ocurre sin ningún signo visible de cedencia en tensiones nominales o promedio que están muy por debajo de la resistencia a la tracción del metal.
3. Fractura tardía: Un tipo común de fractura tardía es una falla por ruptura del estrés, que ocurre cuando el metal ha sido cargado estáticamente a una temperatura elevada durante un largo período de tiempo. Dependiendo del estrés y la temperatura, puede no haber cedencia antes de la fractura. Un tipo similar de fractura tardía, en el que no hay indicación de cedencia antes del fallo, ocurre a temperatura ambiente cuando el acero se carga estáticamente en presencia de hidrógeno.
Estos son todos los modos de falla que pueden ocurrir en materiales. Veamos cómo podemos controlar estos modos de falla.
Prevención del fallo de materiales durante el diseño de elementos de máquina
Todos los materiales de ingeniería muestran cierta variabilidad en sus propiedades mecánicas, las cuales a su vez pueden ser influenciadas por cambios en el tratamiento térmico o la fabricación. Además, generalmente existe incertidumbre respecto a la magnitud de las cargas aplicadas, y es necesario realizar aproximaciones para calcular las tensiones, excepto en los elementos más simples. Por lo tanto, para proporcionar un margen de seguridad y proteger contra fallas por causas impredecibles, es necesario que las tensiones permisibles sean más bajas que las tensiones que producen el fallo.
El valor de tensión para un material particular utilizado de una manera particular y considerado seguro se llama tensión de trabajo σw. Para aplicaciones estáticas, la tensión de trabajo de los metales dúctiles se basa generalmente en la resistencia a la cedencia σ0, y para los metales frágiles se basa en la resistencia a la tracción σu. Los valores de tensión de trabajo son establecidos por agencias locales y federales, y por organizaciones técnicas como la American Society of Mechanical Engineers (ASME).
La tensión de trabajo puede considerarse como la resistencia a la cedencia o la resistencia a la tracción dividida por un número llamado factor de seguridad.
σw = σ0/N0
o
σw = σu/Nu
donde
σw = tensión de trabajo, psi
σ0 = resistencia a la cedencia, psi
σu = resistencia a la tracción, psi
N0 = factor de seguridad basado en la resistencia a la cedencia
Nu = factor de seguridad basado en la resistencia a la tracción
El valor asignado al factor de seguridad depende de una estimación de todos los factores mencionados anteriormente. Además, se debe considerar cuidadosamente las consecuencias que resultarían de un fallo. Si el fallo resultaría en pérdida de vidas, el factor de seguridad debería aumentarse. El tipo de equipo también influirá en el factor de seguridad. En equipos militares, donde el peso ligero puede ser una consideración primordial, el factor de seguridad puede ser más bajo que en equipos comerciales. El factor de seguridad también dependerá del tipo de carga esperada. Para cargas estáticas, como en un edificio, el factor de seguridad sería más bajo que en una máquina que está sujeta a vibraciones y tensiones fluctuantes.
Conclusion
Hemos discutido diferentes modos de falla en la ciencia de materiales y cómo podemos controlar estos modos de falla durante el diseño de elementos de máquina. Junto con esto, tenemos diferentes teorías de fallas cuando un componente de máquina está sujeto a diferentes tipos de tensiones. También se observan fallas por fractura, fallas por fatiga y fallas por fluencia en la etapa de prueba de prototipos. Todos estos conceptos son muy importantes y todos los ingenieros de diseño deben tener un profundo entendimiento de ellos. Cuéntanos qué piensas sobre esto en la sección de comentarios a continuación.