-
Jvenes Investigadores Colciencias
FUNDAMENTOS DE MECFUNDAMENTOS DE MECNICA DE NICA DE
FRACTURAFRACTURA
Juan Pablo Caizales Asprilla
lvaro Jos Toro Snchez
IX Congreso Nacional de Estudiantes de Ingeniera Mecnica
Vicerrectora de Investigacin
Grupo de Investigacin Ciencia e Ingeniera de Materiales
-
Jvenes Investigadores Colciencias
ndice
Mecnica de fractura
Introduccin Conceptos Generales Antecedentes Importancia de la
MF en el Diseo Mecnico
Diseo Mecnico TradicionalDiseo Mecnica bajo el Concepto de
MF
Aplicaciones Conclusiones
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Introduccin
Las fallas que se producen en servicio de aquellos componentes
que hacen parte de una estructura, han motivado a que se realicen
estudios de las posibles causas que provocan estas fallas.
Desde este punto de vista, la fractura de los materiales siempre
a sido una de las preocupaciones de los ingenieros, debido a que
los materiales hacen parte esencial dentro de las estructuras.
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Mecnica de Fractura
Conceptos Generales
Si se analiza un componente desde una perspectiva de la Mecnica
de slido la cual en su hiptesis considera que el material es
isotrpico, homogneo y continuo.
Las deformaciones que ocurren en un material son caracterizadas
como deformaciones elsticas y deformaciones plsticas.
Fractura dctil en una probeta caracterizada por presentar en la
superficie de la pieza aspecto de labios de corte
Fractura frgil ocurrida en una probeta
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Definicin MF
La Mecnica de Fractura se define como la disciplina del
conocimiento que se encarga de realizar anlisis y evaluacin de los
componentes agrietados
Cul es la carga de fractura para un tamao de grieta
conocido?
Cul es el tamao mximo tolerable de grieta antes de que ocurra la
fractura?
Cunto tiempo tarda una grieta en alcanzar su tamao crtico?
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Antecedentes
La mecnica de la fractura se ha utilizado desde la poca
neolticaLa revolucin industrial en el siglo XIX, Antes de 1960, se
logra garantizar la aceptacin debido a tres casos de fractura
Destruccin del jet de pasajeros de Havilland en 1955
Tres rotores de generadores elctricos nuevos que fallaron
Dificultad para soldar el material del compartimiento de un
cohete
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Evolucin Historica
1913 Inglis Distribucin de la Tensin Alrededor de "Defectos
Agudos"
1920 Griffith Condiciones de la Energa
1939 Weibull Teora Estadstica de la Fractura
1957 Irwin Base de la Mecnicos de fractura Lineal Elstica
1961 Pars Crecimiento de Grieta de Fatiga
1968 Raice Base de la Teora no Lineal
1971 Begley Verificacin Experimental del Esquemas de Prueba
1986 Shih Mtodos Numricos Lineal /no Lineal
1994-2000 Desarrollo de los Mtodos de Cmputo Numricos
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Importancia de la Mecnica de Fractura en el Diseo Mecnico
En aquellos componentes estructurales donde la fractura ocurre
de una forma sbita, inesperada y catastrfica adems teniendo en
cuenta que los esfuerzos a los cuales se presentan estas fallas
estn por debajo del esfuerzo de diseo.
GEOMETRIAEspesor,
forma de la seccin
CARGASDe servicio,ocasionales
RESISTENCIA DEL MATERIALLmite elstico,
Resistencia ltima
VARIABLES EN EL
DISEO MECANICO
TRADICIONAL
Diseo Mecnico Tradicional
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Importancia
GEOMETRIAEspesor,
forma de la seccin
CARGASDe servicio,ocasionales
RESISTENCIA DEL MATERIAL
Lmite elstico,Resistencia ltima
GRIETAForma, ubicacin,
tamao (actual o tolerable)
VARIABLES DEL
DISEO POR MECNICA
DE FRACTURA
Diseo Mecnico Estructural desde la Mecnica de Fractura
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Mecnica de Fractura Lineal Elstica (MFLE)
Cuantifica a travs de el Factor de Intensidad de Tensin la
magnitud de los esfuerzos en la extremidad de la grieta, esto
teniendo en cuenta los modo de carga como son solicitados los
elementos
Y = Parmetro que involucra la geometra de la grieta y el
componente
a = Tamao de la grieta
= Una funcin que representa la magnitud del esfuerzo en el
componente
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Mecnica de Fractura Elastoplstica
Permite caracterizar el estado tesional en la punta de una
fisura utilizando propiedades plsticas tales como el lmite de
fluencia lo que permite ampliar las zonas cubiertas por el factor
de intensidad de tensin
Parametros :
CTOD (Desplazamiento o Abertura de la Extremidad de
Grieta)Medida de material con alta tenacidad
Integral J Parmetro que determina la energa de fractura de un
cuerpo involucrando los dos tipo de deformaciones
-
Jvenes Investigadores Colciencias
CRITERIO DE FRACTURA CTOD
AUTOR CRITERIO RELACIONGRIFFITH Factor de intensidad K>Kc
RICE Integral J J>JcWELLS Desplazamiento de abertura
de grietaCTOD>CTODc
K
KCE
CTOD
=
2K4 E
2K J =
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Tipo de Ensayos
Existen dos tipos de ensayo
Basadas en correlaciones (Charpy, Indentacin probetas
Barker)
3
2
1035.6646.0 =
yy
IC CVNK 23
5.0
014.0C
PHEK IC
=
=
Waf
WBPK MMIVM
Modelo BarkerModelo de LawnModelo de Rolfe, Novak
-
Jvenes Investigadores Colciencias
AplicacionesDiseo de recipientes
a presinAceros para puentes
Aproximaciones de la tenacidad a fractura
APLICACIONES DE LA TENACIDAD DE IMPACTO
Tamao crtico de grieta
Prediccin de la vida remanente
APLICACIONES DE LA TENACIDAD A FRACTURA
Evaluacin de la Tenacidad a Fractura del acero microaleado
sometido a un Tratamiento Trmico
KIC a un minuto es de 99,58 ksi x pulg , acrit 19,22 mm.Al
encontrar KID a 1 minuto por ensayos de impacto, acrit es 43,34
mm
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Aplicaciones
Tuberas y recipientes a presin Industria Naval
Centrales de Generacin de Energa
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Aplicaciones
Plantas QumicasPlantas Nucleares
Vehculos de transporte
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Ejemplos
La explosin del lanzador espacial challenger ocurrido en 1986.
La catstrofe se origino por la rotura de un sello (tipo O ring) de
estanqueidad de uno de los cohetes impulsores; En este caso el
material no respondiadecuadamente a las bajas temperaturas
-
Jvenes Investigadores Colciencias
Ejemplos
El comet, dentro de la industria aeronutica es otro ejemplo de
las fallas catastrficas a causa de fisuras por fatigas
-
Jvenes Investigadores Colciencias
ConclusionesConclusiones
La mecnica de la fractura es una disciplina en la que el
ingeniero seapoya para obtener diseos de componentes y estructuras
ms seguras y econmicas en operacin, inspeccin y mantenimiento.
Reduce el problema de fallas inesperadas y catastrfica,
permitiendo al ingeniero dedicar una mayor atencin a otros aspectos
de mayor trascendencia, como lo es el desarrollo de nuevos
materiales y al mejoramiento de sus diseos, que en ultimas se ver
reflejado en un avance tecnolgico de su entorno.
Al conocer los procesos de fractura de los materiales, se pueden
depurar los factores asociados a la seguridad y esto se reflejara
en diseos ms econmicos en su construccin y en operacin, debido a
menores consumos de energa, por tener que vencer menores efectos
inerciales debido a las masas.
-
Jvenes Investigadores Colciencias
ndiceIntroduccinMecnica de FracturaDefinicin
MFAntecedentesImportancia de la Mecnica de Fractura en el Diseo
MecnicoTipo de Ensayos