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Análisis de fallas metalúrgicas

El análisis de fallas metalúrgicas es el proceso para determinar el mecanismo que ha causado la falla de un componente metálico . Puede identificar la causa de la falla, proporc...

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El análisis de fallas metalúrgicas es el proceso para determinar el mecanismo que ha causado la falla de un componente metálico . Puede identificar la causa de la falla, proporcionando información sobre la causa raíz y posibles soluciones para prevenir fallas similares en el futuro, así como la culpabilidad, lo cual es importante en casos legales. [ 1 ] Resolver la fuente de las fallas metalúrgicas puede ser de interés financiero para las empresas. El costo anual de la corrosión (una causa común de fallas metalúrgicas) en los Estados Unidos fue estimado por NACE International en 2012 en $ 450 mil millones al año, un aumento del 67% en comparación con las estimaciones para 2001. [ 1 ] Estas fallas pueden analizarse para determinar su causa raíz, lo que, si se corrige, ahorraría reduciría el costo de las fallas para las empresas.

Los fallos pueden dividirse, a grandes rasgos, en fallos funcionales y fallos de rendimiento esperados. Un fallo funcional se produce cuando un componente o proceso falla y todo el sistema al que pertenece deja de funcionar por completo. Esta categoría incluye la idea común de que un componente se fracture rápidamente. Los fallos de rendimiento esperados se producen cuando un componente provoca que el sistema funcione por debajo de un determinado criterio de rendimiento, como la vida útil, los límites operativos o la forma y el color. Algunos criterios de rendimiento están documentados por el proveedor, como la carga máxima permitida en un tractor, mientras que otros son implícitos o esperados por el cliente, como el consumo de combustible ( millas por galón para automóviles). [ 1 ]

A menudo, una combinación de condiciones ambientales y estrés provoca fallas. Los componentes metálicos están diseñados para soportar el entorno y las tensiones a las que estarán sometidos. El diseño de un componente metálico implica no solo una composición elemental específica, sino también un proceso de fabricación específico, como tratamientos térmicos, procesos de mecanizado, etc. La enorme variedad de metales resultantes posee propiedades físicas únicas. Se diseñan propiedades específicas en los componentes metálicos para hacerlos más resistentes a diversas condiciones ambientales. Estas diferencias en las propiedades físicas darán lugar a modos de falla únicos. Un análisis de falla metalúrgica considera la mayor cantidad posible de esta información durante el análisis. [ 2 ] El objetivo final del análisis de falla es determinar la causa raíz y proporcionar una solución a cualquier problema subyacente para prevenir fallas futuras. [ 3 ]

Investigación de fallos

El primer paso en el análisis de fallas es investigar la falla en la recopilación de información. La secuencia de pasos para la recopilación de información en una investigación de fallas es: [ 1 ] [ 4 ]

  1. Información recopilada sobre las circunstancias que rodearon el fallo y la selección de los especímenes.
  2. Examen preliminar de la pieza defectuosa (examen visual) y comparación con las piezas que no han fallado.
  3. Examen y análisis macroscópico y documentación fotográfica de las muestras ( superficies de fractura , fisuras secundarias y otros fenómenos superficiales).
  4. Examen y análisis microscópico de las muestras (superficies de fractura).
  5. Selección y preparación de secciones metalográficas
  6. Examen microscópico y análisis de muestras metalográficas preparadas.
  7. Ensayos no destructivos
  8. Ensayos destructivos/mecánicos
  9. Determinación del mecanismo de falla
  10. Análisis químico (en masa, local, productos de corrosión superficial, depósitos o recubrimientos)
  11. Identificar todas las posibles causas raíz
  12. Pruebas de las posibles causas raíz en condiciones de servicio simuladas.
  13. Análisis de todas las pruebas, formulación de conclusiones y redacción del informe, incluidas las recomendaciones.

Técnicas utilizadas

En el proceso de investigación del análisis de fallas metalúrgicas se utilizan diversas técnicas. [ 1 ] [ 4 ]

Ensayos no destructivos : Los ensayos no destructivos son un método que permite examinar ciertas propiedades físicas del metal sin necesidad de inutilizar las muestras. Generalmente, se utilizan para detectar fallos en los componentes antes de que se produzca una falla catastrófica.

Ensayos destructivos : Los ensayos destructivos consisten en retirar un componente metálico de servicio y seccionarlo para su análisis. Estos ensayos permiten al analista de fallas realizar el análisis en un laboratorio y llevar a cabo pruebas en el material que, en última instancia, destruirán el componente.

Modos de falla metalúrgica

No existe una lista estandarizada de modos de falla metalúrgica , y distintos metalúrgicos pueden usar nombres diferentes para el mismo modo de falla. Los términos de modo de falla que se enumeran a continuación son los aceptados por ASTM , [ 5 ] ASM , [ 6 ] y/o NACE [ 7 ] como mecanismos de falla metalúrgica distintos.

Causado por la corrosión y el estrés

Provocado por el estrés

Causado por la corrosión

Posibles causas fundamentales

Las posibles causas raíz de fallas metalúrgicas son numerosas y abarcan todo el ciclo de vida del componente, desde el diseño hasta la fabricación y el uso. Las razones más comunes de fallas se pueden clasificar en las siguientes categorías: [ 1 ]

Condiciones de servicio u operación

Las fallas debidas a las condiciones de servicio u operación incluyen el uso de un componente fuera de sus condiciones previstas, como una fuerza de impacto o una carga elevada. También pueden incluir fallas debidas a condiciones de uso imprevistas, como un punto de contacto inesperado que provoca desgaste y abrasión, o un nivel de humedad o presencia de sustancias químicas inesperados que causan corrosión. Estos factores provocan que el componente falle antes de lo previsto.

Mantenimiento inadecuado

Un mantenimiento inadecuado puede provocar que posibles puntos débiles queden sin tratar, lo que a su vez puede causar la falla prematura de un componente en el futuro. El motivo de un mantenimiento inadecuado puede ser intencional, como omitir el mantenimiento anual para evitar el costo, o no intencional, como usar un aceite de motor incorrecto.

Pruebas o inspecciones inadecuadas

Las pruebas y/o inspecciones suelen formar parte de las líneas de fabricación de componentes para verificar que el producto cumpla con ciertos estándares y garantizar el rendimiento deseado en condiciones reales de uso. Unas pruebas o inspecciones inadecuadas eludirían estos controles de calidad y podrían permitir la venta a un cliente de una pieza con un defecto que normalmente la inhabilitaría para su uso, lo que podría provocar un fallo.

Errores de fabricación o manufactura

Los errores de fabricación se producen durante el procesamiento del material o componente. En las piezas metálicas, son comunes los defectos de fundición , como la falta de fusión, las grietas en caliente o las inclusiones de escoria. También pueden deberse a problemas de tratamiento superficial, parámetros de procesamiento inadecuados, como el apisonado de un molde de arena, o una temperatura incorrecta durante el endurecimiento.

Errores de diseño

Los errores de diseño surgen cuando no se considera adecuadamente el caso de uso deseado, lo que da lugar a un diseño ineficaz, como por ejemplo, el estado de tensión durante el servicio o la presencia de posibles agentes corrosivos en el entorno de servicio. Estos errores suelen estar relacionados con el dimensionamiento y la selección de materiales, pero también pueden afectar al diseño completo.

Uso de métodos computacionales para el análisis de fallas

Los métodos computacionales han estado ganando popularidad como método para probar posibles causas raíz porque no necesitan sacrificar un componente para probar una causa raíz. Los casos comunes donde se utilizan métodos computacionales son para fallas debido a erosión , [ 9 ] [ 10 ] fallas de componentes bajo estados de tensión complejos , [ 11 ] [ 12 ] y para análisis predictivos. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] La dinámica de fluidos computacional se utiliza para determinar el patrón de flujo y las tensiones de corte en un componente que ha fallado debido al desgaste erosivo. [ 9 ] [ 10 ] El análisis de elementos finitos se utiliza para modelar componentes bajo estados de tensión complejos. [ 11 ] [ 12 ] El análisis de elementos finitos, así como los modelos de campo de fase , se pueden utilizar para predecir la propagación de grietas y fallas, [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] que luego se utilizan para prevenir fallas al influir en el diseño del componente.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 Dennies, Daniel P. (15 de enero de 2021). "Cómo organizar y llevar a cabo una investigación de fallas" . Análisis y prevención de fallas (PDF) . págs. 36–51 . doi : 10.31399/asm.hb.v11.a0006755 . ISBN  978-1-62708-295-2. S2CID 241618812 . 
  2. ↑ Gaona, Citlalli. «Análisis de Fallas» . Académico . Fundación Telmex . Consultado el 3 de septiembre de 2025 .
  3. ↑ http://www.g2mtlabs.com/failure-analysis/what-is-failure-analysis/ G2MT Labs - "¿Qué es el análisis de fallos?"
  4. 1 2 Wulpi, Donald J. (30 de noviembre de 2013). Miller, Brett (ed.). Entendiendo cómo fallan los componentes . doi : 10.31399/asm.tb.uhcf3.9781627082709 . ISBN 978-1-62708-270-9.
  5. ↑ “Términos estándar relacionados con la corrosión y las pruebas de corrosión” (G 15), Libro anual de normas ASTM, ASTM, Filadelfia, PA.
  6. ↑ Manual de metales de ASM-International, novena edición, corrosión, ASM-International, Metals Park, OH
  7. ↑ Curso básico de corrosión de NACE-International, NACE-International, Houston, TX
  8. ↑ M&M Engineering Conduit Otoño 2007 “Picadura por cloruros y agrietamiento por corrosión bajo tensión de aleaciones de acero inoxidable”, “Copia archivada” (PDF) . Archivado del original (PDF) el 14-07-2011 . Recuperado el 20-08-2010 .{{cite web}}: CS1 mantenimiento: copia archivada como título ( enlace )
  9. 1 2 Majid, ZA; Mohsin, R.; Yusof, MZ (2012-01-01). "Análisis experimental y computacional de fallas en tuberías de gas natural" . Engineering Failure Analysis . 19 : 32–42 . doi : 10.1016/j.engfailanal.2011.09.004 . ISSN 1350-6307 . 
  10. 1 2 Yi, Junzhen; Hu, Hongxiang; Zheng, Yugui; Zhang, Yaming (2016-12-01). "Análisis experimental y computacional de fallas de una válvula reguladora de alta presión en una planta química" . Engineering Failure Analysis . 70 : 188–199 . doi : 10.1016/j.engfailanal.2016.07.015 . ISSN 1350-6307 . 
  11. 1 2 Zhang, Qing; Zuo, Zhengxing; Liu, Jinxiang (2013-12-01). "Análisis de fallas de una culata de motor diésel basado en el método de elementos finitos" . Engineering Failure Analysis . 34 : 51–58 . doi : 10.1016/j.engfailanal.2013.07.023 . ISSN 1350-6307 . 
  12. 1 2 Moradi, S.; Ranjbar, K. (2009-04-01). "Análisis experimental y computacional de fallas en sarta de perforación" . Engineering Failure Analysis . 16 (3): 923– 933. doi : 10.1016/j.engfailanal.2008.08.019 . ISSN 1350-6307 . 
  13. 1 2 Borst, René de; Gutiérrez, Miguel A.; Wells, Garth N.; Remmers, Joris JC; Askes, Harm (2004-05-07). "Modelos de zona cohesiva, teorías de continuo de orden superior y métodos de confiabilidad para el análisis computacional de fallas: ANÁLISIS COMPUTACIONAL DE FALLAS" . International Journal for Numerical Methods in Engineering . 60 (1): 289– 315. doi : 10.1002/nme.963 . S2CID 122765562 . 
  14. 1 2 Lu, Mengkai; Zheng, Yonggang; Du, Jianke; Zhang, Liang; Zhang, Hongwu (2022-03-01). "Un método adaptativo de elementos finitos multiescala para el análisis de localización de deformaciones con la teoría del continuo de Cosserat" . European Journal of Mechanics - A/Solids . 92 104450. Bibcode : 2022EuJMA..9204450L . doi : 10.1016/j.euromechsol.2021.104450 . ISSN 0997-7538 . S2CID 240317543 .  
  15. 1 2 Tanné, E.; Li, T.; Bourdin, B.; Marigo, J. -J.; Maurini, C. (2018-01-01). "Nucleación de grietas en modelos de campo de fase variacional de fractura frágil" . Journal of the Mechanics and Physics of Solids . 110 : 80–99 . Bibcode : 2018JMPSo.110...80T . doi : 10.1016/j.jmps.2017.09.006 . ISSN 0022-5096 . S2CID 20139734 .  
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