mecanismos de daño-1era parte
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Mecanismos para conocer las diferentes fallas que ocurren en los equiposTRANSCRIPT
Mecanismos de daño asistidos por
esfuerzos mecánicos - 1era Parte
Mecanismo de creep o fluencia lenta
2
Creep (fluencia lenta)
¿Que es el creep?
• Mecanismo de
deterioro en el tiempo
que provoca la
deformación continua
de un material bajo
carga (esfuerzos) y
expuesto a una
temperatura elevada. Distorsión por creep en un álabe de aleación de Co
3
Creep (fluencia lenta)
¿Cómo se manifiesta?
• Deformación asistida
térmicamente y
dependiente del
tiempo.
• Variaciones
dimensionales,
distorsiones, lo que
ocasiona, finalmente,
la ruptura del mismo. Distorsión por creep en un álabe de aleación de Co
4
Creep (fluencia lenta)
¿Dónde se puede presentar el creep?
• Calderos
• Turbinas a gas y de vapor
• Hornos industriales
• Equipos para refinación del petróleo
– Craqueo catalítico
– Hidrocracking
– Reforma catalítica
– Tratamiento de hidrogenación
5
¿Donde se puede presentar el creep?
Creep (fluencia lenta)
htt
p:/
/ww
w.m
sm
.ca
m.a
c.u
k
• Turbinas a gas y de vapor
6
¿Dónde se puede presentar el creep?
Creep (fluencia lenta)
• Plantas petroquímicas
7
¿Dónde se puede presentar el creep?
Creep (fluencia lenta)
• Hornos industriales
htt
p:/
/ww
w.icm
ifo
rniin
du
str
iali.
co
m
8
¿Dónde se puede presentar el creep?
Creep (fluencia lenta)
htt
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/ww
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aco
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uctio
n.c
om
/
htt
p:/
/ww
w.n
et4
tru
thu
sa
.co
m • Incendios
9
¿Dónde se puede presentar el creep?
Creep (fluencia lenta)
911
res
earc
h.w
tc7.n
et/
.../fi
re/S
Lam
on
t.h
tm
• Incendios
10
Un material sometido a un mecanismo de creep experimenta tres etapas:
x rotura Deformación debida a creep
Tiempo de servicio
3ª Etapa 2ª Etapa
1ª Etapa
¿Cómo se comporta un material expuesto a creep?
Comportamiento debido a creep
11
Creep primario: la resistencia al creep se incrementa con el grado de deformación.
x rotura
Defo
rmació
n
deb
ida a
cre
ep
Tiempo de servicio
3ª Etapa 2ª Etapa
1ª Etapa
Curva creep
Creep secundario: balance entre el endurecimiento por deformación y proceso de recuperación.
Creep terciario: la velocidad de creep se incrementa por el daño acumulado hasta provocar la rotura.
12
s = 203 MPa
s = 158 MPa
s = 126 MPa
s = 77 MPa
Acero de baja
aleación al Mo-V
Tiempo en horas
Deformación por creep
Curva creep
La curva creep dependerá del nivel de esfuerzo aplicado y
de la temperatura al cual está expuesto el material.
13
Curva creep
La forma de la curva creep está determinada por una serie de factores que actúan de manera conjunta:
1. Endurecimiento por deformación.
2. Procesos de ablandamiento:
3. Mecanismos de daño: formación de
microcavidades, fisuración.
Restauración y recristalización,
sobre-envejecimiento por
precipitación.
14
293 MPa
201 MPa
108 MPa
77 MPa
e (%)
tiempo
Curvas creep
Curva típica de creep.
Resultado de los
ensayos experimentales
de creep.
Se fija una temperatura
de ensayo y se varían los
esfuerzos.
15
700°C
750°C
800°C 850°C
900°C
s(MPa)
tiempo
Curvas creep
Curvas construidas a partir
de las curvas
experimentales.
Las curvas se elaboran para
un criterio común de falla
porcentaje de deformación
máxima
rotura
16
Curvas esfuerzo-temperatura para una deformación total de 3% en 10 minutos de exposición
Curvas creep
200°C 760°C 430°C
17
Ensayos creep
18
Fuente: http://www.swan.ac.uk/mateng/gifs/irccreep.gif
Ensayos creep
19
A B C
Modos de fractura a elevadas
temperaturas
A. Ruptura
B. Fractura por creep transgranular
C. Fractura por creep intergranular
20
Modos de fractura a elevadas
temperaturas
– Reducción en área de hasta un 100%. Se produce a altos niveles de esfuerzos y de temperaturas. Los altos esfuerzos están asociados a elevadas velocidades de deformación, típicas de trabajo en caliente.
– Hay fenómenos de recuperación y recristalización dinámica que inhiben la nucleación de microcavidades.
A. Ruptura
21
Modos de fractura a elevadas
temperaturas
– Es el modo de fractura análogo a la fractura
dúctil a bajas temperaturas. Se produce
nucleación de microcavidades (alrededor de
inclusiones o hetereogeneidades
microestructurales), que luego crecen y
coalescen en forma de agujeros.
– Está asociada con altos esfuerzos en creep.
B. Fractura por creep transgranular
22
ww
w.t
wi.co
.uk
/pro
fess
ion
al/g
etF
ile
/jk
81.h
tml
Modos de fractura a elevadas
temperaturas
– Se produce a niveles
de esfuerzo menores.
Tiene una apariencia
microscópica de
fractura frágil.
– Formación de
microcavidades en los
límites de grano.
C. Fractura por creep intergranular
23
ww
w.t
wi.co
.uk
/pro
fess
ion
al/g
etF
ile
/jk
81.h
tml
Modos de fractura a elevadas
temperaturas
– Se observa una
mínima deformación a
nivel microscópico.
C. Fractura por creep intergranular
24
Fractura de iridio puro después de
un ensayo creep a 1800°C; 8,3 MPa,
385,9 h.
ww
w.p
lati
nu
mm
eta
lsre
vie
w.c
om
/.../F
14
Modos de fractura a elevadas
temperaturas
C. Fractura por creep intergranular
25
Mecanismos de rotura por creep
1. Creep por dislocaciones
2. Creep por
difusión
A través de los granos.
A través de los límites
de granos.
26
Fuente: http://www.earth.man.ac.uk/research/2/index.php?p=2
Mecanismos de rotura por creep
– Se observa a esfuerzos medios y altos; y a temperaturas por encima de 0,4 Tfusión.
– Es el mecanismo más significativo de creep en la mayoría de los materiales de ingeniería.
– El mecanismo es controlado por movimiento de dislocaciones y difusión de vacancias.
1. Creep por dislocaciones
27
Fuente: http://www.earth.man.ac.uk/research/2/index.php?p=2
Mecanismos de rotura por creep
– Involucra el movimiento
de dislocaciones además
del de vacancias. Se
requieren altas tensiones
pero el proceso puede
desarrollarse a
temperaturas
intermedias, en las que el
flujo difusional es escaso.
1. Creep por dislocaciones
28
Mecanismos de rotura por creep
– Se observa a bajos esfuerzos
y muy altas temperaturas de
servicio (cercanas a la
temperatura de fusión).
– Implica el movimiento de
vacancias.
– Formación espontánea de
vacancias en las regiones de
los bordes de grano.
2. Creep difusional
Movimiento
de
vacancias
F
F
29
Cambio microestructural acompañando al creep difusional
www.nims.go.jp/kouyuuten/summary_e.html
Mecanismos de rotura por creep
2. Creep difusional
F F
30
Mecanismos de rotura por creep
2. Creep difusional
2.1. Intergranular (creep Coble)
• Los átomos se difunden a través de los límites de grano.
• Deforman los granos en la dirección de los esfuerzos.
• Es más dependiente al tamaño de los granos que el creep
transgranular.
• Ocurre a más bajas temperaturas que el creep
transgranular.
• Depende de la temperatura pero en menor grado que el
creep transgranular.
31
Mecanismos de rotura por creep
2. Creep difusional
2.2. Transgranular (creep Nabarro-Herring)
• Los átomos se difunden a través de la red cristalina lo que
causa que los granos se elonguen en la dirección de los
máximos esfuerzos.
• Es un modo de creep fuertemente dependiente de la T.
• Requiere de espacios libres en la red cristalina o en los
agujeros intersticiales.
• Es el mecanismo dominante a muy elevadas
temperaturas (en relación a la temperatura de fusión del
material).
• Bajos esfuerzos y elevadas temperaturas
32
La microestructura y la resistencia al
creep
htt
p://w
ww
.do
itp
om
s.a
c.u
k/tlp
lib/c
reep
/im
age
s/im
g01
4.jpg
Estructura
cristalina equiaxial Estructura solidifica
direccionalmente monocristal
Aumento de resistencia a la deformación por creep
33
Aleaciones resistentes al creep
• Materiales con alto punto de fusión. Sin embargo, metales refractarios como el Nb, Mo, Ta, W (Tf > 2000°C) son muy reactivos (se oxidan con facilidad), por lo que su uso es limitado a ambientes con atmósferas protectoras.
• Metales con estructura CCCa (FCC) son los más adecuados para resistir el creep.
34
Aleaciones resistentes al creep
• El trabajo en frío incrementa también la resistencia al
creep, pero su efecto es temporal especialmente a
temperaturas T > 0,5 Tf.
• Elementos en solución sólida y elementos
intersticiales aumentan la resistencia al creep de las
aleaciones.
El método más importante para mejorar la resistencia
al creep de las aleaciones es incorporar en el interior
de los granos una fina dispersión de partículas de
fases secundarias.
35
Aleaciones resistentes al creep
htt
p://w
ww
.scie
lo.b
r/im
g/r
evis
tas/m
r/v1
0n
4/a
21
fig
08
.gif
A = Aleac. austeníticas
M = Aleac. martensíticos
F = Aleac. ferríticos
36
Fallas debidas a creep en tubos de
calderos
37
Fallas debidas a creep en tubos de
calderos
Falla por
sobrecalentamiento (ruptura
de labios delgados)
• Fractura transgranular.
• Ocurre a temperaturas entre 650 y 870ºC.
• Rápido sobrecalentamiento (corto periodo).
• Considerable adelgazamiento del tubo.
38
Fallas debidas a creep en tubos de
calderos
Falla por sobrecalentamiento (ruptura de labios
delgados)
39
Fallas debidas a creep en tubos de
calderos
Falla por creep: rotura de labios gruesos
• Prolongada exposición a
T ligeramente mayor a los
valores máximos.
• Poco adelgazamiento de
la tubería.
• Microestructura exhibe
microcavidades,
decohesión de granos,
fisuración intergranular.
• Esferoidización de la
cementita.
40
Fallas debidas a creep en tubos de
calderos
Falla por creep: esferoidización de la perlita
• Microestructura exhibe
globulización de la
cementita (perlita),
fisuración intergranular.
• Calentamientos
prolongados a
650ºC <T< Ac1 (723ºC).
41
Fallas debidas a creep en tubos de
calderos
Falla por creep: grafitización
• Ocurre en aceros al C y
de baja aleación.
• Sujetos a temperatura
moderada por largos
periodos de tiempo.
• Descomposición de la
perlita en ferrita y carbono
(grafito).
42
Fallas debidas a creep en tubos de
calderos
Falla por creep: esferoidización de la perlita-
grafitización • La globulización de la
cementita y la grafitización
son mecanismos
competitivos.
• A T < 550ºC (1000°F)
mayor posibilidad de
grafitización.
550°C
43
Predicción de vida bajo creep
• Debido a que la mayoría de los ensayos de creep son
realizados para tiempos de hasta 1000 horas (6
semanas).
• Resulta necesario poder predecir, a partir de estos
resultados, el comportamiento de los materiales para
tiempos más prolongados.
• Para condiciones de diseño se hace necesario
establecer esfuerzos admisibles en términos de
resistencia al creep para tiempos cercanos a las
100000 horas (11,4 años).
44
Predicción de comportamiento bajo
creep
• Existe una relación entre la temperatura, el esfuerzo y
el tiempo de rotura de materiales expuestos a creep.
• Esta relación ha sido muy estudiada y hay muchas
correlaciones.
Parámetros de correlación
1. Parámetro de Manson-Haferd
2. Parámetro de Larson y Miller
3. Parámetro de Dorn
45
Parámetro de Manson-Haferd (PMH)
T (°C)
Log (tr)
tc
Tc
tr= tiempo de ruptura
Tc, tc = temperatura y tiempo de convergencia para todas las curvas creep de
rotura elaboradas a diferentes esfuerzos
s (MPa)
PMH
cr
c
tt
TT
loglogPMH
46
Parámetro de Dorn
T (°C)
Log (tr)
tr= tiempo de ruptura
s (MPa)
PD
)(
.P RT
Q
r et
47
T(°C)
Log (tr)
tr= tiempo de ruptura Originalmente, Larson y Miller propusieron que C = 20, aunque luego se ha comprobado que este puede variar entre 17 y 23.
s (MPa)
P
)log(P rtCT
Parámetro de Larson y Miller
48
Parámetro de Larson y Miller (P)
100,000 h a °F Esfuerzos (Ksi)
P = T ( 20 + log t) x10-3 , T(°R)
Variación del parámetro de ruptura de Larson y Miller con los esfuerzos para el acero 2 ¼ Cr-1Mo en condición de recocido
49
Parámetro de Larson y Miller (P)
PROBLEMA
Bajo condiciones de diseño, un componente sometido a un esfuerzo de 50 MPa a una temperatura de 500°C podrá operar seguramente durante 40 años. Teniendo en cuenta que el Parámetro de Larson y Miller para este acero es:
¿Cuál será la reducción de vida en el componente, si este operase a 530°C?
P = T(20 + logt)
t : horas, T : °R, °R = °F + 460, °F = 9/5(°C)+32
50
Parámetro de Larson y Miller (P)
• Teniendo en cuenta que 500°C = 932°F = 1392°R,
reemplazamos los valores en la ecuación:
• Empleando ahora las nuevas condiciones (T = 530°C),
despejamos el nuevo valor de “t”:
P = T(20 + logt) P = 1392(20 + log347520)
P = 35553
P = 1446 (20 + logt) = 35553
Logt = 35553/1446 -20 =4,5871
t = 38649 horas = 4,4 años
Solución
51
1t
t
ri
i
ti = tiempo de operación en la condición “i”.
tri= tiempo de vida hasta ruptura en la condición “i”.
Daño acumulado en creep
Ensayos de laboratorio a T cte y s cte.
En servicio: T variable y s variable.
Reglas del daño
1. Regla de la fracción de vida:
52
1t
t
ri
i 62.080000
40000
350000
42500
• Un tubo de caldero fue operado bajo 40 MPa a una
temperatura de 500°C, durante 42500 h y a 530°C
durante las siguientes 40000 h.
• Se sabe que el tiempo de vida a 500°C es de 350000
horas, y a 530°C es de 80000 h.
• Calcular la fracción de vida consumida usando la regla de
la fracción de vida.
Solución:
La fracción residual de vida será 1-0,62 = 0,38.
Daño acumulado en creep
Problema
53
Predicción de vida a través de técnicas basadas en la medición de dureza
La resistencia de un acero de baja aleación cambia con el tiempo y la temperatura de servicio, como consecuencia de la esferoidización de los carburos.
Po, Ho
P1, H1
P2, H2
dureza
Parámetro de Larson y Miller
54
Predicción de vida a través de técnicas basadas en la medición de dureza
Correlación entre la dureza Vickers y el parámetro de Larson - Miller para diferentes aceros resistentes al creep
55
Problema:
Un tubo de caldero tenía una dureza inicial de 330 HV y una curva característica de ablandamiento :
H = 960 - 0,02P
donde H: dureza HV, P: parámetro de Larson y Miller
P = T(20+logt) T: R, t: h
El mismo tubo al cabo de un tiempo en servicio de 80000 horas redujo su dureza a 165 HV.
Determine la temperatura de servicio.
Predicción de vida a través de técnicas basadas en la medición de dureza
56
Predicción de vida a través de técnicas basadas en la medición de dureza
Solución:
Tomando la dureza inicial se despeja el valor de P :
165 = 960 - 0,02P P = 39750
Con el valor de P y el tiempo se servicio se despeja finalmente la temperatura de operación:
39750 = T(20+log80000)
T = 1590°R = 1130 °F = 610°C
57
Estimación de vida residual basado en
técnicas metalográficas
1. Evolución de microcavidades
2. Esferoidización de carburos
3. Variación del espaciamiento de carburos
4. Análisis de carburos
58
II
III
I
tiempo de exposición
A
B
C
D
fractura
Estimación de vida residual basado en técnicas metalográficas
Evolución de microcavidades
A - Observación B - Observación y fijar intervalos de inspección C - Servicio limitado hasta reparación D - Reparación inmediata
deformación por creep
59
Cavidades aisladas Cavidades orientadas
Microgrietas Macrogrietas
A B
C D
Estimación de vida residual basada en
técnicas metalográficas
60
Creep I: comienzo de la formación de microcavidades.
Evolución de microcavidades
61
Creep II: la densidad de microcavidades es abundante,
sin observarse fisuras.
Evolución de microcavidades
62
Crecimiento de microfisuras
Comienzo del Creep III: se indica el inicio de microfisuras.
En esta etapa el mecanismo
de degradación debido a las
tensiones actuantes favorece
el crecimiento de las
microfisuras, las cuales al
propagase generan la rotura
del componente. No es
conveniente llegar a este
estado de degradación ya que
el peligro de falla de tipo
catastrófica es latente,
corriéndose riesgos
innecesarios sobre vidas
humanas y en equipos
costosos.
http://www.mailxmail.com/curso-replicas-metalograficas-2/replicas-microestructurales-3
63
Microestructura de tubo de
acero expuesto a 500ºC
durante 28 años. Se muestra
diversos poros (zona oscura)
y carburos (zona blanca)
debidos a daño por creep.
Fisuras por creep en tubo de
acero inoxidable después de
haber sido sobrecalentado a
T > 700ºC por largo tiempo.
Estimación de vida residual basada en
técnicas metalográficas
64
Estimación de vida residual basado en técnicas metalográficas
700
600
500
400
102 104 106
A B
C D
E F
Tiempo (horas)
T (ºC)
A B C
D E F
Conociendo t y la microestructura se puede estimar la temperatura de servicio T
Estados de esferoidización de carburos en aceros ferríticos.
A cada microestructura le corresponde un estado “P” definido por:
P = logt - 12370/T
T: K, t: horas
65
Estimación de vida residual basado en la medición de la capa de óxido
T en ºR t en horas
(mils)
log ( espesor de óxido)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
24 25 26 27 28 29 30 31
P = T x [ 13,62 + log (t) ] / 1000
66
Correlación entre el espesor de capa de óxido y el tiempo de exposición en vapor para el acero 2 ¼ Cr- 1 Mo para diferentes temperaturas
Mecanismos de daño asistidos por
esfuerzos mecánicos
Mecanismos de desgaste
68
DESGASTE
El DESGASTE es inevitable dondequiera que
hayan cuerpos en contacto, bajo carga y con
movimiento relativo.
DESGASTE (según DIN 50320): pérdida
progresiva de material procedente de la
superficie de un cuerpo sólido, causada por
razones mecánicas, por el contacto y movimiento
relativo de un sólido, fluido o sustancia gaseosa
sobre dicha superficie.
69
DESGASTE
Normalmente, el desgaste no ocasiona fallas violentas,
pero:
Ocasiona reducción de la eficiencia de operación.
Produce pérdidas de potencia por fricción.
Incrementa el consumo de lubricantes
Es una de las causas más importantes en las
pérdidas de materiales.
Eventualmente conduce al reemplazo de
componentes desgastados y a la obsolescencia
de las máquinas en su conjunto.
70
Una discriminación de la importancia relativa de distintos
tipos de desgaste en la industria, ha sido estimada en los
siguientes términos:
Abrasión 50 %
Adhesión 15 %
Erosión 8 %
Desgaste micro-oscilatorio
("Fretting”) 8 %
Desgaste químico 5 %
DESGASTE
71
DESGASTE ABRASIVO
Se llama abrasión al desgaste producido por
partículas duras que penetran en una superficie;
ocasionando deformación plástica y/o arrancando
virutas.
72
DESGASTE ABRASIVO
Figura 1 Figura 2
Se considera que este tipo de desgaste puede tomar
dos formas extremas:
1. La deformación plástica es lo mas importante (Fig. 1)
2. La fractura con deformaciones plásticas limitadas es lo
que predomina (Fig. 2).
73
DESGASTE ABRASIVO
Tipos de desgaste abrasivo
1. Rayado por abrasión de bajo esfuerzo
Es el tipo de abrasión menos severa.
Se produce por contacto repetido de partículas
duras y agudas que se mueven a través de la
superficie del metal a diferentes velocidades.
La velocidad, dureza, ángulo de ingreso y tamaño
de las partículas son variables que afectan el
grado de abrasión.
74
DESGASTE ABRASIVO
Tipos de desgaste abrasivo
1. Rayado por abrasión de bajo esfuerzo
75
DESGASTE ABRASIVO
Tipos de desgaste abrasivo
1. Rayado por abrasión de bajo esfuerzo
Aleaciones conteniendo carburos (especialmente
carburos de cromo) son empleados exitosamente
para resistir este tipo de desgaste.
Debido a que no hay impacto los aceros de alto
carbono y aleados al Cr, que son relativamente
frágiles, se emplean con buenos resultados.
76
DESGASTE ABRASIVO
Tipos de desgaste abrasivo
2. Abrasión de altos esfuerzos
Cuando dos superficies se frotan entre sí, con la
fuerza suficiente para triturar y pulverizar las
partículas abrasivas atrapadas entre las dos
superficies. Se conoce también como abrasión de
tres cuerpos.
El deterioro se produce por una acción conjunta de
rayado, flujo plástico local y por agrietamiento
microscópico.
77
DESGASTE ABRASIVO
Tipos de desgaste abrasivo
2. Abrasión de altos esfuerzos
78
DESGASTE ABRASIVO
Tipos de desgaste abrasivo
2. Abrasión de altos
esfuerzos
Típico desgaste
producido en molinos de
bolas, molinos de
cilindros, trituradoras de
rodillo, tambores de
freno, etc. Abrasión entre tres cuerpos
79
DESGASTE ABRASIVO
Tipos de desgaste abrasivo
2. Abrasión de altos esfuerzos
Las aleaciones más apropiadas para este tipo de
desgaste son:
aceros austeníticos al manganeso
fundiciones martensíticas
algunas aleaciones conteniendo carburos (usualmente
carburos de titanio) en una matriz tenaz.
80
En los metales la resistencia a la abrasión aumenta con
la dureza.
DESGASTE ABRASIVO
81
En los aceros, a >%C hay una > resistencia a la
abrasión.
Distintas microestructuras presentan diferentes
resistencias al desgaste.
DESGASTE ABRASIVO
82
En los aceros el contenido de carburos es un factor
importante en la reducción de la abrasión; siendo los
carburos de vanadio y niobio más efectivos que los de
cromo y tungsteno.
DESGASTE ABRASIVO
83
• La martensita tiene
mejor resistencia a
la abrasión que la
perlita y la ferrita.
• La austenita y
bainita de igual
dureza son mas
resistentes a la
abrasión que la
ferrita, perlita o
martensita.
DESGASTE ABRASIVO
84
Se ha encontrado que el desgaste abrasivo depende de la correlación
entre la dureza del abrasivo y la dureza del metal.
DESGASTE ABRASIVO
85
Para reducir la componente abrasiva del desgaste, la dureza del
material (Hm) debe ser mayor que la dureza de las partículas
abrasivas (Ha): Hm > 1,5 Ha.
DESGASTE ABRASIVO
86
DIENTE DE UNA PALA MECÁNICA
Los recubrimientos a parte de tener gran dureza, deben ser lo
suficientemente tenaces para aumentar su resistencia al
choque o impactos.
DESGASTE ABRASIVO
87
Los factores mas importantes que hacen disminuir la abrasión son
los siguientes:
Aumentos de dureza en el material.
Control de la relación dureza de la superficie y del abrasivo
Disminución del tamaño de las partículas abrasivas.
Formas de partículas redondeadas.
Disminución de velocidades.
Mayor % carbono y de carburos duros (aceros).
Disminución de cargas.
DESGASTE ABRASIVO
88
DESGASTE ABRASIVO
Estudios de resistencia a la abrasión de
recubrimientos duros
Máquina de ensayos de desgaste
abrasivo de bajo esfuerzo, según
norma ASTM G-65
89
DESGASTE ABRASIVO
Recubrimientos duros resistentes al desgaste con elementos
aleantes como C, Cr, Mo, W, V
Dureza aproximada:
64HRC
Estudios de resistencia a la abrasión de
recubrimientos duros
90
DESGASTE ADHESIVO
El desgaste adhesivo, también llamado desgaste por fricción, se
presenta entre dos superficies en contacto deslizante bajo la acción
de las cargas normales.
91
Las puntas de las asperezas de las dos superficies sufren fluencia
plástica y soldadura en frío.
MOVIMIENTO
ADHESIÓN FRACTURA
FN
DESGASTE ADHESIVO
92
Al producirse el movimiento, las uniones soldadas se rompen
por cizalladura, tomando lugar la separación en el interior del
cuerpo de menor dureza.
La fractura se produce en zonas subsuperficiales de uno o
ambos materiales, como se indica esquemáticamente en la
figura.
La superficie mas dura se cubre de una película transferida del
material de la contracara, a la vez que se desprenden partículas
en el proceso.
DESGASTE ADHESIVO
93
Desgaste Suave: caracterizado por velocidades de
desgaste moderadas y producción de partículas de
desgaste de tamaño reducido con la apariencia de
óxidos oscuros.
Desgaste Severo
Desgaste Suave
Desgaste Severo
Desgaste Suave
DESGASTE ADHESIVO
94
Desgaste Severo: se presentan velocidades de
desgaste de 4 a 100 veces mayores y los desechos
incluyen partículas sensiblemente mas grandes,
algunas de ellas con brillo metálico.
DESGASTE ADHESIVO
Desgaste Severo
Desgaste Suave
Desgaste Severo
Desgaste Suave
95
Acero AISI 1050
GENERALMENTE
A mayor dureza de material
menor velocidad de desgaste
(siempre que otros factores
permanezcan constantes).
Una variación importante de la
dureza del material puede
provocar transición de
desgaste suave a severo.
DESGASTE ADHESIVO
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GENERALMENTE
Aumentos excesivos de dureza
eventualmente puede conducir a
una tenacidad insuficiente y a
fallas por fragilidad.
DESGASTE ADHESIVO
Acero AISI 1050
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EFECTO DE LA DUREZA
A mayor dureza de material menor velocidad de
desgaste.
Una variación importante de la dureza del material
puede provocar transición de desgaste suave a
severo.
Aumentos excesivos de dureza eventualmente
puede conducir a una tenacidad insuficiente y a
fallas por fragilidad.
DESGASTE ADHESIVO
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EFECTO DE LA RUGOSIDAD
• La rugosidad también puede tener efectos
contrapuestos.
• Una rugosidad alta generalmente produce mucho
desgaste; mientras que una rugosidad moderada
le confiere a la superficie capacidad de retener
lubricantes.
• Por otra parte, una rugosidad excesivamente baja
puede favorecer los fenómenos adhesivos y
conducir a un desgaste acelerado.
DESGASTE ADHESIVO
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EROSIÓN
Se considera a la erosión como una forma de abrasión producida
por esfuerzos de contacto relativamente bajos, debidos al impacto
de partículas sobre una superficie.
100
EROSIÓN
Esta, a consecuencia del proceso, generalmente presenta una
apariencia granular fina, similar a la de las fracturas frágiles.
El desgaste de tipo erosivo se presenta, por ejemplo, en
equipos y líneas de bombeo para fluidos con sólidos en
suspensión, boquillas de equipos para granallado por arena
(sand-blasting), etc.
101
Un material blando puede ser mas adecuado para resistir la
erosión que un material duro.
Por ejemplo, el caucho natural o sintético produce buenos
resultados debido a su bajo módulo elástico, lo que le
permite grandes deformaciones y una buena distribución
de la carga.
EROSIÓN
102
La velocidad de desgaste por erosión aumenta con la
velocidad de las partículas.
Si los ángulos de impacto son pequeños predomina el
corte abrasivo; siendo la dureza superficial un factor
crítico.
Si por el contrario, los ángulos de impacto son grandes el
desgaste es debido principalmente a deformación y
fractura.
EROSIÓN
103
Parece existir una buena
correlación entre la resistencia a la
erosión y el módulo de resiliencia
(R) de un material:
donde:
sy: resistencia a la fluencia y
E : modulo de rigidez (módulo de
Young o de elasticidad)
R = (s y2 / 2 E)
EROSIÓN
s
sy
ey e
Área bajo la curva: sy-ey
s = e * E
104
Módulo de resiliencia
Este parámetro representa la cantidad de energía que puede
ser absorbida por un cuerpo antes de que ocurra deformación
plástica (permanente) ó fractura, por impacto.
EROSIÓN
105
SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE EROSIÓN
Modificar ángulos de ataque.
Reducir velocidades.
Escoger materiales de mejor calidad o modificar sus
superficies.
Además, puesto que la erosión se considera como una forma
de abrasión, las recomendaciones para el control del
desgaste abrasivo tienen, en general, validez para el desgaste
erosivo.
EROSIÓN
106
Esta forma de deterioro se caracteriza por la pérdida de material
de superficies en contacto, bajo la acción de una carga y un
movimiento deslizante de amplitud muy pequeña menor a 130 µm.
FRETTING (DESGASTE MICRO-OSCILATORIO)
107
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FRETTING (DESGASTE MICRO-OSCILATORIO)
108
Fretting
Características
• Normalmente, la apariencia de la superficie es rojiza-marrón (ladrillo) o gris, con presencia de partículas oxidadas.
109
SECUENCIA DE EVENTOS
Vibración y deslizamiento.
Desgaste adhesivo y generación de partículas.
Oxidación de las partículas, los cuales permanecen atrapadas
en pequeñas áreas de contacto.
Abrasión por las partículas oxidadas aumentando la velocidad
de desgaste y mayor producción de partículas.
Ello produce un significante daño localizado.
FRETTING (DESGASTE MICRO-OSCILATORIO)
110
• Fretting corrosión: Es el término aplicado a
situaciones donde se genera una gran cantidad de
óxido en polvo alrededor de las superficies de
contacto. En los componentes de acero el óxido que
se genera es de color rojo.
• Fretting fatiga: Ocurre en situaciones donde la carga
y los ciclos son suficientes para iniciar y propagar
fisuras por fatiga. El fallo puede ser acelerado por los
elementos corrosivos de procesos de desgaste.
FRETTING (DESGASTE MICRO-OSCILATORIO)
111
El Fretting se combate muy bien con recubrimientos resistentes a
la corrosión (como el niquelado químico) o a través de
recubrimientos mas dúctiles como plata o indio.
FRETTING (DESGASTE MICRO-OSCILATORIO)
112
EFECTO DE LA CARGA
Disminuciones de la carga normal producen reducción de la
amortiguación de las vibraciones y esto ocasiona mayor
desgaste.
Aumentos de la carga normal reducen las vibraciones, pero
aumentan el área de contacto y a su vez el desgaste.
No obstante lo antes expuesto, en general, los aumentos de la
carga normal hacen aumentar este tipo de desgaste.
FRETTING (DESGASTE MICRO-OSCILATORIO)
113
EFECTO DE OTROS FACTORES SOBRE EL FRETTING
Las atmósferas inertes o con bajas concentraciones de oxígeno
previenen la oxidación de las superficies en contacto y reducen
esta forma de desgaste.
Un buen acabado superficial es una buena opción para
superficies sometidas a deslizamientos micro-oscilatorios, pero
rugosidades muy pequeñas (menores de 0,05 µm) pueden
impedir la penetración del lubricante y harían aumentar el
“Fretting".
FRETTING (DESGASTE MICRO-OSCILATORIO)