Diseño de elementos. Agente de Fallas

Agente de Fallas

Las causas de falla en partes de máquinas pueden deberse a los agentes de fuerza, temperatura, ambiente químico, ambiente nuclear o ambiente metalúrgico. Cada uno de esos agentes puede ser una fuente de falla cuando son aplicados con niveles de valor bajo, medio o alto. Cada uno de los agentes también puede aplicarse continuamente sobre largos o muy cortos periodos o incluso de manera cíclica.

[pic 2]A los que ocurren con frecuencia se les ha nombrado de una forma para identificarlos. Por ejemplo:

Fuerza + Alto + Transitorio, recibe el nombre de "impacto."

Temperatura + Alto + Permanente, suele ser el agente de un fenómeno conocido como "flujo plástico."

Modos de Fallas

Los agentes inductores de fallas actúan sobre partes de máquinas para manifestar las fallas en diversas formas. Los modos de falla de partes de máquinas pueden clasificarse como elásticos, plásticos, de fractura o de cambio de material. El modo de falla puede ocurrir repentinamente o puede tener lugar durante un largo periodo. Además, el modo puede ser modificado si la falla ocurre en un punto alto de la parte, sobre una superficie o incluso sobre el volumen de ésta.

Los parámetros que definen los modos de falla están ilustrados en la tabla siguiente:

[pic 3]Por ejemplo: un resorte sobrecargado e incapaz de efectuar su función ha fallado por los parámetros: plástico, progresivo y volumen.

Un perno que se ha oxidado ha fallado por los parámetros: cambio de material, progresivo y superficie.

«La falla se define como cualquier cambio en una parte de máquina que la hace incapaz de efectuar su función asignada.»

Usando esta definición podemos proceder a desarrollar teorías que nos permitan predecir cuándo un diseño es bueno o cuando fallará.

que dependa de la cantidad de deflexión o de la deformación unitaria.

Factores de Concentración de Esfuerzos

Para poder empezar con este tema tenemos que saber el motivo por el cual se generan la concentración de esfuerzos, y este es muy fácil de explicar, cuando en un elemento llámese ejes, barras planas, u otros,  tiene cambios bruscos de forma, existe en la sección de cambio una seria de esfuerzos que no son uniformes con respecto a las demás secciones del material, lo cual es un gran tema a considerar en los en el diseños de los elementos. Como podemos ver en la figura 1.3, podemos ver de manera más amplia esta explicación

[pic 4]

concentración de esfuerzos causada por un cambio repentino

Una definición que podemos encontrar es: “Irregularidad en la distribución de los esfuerzos causada por los cambios abruptos de forma” (SPOTT, 1999), la cual describe de manera simple lo que es la concentración de esfuerzos.

Esta concentración de esfuerzos son generados por cualquier tipo de esfuerzo, como son axial, de flexión o cortante; las cuales se generan en presencia de filetes, agujeros, muescas, chavateros, estrías, marca de herramientas o raspaduras accidentales.

El factor de concentración de esfuerzo se describe como:

[pic 5]

Dónde:

K= Factor teórico de la concentración de esfuerzos

= Esfuerzo real [pic 6]

= Esfuerzo Nominal[pic 7]

Cuando hablamos de concentración de esfuerzos, existe una interrogativa mayor, la cual es ¿Cuándo debemos considerar o despreciar la concentración de esfuerzos?,

Esta pregunta es fácil de responder ya que algunos libros, viene algunos aspectos que debemos tomar en cuenta al considerar o despreciar la concentración de esfuerzos, pero en general son 3 aspectos fundamentales:

1. Que la carga que se le aplique sea estática
2. Que la temperatura en la que se encuentre sea la normal
3. Que el materia es dúctil

Una vez que cumplimos con dichos aspectos, podemos decir que el despreciar sea a nuestro favor. Para entender un poco mejor estos tipos de material podemos y manejarse, como en la tabla 1.3

Cuando considerar la concentracion de esfuerzos [pic 8]

Según la forma y dimenciones de lo materiales tenemos diferentes valores de k,  los cuales para sacarlos tomamos las tablas del apendice A.

Elemplo 1.1

Saque el factor de esfuerzo de  una barra plana con una plana que ejerce una tension axial teniendo un diametro mayos de 20mm y un diametro menos de 15mm, con una r de 4mm (como en la fiugura 1.4)

[pic 9]

Figura 1.4

D=20mm

D= 15mm

R=4mm

r/d= 0.26 y  D/d= 1.33

por lo tanto k= 1.8 (utilizando la fig, 1.5)

[pic 10]

Fig. 1.5

Ejemplos 1.2

Sacar la concentración de esfuerzos de un eje con un filete de tensión axial, si Diámetro mayor y menos son 40mm y 20mm respectivamente y el radio de 5mm (como en la fig. 1.6)

[pic 11]

Fig. 1.6

Donde

r/d= 0.25

D/d= 2.0

K= 1.55 (según fig., 1.7)

[pic 12]

Fig. 1.7

Factores de concentración de esfuerzos por cargas cíclicas y fatiga

Fatiga

La fatiga es un proceso de degeneración de un material sometido a cargas cíclicas de valores por debajo de aquellos que serían capaces de provocar su rotura mediante tracción.

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