ANÁLISIS DE FALLA DE LA CARCASA DE UNA RÓTULA DE CAMIONETA

CHEVROLET LUV 4X4 2300

JUAN CAMILO MUÑOZ CANTILLO

Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero Mecánico

Asesor

Wilson Alexander Hormaza Rodríguez, Dr. Eng. Mat.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2009

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Agradecimientos especiales a los profesores Wilson Hormaza y Luis Ernesto

Muñoz, por su paciencia y orientación durante la elaboración de este trabajo. A

mis padres y a Helen Herrera, por su incondicional apoyo y constante motivación.

A Fabián Présiga y Jimmy Niño por su valiosa colaboración en todas las pruebas

realizadas.

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CONTENIDO

pág.

OBJETIVOS 11 INTRODUCCIÓN 12 1. TEORÍA DE FALLA 14 1.1 SECUENCIA DEL ANÁLISIS DE FALLA 14 1.1.1 Recopilación de antecedentes de falla 14 1.1.2 Inspección visual 15 1.1.3 Ensayos no destructivos 15 1.1.4 Ensayos mecánicos 15 1.1.5 Análisis fractográfico 15 1.1.6 Análisis metalúrgicos 16 1.1.7 Simulaciones o cálculos de diseño 16 1.1.8 Informe, conclusiones y recomendaciones 17 1.2 DEFECTOS DE LOS MATERIALES 17 1.2.1 Defectos de solidificación 17 1.2.2 Defectos en el procesamiento primario 18 1.2.3 Defectos en el procesamiento secundario 18 1.2.4 Defectos en servicio 19 1.3 TIPOS DE FRACTURAS Y MECANISMOS DE PROPAGACIÓN 19 1.3.1 Fractura dúctil 20

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1.3.1.1 Características macroscópicas 20 1.3.1.2 Características microscópicas y mecanismo de propagación 21 1.3.2 Fractura frágil 22 1.3.2.1 Características macroscópicas 23 1.3.2.2 Características microscópicas y mecanismo de propagación 24 1.3.3 Fractura por fatiga 26 1.3.3.1 Características macroscópicas 27 1.3.3.2 Características microscópicas y mecanismo de propagación 28 1.3.4 Fracturas combinadas 29 1.4 TIPOS DE FALLAS 30 1.4.1 Fallas por sobrecarga 31 1.4.2 Fallas por fatiga 31 1.4.3 Fallas por corrosión 31 1.4.4 Fallas a temperaturas elevadas 32 1.4.5 Fallas por desgaste 32 2 ANÁLISIS DE FALLA 33 2.1 RECOPILACIÓN DE ANTECEDENTES DE FALLA 34 2.1.1 Funcionamiento de una rótula 34 2.1.2 Especificaciones de operación 39 2.1.3 Proceso de fabricación 40 2.1.4 Obtención de la geometría de la rótula 41 2.1.5 Inspección visual 42

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2.2 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL 45 2.2.1 Análisis de composición química 46 2.2.2 Metalografía 47 2.2.3 Ensayo de dureza 56 2.2.4 Ensayo de microdureza 57 2.3 HIPÓTESIS FORMULADAS 59 2.3.1 Falla por fatiga 59 2.3.2 Falla por sobrecarga de impacto 59 2.3.3 Falla por deficiente calidad del material 59 2.4 ANÁLISIS FRACTOGRÁFICO 60 2.4.1 Análisis macroscópico 60 2.4.2 Análisis microscópico 64 2.5 SIMULACIÓN COMPUTACIONAL 68 2.5.1 Generación de la geometría de la rótula 68 2.5.2 Modelo de la suspensión del vehículo 69 2.5.3 Aplicación de cargas a la geometría de la rótula 71 2.6 ANÁLISIS CONCLUYENTE 74 2.6.1 Conclusiones 75 2.6.2 Concepto de falla 76 2.6.3 Recomendaciones 76 BIBLIOGRAFÍA 77 ANEXOS 79

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LISTA DE TABLAS

pág. Tabla 1. Análisis de composición química 46 Tabla 2. Resultados del análisis de inclusiones para la pieza fracturada 49 Tabla 3. Resultados del análisis de inclusiones para la pieza nueva 50 Tabla 4. Tamaño de grano promedio 56 Tabla 5. Resultados del ensayo de dureza 57 Tabla 6. Resultados del ensayo de microdureza 58

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LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Apariencia típica de una fractura dúctil 21 Figura 2. Micrografía típica de una fractura dúctil, donde se aprecian 22 los hoyuelos. 2000X Figura 3. Esquema del patrón típico de las marcas chevron 23 Figura 4. Apariencia típica de una fractura frágil 24 Figura 5. Micrografía típica de una fractura de clivaje, donde se 25 aprecian los patrones de río. 2000X Figura 6. Micrografía típica de una fractura intergranular, donde se 26 aprecia claramente la forma de los granos. 2000X Figura 7. Apariencia típica de una fractura por fatiga 28 Figura 8. Estrías típicas de fatiga. 4900X 29 Figura 9. Micrografía de una fractura de cuasi-clivaje 30 Figura 10. Vista general de la rótula fracturada, indicando sus partes 33 Figura 11. Vista general de la rótula nueva 34 Figura 12. Ubicación de las rótulas dentro de la suspensión 35 Figura 13. Partes de una rótula de suspensión 36 Figura 14. Clasificación de las rótulas de suspensión 37 Figura 15. Clasificación de las rótulas por su relación con el peso del 38 vehículo Figura 16. Rótula sometida a cargas de tensión 39 Figura 17. Suspensión delantera Chevrolet Luv 4x4 modelo 89 40 Figura 18. Zona de fractura en la carcasa de la rótula 43

8

Figura 19. Fragmento de la carcasa 44 Figura 20. Perno de la rótula 45 Figura 21. Pieza fracturada. Corte transversal. 50X 48 Figura 22. Pieza nueva. Corte longitudinal. 50X 48 Figura 23. Pieza fracturada. Corte transversal. 50X 48 Figura 24. Pieza nueva. Corte longitudinal. 50X 48 Figura 25. Microestructura con inclusiones de sulfuro de manganeso. 51 Pieza nueva. Corte longitudinal. 1600X Figura 26. Microestructura con inclusiones de óxido de silicio. Pieza 51 fracturada. Corte transversal. 800X Figura 27. Espectro de las inclusiones de sulfuro de manganeso, 52 realizado con microscopio electrónico de barrido Figura 28. Espectro de las inclusiones de óxido de silicio, realizado 52 con microscopio electrónico de barrido Figura 29. Microestructura pieza fracturada. Corte transversal. 200X 53 Figura 30. Microestructura pieza nueva. Corte transversal. 200X 53 Figura 31. Microestructura pieza fracturada. Corte longitudinal. 200X 53 Figura 32. Microestructura pieza nueva. Corte longitudinal. 200X 53 Figura 33. Microestructura pieza fracturada. Corte transversal. 1000X 54 Figura 34. Microestructura pieza nueva. Corte transversal. 1000X 54 Figura 35. Microestructura pieza fracturada. Corte longitudinal. 1000X 54 Figura 36. Microestructura pieza nueva. Corte longitudinal. 1000X 54 Figura 37. Microestructura pieza fracturada. Corte longitudinal. 1600X 54 Figura 38. Microestructura pieza nueva. Corte longitudinal. 1600X 54

9

Figura 39. Microestructura pieza fracturada. Corte transversal. 4000X 55 Figura 40. Microestructura pieza nueva. Corte transversal. 4000X 55 Figura 41. Indentaciones sobre la carcasa fracturada 57 Figura 42. Indentaciones sobre la carcasa nueva 57 Figura 43. Ubicación del origen de la fractura en la rótula 61 Figura 44. Vista general del origen de la fractura sobre el fragmento 62 desprendido Figura 45. Ampliación del origen de la fractura 62 Figura 46. Vista general de la superficie de fractura separa por medio 63 mecánico Figura 47. Superficie de fractura con cambios en las condiciones de carga 64 Figura 48. Fractura transgranular. 600X 65 Figura 49. Vista general de la zona analizada 65 Figura 50. Fractura de clivaje. 600X 66 Figura 51. Fractura de cuasi-clivaje. 600X 67 Figura 52. Vista trimétrica del solido de la rótula generado por CAD 69 Figura 53. Modelo de la suspensión en Working Model® 70 Figura 54. Nodos generados, restricciones de movimiento y aplicación de 72 carga Figura 55. Distribución de esfuerzos de Von Mises 73 Figura 56. Distribución de deformaciones 73 Figura 57. Diagrama de esfuerzos contra tiempo en nodo de fractura 74

10

LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. Plano de la carcasa de la rótula 79 Anexo B. Plano del perno de la rótula 80

11

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Realizar un análisis de falla para determinar la causa más probable de la ruptura

de la carcasa de una rótula inferior de una camioneta Chevrolet Luv 4x4 2300

modelo 89.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar una caracterización del material de fabricación de la carcasa de la

rótula a analizar.

Ejecutar ensayos no destructivos sobre la pieza, así como exámenes macro

y microscópicos para determinar los mecanismos de falla de la rótula.

Clasificar el tipo de fractura según las condiciones de carga, y la apariencia

macro y microscópica de la misma.

Relacionar la geometría de la carcasa y las condiciones de cargas y

esfuerzos a las que se encuentra sometida en servicio con las posibles

causas y lugares de falla.

Realizar una simulación de elementos finitos para corroborar la causa más

probable de falla, concluida a partir de la metodología de análisis de falla.

12

INTRODUCCIÓN

Una falla se puede entender como la representación de una situación bajo la cual

un componente, material o sistema deja de cumplir satisfactoriamente la función

para la cual fue destinado, durante el tiempo de vida para el cual fue creado [15].

La ocurrencia de fallas en elementos mecánicos puede tener serias implicaciones,

que van desde paradas de producción en planta, con las consecuentes pérdidas

económicas, hasta el riesgo de pérdidas humanas. Por esta razón, y debido a que

todos los componentes mecánicos inevitablemente tienden a fallar, la prevención

de fallas debe ser un tema relevante para todos: ingenieros, diseñadores,

investigadores, científicos, gerentes de plantas, etc. Los altos beneficios

económicos, de confiabilidad y de seguridad que generan la prevención de fallas

es una gran recompensa para quienes deciden dedicar tiempo y recursos en este

aspecto.

En la prevención de fallas, el análisis de fallas ocurridas en servicio juega un papel

muy importante. Ésta es una investigación que se lleva a cabo luego de que algún

componente o sistema mecánico ha fallado, y su objetivo principal es el de

establecer cuáles fueron los factores que incidieron para que dicho elemento o

sistema fallara, con el fin de evitar que se repitan fallas similares en el futuro. Esto

es posible, ya que el análisis de falla permite determinar si hubo errores humanos

asociados a la falla; errores en el proceso de fabricación de la pieza o su material,

que hacen que la parte no tenga la resistencia o propiedades especificadas;

errores de diseño de la pieza, bien sea en su dimensionamiento o selección de

material; abusos en las condiciones de carga o ambiente de servicio de la pieza,

para las cuales ésta no fue diseñada, entre otros. Cuando la falla de un

componente implica aspectos legales o económicos es importante establecer

responsabilidades por la ocurrencia de la falla. Se puede concluir entonces que el

análisis de falla debe ser visto como una herramienta útil, que permite ejercer un

13

control de calidad sobre los elementos mecánicos usados en diversos sistemas,

bien sea en su diseño, material o proceso de fabricación; como en sus condiciones

de servicio.

En el presente trabajo se pretende realizar un análisis de falla, asistido por una

simulación computacional con elementos finitos, para determinar la causa más

probable de falla de la carcasa de una rótula de suspensión de una camioneta

Chevrolet Luv 4x4 2300 modelo 1989, la cual se fracturó mientras la camioneta

estaba en servicio. En éste se llevaron a cabo diferentes ensayos metalúrgicos

para realizar una caracterización del material, se analizó la superficie de fractura

para determinar el tipo de carga que causó la falla, y se realizó una simulación

computacional para determinar las cargas a las que estaría sometida la rótula al

pasar un obstáculo típico en carretera y simular su respuesta a dichas cargas.

14

1. TEORÍA DE FALLA

1.1 SECUENCIA DEL ANÁLISIS DE FALLA

Un análisis de falla tiene una secuencia general que es muy importante seguir y

que se debe tener en cuenta, siempre que se realice una investigación de este

tipo. Esto es debido a que en el proceso fácilmente se pueden perder evidencias

que no hayan sido tratadas con antelación y con el suficiente cuidado. Lo anterior

es especialmente cierto en las etapas del análisis que incorporan ensayos

destructivos sobre las piezas en cuestión, situación que no es reversible y la cual

puede impedir que luego se realicen inspecciones o pruebas que se debían llevar

a cabo antes de los ensayos destructivos. A grandes rasgos, la secuencia de un

análisis de falla es la que se explica a continuación [16].

1.1.1 Recopilación de antecedentes de falla. En esta etapa se reúne toda la

información posible con respecto al funcionamiento y especificaciones de la pieza.

Esta información incluye las especificaciones y condiciones de operación, el

historial de mantenimiento y servicio de la pieza o equipo, el proceso de

fabricación, historiales de falla, entre otros. Dentro de esta etapa se incluyen

entrevistas con el operador y cualquier otro testigo del incidente. Esta parte del

proceso es importante, ya que para poder investigar adecuadamente y emitir

hipótesis acerca de las posibles causas de la falla, es necesario conocer y

comprender muy bien cómo funciona la pieza, para que sirve, cuáles son sus

fortalezas y debilidades, de qué está hecha, y cuáles deben ser sus condiciones

normales de operación, para poder así, identificar más fácilmente cualquier tipo de

situación anormal durante el servicio que pueda resultar en una falla.

15

1.1.2 Inspección visual. En la inspección visual se debe prestar especial atención

a la escena de la falla, ya que es ahí donde se recogen todas las evidencias que

permiten llevar a cabo la investigación. Se debe tomar nota de evidencias de

abusos, de concentradores de esfuerzos, de uso indebido, del ambiente de

servicio, etc. Adicionalmente, es clave hacer un registro fotográfico de todas las

observaciones y evidencias recolectadas. En esta etapa se hace una primera idea

de la posible causa de la falla. Además, se deben extraer las muestras que serán

analizadas en el laboratorio, lo que se debe hacer con sumo cuidado para no

dañar las superficies de fractura o alterar las propiedades del material. Estas

muestras deben ser cuidadosamente limpiadas.

1.1.3 Ensayos no destructivos. Con estos ensayos se realizan pruebas

estructurales a la pieza para determinar el estado de la misma y encontrar

discontinuidades superficiales o subsuperficiales, grietas, o cualquier otro defecto

que pueda estar presente. Algunas de las técnicas utilizadas son tintas

penetrantes, partículas magnéticas, radiografía y ultrasonido, entre otras. Como su

nombre lo indica, estas técnicas no afectan ni destruyen la integridad de la pieza.

1.1.4 Ensayos mecánicos. Los ensayos mecánicos se usan para verificar las

propiedades y la resistencia del material de la pieza fallada y encontrar

irregularidades o defectos de éstas. Generalmente se realizan ensayos de

tracción, dureza, microdureza e impacto, entre otros.

1.1.5 Análisis fractográfico. El análisis fractográfico se lleva a cabo en dos etapas:

análisis macroscópico y análisis microscópico. Con el examen macroscópico de la

fractura se busca localizar el origen de la grieta e identificar su mecanismo y

dirección de propagación. Éste es tal vez el paso más importante dentro del

16

análisis de falla, ya que toda esta información provee detalles acerca de la rapidez

de propagación de la grieta, su origen, dirección de los esfuerzos principales y una

idea acerca de su intensidad, indicios cualitativos de la tenacidad del material, e

indicios sobre el tipo de carga aplicada a la pieza en el momento de la falla, entre

otros. Generalmente el análisis macroscópico de la fractura se hace con la ayuda

de un estereoscopio. El examen microscópico de la fractura busca examinar en

detalle el modo de fractura presente (clivaje, coalescencia de microvacíos, etc.),

para corroborar las observaciones macroscópicas. Este examen se lleva a cabo

con ayuda de un microscopio electrónico de barrido (SEM).

1.1.6 Análisis metalúrgicos. Los análisis metalúrgicos son utilizados para observar

y verificar las características del material de fabricación de la pieza fallada. En

primer lugar se realiza un análisis de composición química, con el que se estudia

el tipo y composición del material usado en la pieza, con el fin de corroborar que

se encuentre dentro de las especificaciones para la aplicación requerida. Luego se

preparan muestras metalográficas para ser examinadas bajo el microscopio,

primero sin ningún ataque químico para observar el contenido de inclusiones en el

material, y luego con ataque químico para observar las características

microestructurales. También se puede identificar la presencia de microgrietas o

cualquier otro microdefecto, además de verificar profundidades de

endurecimientos superficiales, entre otros.

1.1.7 Simulaciones o cálculos de diseño. Una vez que se conoce el tipo de falla,

es importante verificar la resistencia de las piezas que fallaron de acuerdo a las

condiciones de operación y a las características del material investigadas. Estas

verificaciones se pueden hacer con cálculos matemáticos de diseño o con ayuda

de herramientas computacionales como son las simulaciones por elementos

finitos.

17

1.1.8 Informe, conclusiones y recomendaciones. Finalmente, se debe realizar un

informe detallado de la investigación, en donde se describe el componente, el

historial de fabricación, los resultados de los estudios mecánicos y metalúrgicos, y

los mecanismos y causas de la falla. Se deben enunciar también las conclusiones

más relevantes del análisis de falla, el concepto de falla, y lo que es más

importante, las recomendaciones para prevenir la ocurrencia de fallas similares en

el futuro.

1.2 DEFECTOS DE LOS MATERIALES

A pesar de los avances tecnológicos de materiales presentes hoy en día, y de los

estrictos controles de calidad en los procesos de manufactura, aún es imposible

obtener materiales cien por ciento libres de defectos. Esto es debido a que existen

una inmensa cantidad de defectos que se pueden presentar en un material, bien

sean inherentes al mismo, o inducidos en los procesos de manufactura e incluso

en servicio. El origen de muchas fallas en la historia ha sido atribuido a defectos

en el material, y es por eso que un material con una cantidad de defectos que

excedan un cierto nivel de seguridad son un potencial peligro para la integridad de

la pieza o la estructura. En este orden de ideas, es de vital importancia controlar

los inevitables defectos de un material para mantenerlos dentro los límites de

seguridad. Los defectos en materiales metálicos se pueden clasificar en cuatro

categorías [15]: defectos inherentes a la solidificación del metal, defectos

inducidos durante el procesamiento primario, defectos inducidos durante el

procesamiento secundario, y defectos en servicio. A continuación se dará una

breve descripción y algunos ejemplos de cada una de estas categorías.

1.2.1 Defectos de solidificación. Los defectos inherentes a la solidificación del

metal, generalmente ocurren porque algunos pasos del proceso de manufactura

18

no son controlados adecuadamente. Dentro de los posibles defectos que se

pueden dar está la contracción del material o rechupe por múltiples razones, como

pueden ser insuficiente cantidad de material o cambios bruscos de sección.

También se pueden obtener porosidades dentro de la fundición, o algunos

defectos causados durante el proceso de enfriamiento. Adicionalmente se pueden

generar inclusiones no metálicas debido al enfriamiento de suciedades presentes

en la fundición.

1.2.2 Defectos en el procesamiento primario. Muchos de los defectos presentes

en los materiales pueden ser inducidos durante su primer procesamiento. Algunos

defectos son característicos de ciertos procesos. Por ejemplo, un metal laminado

puede generar grietas en la superficie debido a gradientes térmicos durante el

laminado. También se pueden generar discontinuidades en la dirección del

laminado, o generar una deformación perjudicial en las inclusiones presentes. Las

forjas pueden resultar con pliegues debidos a superficies oxidadas que se doblan

unas sobre otras y se presionan en el proceso de forja. Un forjado inadecuado

puede generar un patrón no deseado en la orientación de los granos, lo que puede

causar una anisotropía en el material. Un material extruido puede contener

discontinuidades longitudinales debidas a agujeros o inclusiones atrapados en el

material.

1.2.3 Defectos en el procesamiento secundario. De igual manera, muchos

defectos pueden ser inducidos en el material durante su procesamiento

secundario. Un ejemplo son los defectos generados en uniones de soldadura.

Debido a que una soldadura es una fundición a menor escala, sus defectos son

muy similares, como grietas, porosidades, o un flujo o fusión inadecuados. El

proceso de maquinado también puede generar varios defectos como grietas,

puntos calientes, presencia de esfuerzos residuales, causados por los efectos

19

térmicos producidos en el metal por el maquinado, fragilización por absorción de

hidrógeno, entre otros. Otra de las grandes fuentes de defectos son los

tratamientos térmicos, que pueden generar grietas por templado,

descarburización, tamaño de grano muy burdo si existe un sobrecalentamiento, o

propiedades mecánicas por debajo de las esperadas.

1.2.4 Defectos en servicio. Finalmente, algunos defectos pueden ser generados o

incrementados durante el servicio de la pieza. Dentro de este tipo de defectos

están las grietas de fatiga, puntos de corrosión, agrietamiento por corrosión,

fragilización por absorción de hidrógeno, fatiga térmica, o creep, entre otros.

Es importante resaltar que los defectos mencionados anteriormente son algunos

de los ejemplos más representativos, y que el estudio y comprensión de los tipos

de defectos es un tema bastante amplio, en el cual se deben conocer no sólo sus

causas y orígenes, sino también la forma de prevenirlos, detectarlos y corregirlos

adecuadamente.

1.3 TIPOS DE FRACTURAS Y MECANISMOS DE PROPAGACIÓN

Como ya se mencionó, el análisis de la superficie de fractura es la parte más

importante dentro del proceso del análisis de falla, ya que ésta proporciona

información valiosa acerca de cómo ocurrió la falla. En este orden de ideas, es de

vital importancia para el investigador conocer muy bien cuáles son los tipos de

fractura y los mecanismos que se pueden presentar cuando una grieta se

propaga.

20

Lo primero que se debe saber es que todos los metales son materiales

policristalinos, es decir, que tienen muchos cristales o granos en su estructura,

cada uno de los cuales está compuesto de muchos átomos arreglados en celdas

con patrones tridimensionales regulares y repetitivos. Los modos de fractura que

existen se diferencian básicamente en la forma en que dicha estructura cristalina

se comporta bajo carga. A continuación se hará una breve descripción de los

diferentes tipos de fractura y sus mecanismos de propagación.

1.3.1 Fractura dúctil. Los términos dúctil y frágil hacen referencia al

comportamiento de un material bajo una carga sostenida [26]. Una fractura dúctil

se da cuando el material tiene la habilidad de deformarse plásticamente

(permanentemente), en una cantidad considerable, previamente a la fractura. Por

lo tanto, la ductilidad es una propiedad inherente al material, y está relacionada

con la capacidad del material de absorber energía. Un material muy dúctil absorbe

mucha energía (deformándose) antes de fracturarse. Este comportamiento

generalmente se da en metales de baja dureza y resistencia, y una tolerancia

considerable a las discontinuidades. Dependiendo de la aplicación, puede ser

deseable que un metal exhiba características dúctiles, aceptando una menor

dureza y resistencia, como por ejemplo en alambres para ganchos de ropa, o

cualquier otro metal al que se le quiera dar forma.

1.3.1.1 Características macroscópicas. Todos los tipos de fracturas tienen

características especiales y únicas, tanto a nivel macroscópico como a nivel

microscópico, que permiten identificarlas. Las fracturas dúctiles se caracterizan a

nivel macroscópico por presentar una considerable deformación permanente

precediendo la fractura, muestran una apariencia fibrosa y suave, con una textura

sedosa, el crecimiento de la grieta es lento, pueden presentarse rebordes

causados por un cambio en la dirección de la fractura justo antes de llegar al filo, y

21

se presenta una reducción en la sección transversal por una gran elongación de

los granos. La superficie de una fractura dúctil no está necesariamente

relacionada con la dirección de los esfuerzos principales. En la figura 1 se muestra

la apariencia típica de una fractura dúctil, en un espécimen de prueba.

Figura 1. Apariencia típica de una fractura dúctil

Reimpreso de WULPI, DONALD J.

1.3.1.2 Características microscópicas y mecanismo de propagación. A nivel

microscópico, una fractura dúctil se propaga por medio de un mecanismo conocido

como coalescencia de microvacíos. En este proceso, la carga sostenida tiende a

distorsionar los granos, deformándolos. Si la carga se mantiene, las zonas más

débiles del material, como pueden ser aquellas que contengan algún tipo de

defecto, se separan en pequeños microvacíos. Una vez que existe esta

discontinuidad, la sección transversal en esa zona se reduce, aumentando los

esfuerzos de las zonas circundantes, razón por la cual estas zonas también

formarán sus propios microvacíos. Todos estos microvacíos empiezan entonces a

unirse rápidamente, continuando así hasta que ocurre la fractura.

22

La superficie de la fractura a nivel microscópico revela entonces una masa de

hoyuelos, resultado de la unión de los mencionados microvacíos. Estos hoyuelos

sólo se pueden apreciar con la ayuda de un microscopio electrónico de barrido, y

su estudio es de gran importancia ya que la forma de los hoyuelos es diferente

dependiendo de si la carga fue a tensión, cortante, o por arrancamiento; revelando

así el tipo de carga al que estuvo sometida la pieza. En la figura 2 se ilustra una

micrografía típica de una fractura dúctil, donde se aprecian claramente los

hoyuelos.

Figura 2. Micrografía típica de una fractura dúctil, donde se aprecian los hoyuelos. 2000X

Reimpreso de WULPI, DONALD J.

1.3.2 Fractura frágil. Una fractura frágil se presenta cuando no existe

prácticamente ninguna deformación plástica antes de que ocurra la fractura. Este

tipo de fractura se presenta generalmente en materiales de alta dureza y

resistencia, pero con poca tolerancia a las discontinuidades. Al igual que con los

materiales dúctiles, muchas aplicaciones requieren alta dureza y resistencia,

Hoyuelos

23

aceptando a cambio la fragilidad del material. Un ejemplo de esto son los dientes

de un engranaje.

1.3.2.1 Características macroscópicas. Una fractura frágil se caracteriza por tener

una apariencia plana, granular y altamente reflectiva a la luz. Se presentan

también unas marcas características, llamadas marcas chevron, cuyo vértice

apunta siempre hacia el origen de la grieta. En la figura 3 se muestra un diagrama

con el patrón típico de dichas marcas. También se caracterizan porque no existe

ninguna deformación plástica precediendo la fractura, y porque el crecimiento de

la grieta es muy rápido. Una característica muy importante de las fracturas frágiles

es que, a diferencia de las fracturas dúctiles, la superficie de fractura es siempre

perpendicular al esfuerzo principal de tensión. Esta característica permite

identificar fácilmente la dirección de dichos esfuerzos. En la figura 4 se observa la

apariencia típica de una fractura frágil.

Figura 3. Esquema del patrón típico de las marcas chevron

Reimpreso de WULPI, DONALD J.

Dirección de

la fractura

Dirección de

la fractura Origen

24

Figura 4. Apariencia típica de una fractura frágil

Reimpreso de WULPI, DONALD J.

1.3.2.2 Características microscópicas y mecanismos de propagación. Las

fracturas frágiles usualmente se propagan mediante alguno de los siguientes

mecanismos: clivaje o intergranular. Las características de ambos mecanismos

sólo se pueden observar con ayuda de un microscopio electrónico de barrido. El

mecanismo de clivaje consiste en una separación repentina de las caras de las

celdas cristalinas adyacentes, a lo largo de planos cristalográficos específicos,

atravesando las fronteras de los granos, por lo que es una fractura del tipo

transgranular. No existe ninguna deformación permanente.

La apariencia de la superficie de una fractura de clivaje es plana y uniforme, en la

que se observa un patrón de líneas microscópicas que convergen, análogamente

a las vertientes de un río que se unen para formar la corriente principal. Este

patrón es de gran importancia, ya que revela la dirección de propagación de la

grieta, el cual es en la misma dirección que las vertientes del río: aguas abajo, o

en la dirección de convergencia de las líneas. En la figura 5 se muestra una

micrografía típica de una fractura de clivaje.

25

Figura 5. Micrografía típica de una fractura de clivaje, donde se aprecian los patrones de río.

2000X

Reimpreso de WULPI, DONALD J.

El otro posible mecanismo de propagación de una fractura frágil es el

intergranular. En éste la fractura se propaga siguiendo los bordes de grano, los

cuales generalmente están debilitados por alguna razón. Dentro de estas razones

se incluyen fragilización por envejecimiento, fragilización a causa de algún

tratamiento térmico inadecuado, y fragilización por absorción de hidrógeno, entre

muchos otros. Su apariencia es rocosa, y revela claramente la forma de los

granos. En la figura 6 se aprecia una micrografía típica de una fractura

intergranular.

Patrones

de río

26

Figura 6. Micrografía típica de una fractura intergranular, donde se aprecia claramente la forma de

los granos. 2000X

Reimpreso de WULPI, DONALD J.

1.3.3 Fractura por fatiga. La fractura por fatiga no es un tipo de fractura que se

presente por la acción de una sola carga, como sí lo son las fracturas dúctiles y

frágiles, sino que son fracturas que se presentan por la acción repetitiva de

muchos ciclos (incluso millones de ellos) de una carga, que no es lo

suficientemente alta como para causar una fractura en una sola aplicación. Los

ciclos de carga ejercen una acción cortante en la estructura cristalina, que tiende a

causar que los inevitables defectos presentes en el material se junten hasta formar

una microgrieta en el lugar más vulnerable. La acción continuada de los ciclos de

carga hace que la grieta crezca gradualmente, reduciendo la resistencia del

material, hasta alcanzar un tamaño crítico en donde los niveles de esfuerzo

superan la resistencia del material y se produce la fractura final de la pieza. Esta

fractura final puede ser una fractura dúctil o una fractura frágil. Debido a que es

causada por cargas que no superan la resistencia del material, haciendo difícil su

predicción, la falla por fatiga es el tipo más frecuente y más serio de falla que

existe.

27

1.3.3.1 Características macroscópicas. El análisis macroscópico de una fractura

por fatiga es el análisis más importante y el que mayor información provee acerca

de la falla. Uno de los primeros aspectos que brindan información acerca de la

falla es si hay o no una deformación permanente, no sólo en la superficie de

fractura, sino en toda la pieza. Debido a que la fractura por fatiga es causada por

muchos ciclos de esfuerzos que no superan la resistencia del material, incluso ni

siquiera la resistencia de fluencia, no debería presentarse ninguna deformación en

la superficie de fractura. Sin embargo, una falla por fatiga se puede presentar por

dos circunstancias: bajos ciclos y elevados esfuerzos, o lo que es más común,

varios ciclos y bajos esfuerzos. Si la falla se presenta por bajos ciclos y elevados

esfuerzos, puede ser entonces que haya una pequeña deformación presente en la

superficie de fractura. El análisis de la presencia o no de deformación, proporciona

una idea cualitativa acerca de la cantidad de ciclos y de los niveles de esfuerzos

que causaron la falla.

Una característica única de las fracturas por fatiga son las llamadas marcas de

playa. Éstas son líneas visibles macroscópicamente, que aparecen de una manera

progresiva, y las cuales surgen por las interrupciones inherentes a los ciclos de

carga en la etapa de propagación de la grieta. Algunos factores que ayudan a la

formación de estas marcas son deformaciones plásticas microscópicas,

diferencias en el tiempo de exposición a la corrosión a medida que la grieta se

propaga, y grandes cambios en la magnitud y frecuencia de la carga. Una última

característica de las fracturas de fatiga son las llamadas ratchet marks, las cuales

en esencia marcan el origen de la fractura. Cada marca representa un origen. En

la figura 7 se presenta una típica superficie de fractura por fatiga.

28

Figura 7. Apariencia típica de una fractura por fatiga

Reimpreso de WULPI, DONALD J.

1.3.3.2 Características microscópicas y mecanismo de propagación. Las fracturas

por fatiga se desarrollan en tres etapas: nucleación, propagación, y ruptura final.

La nucleación es la etapa más complicada y menos comprendida, y en ésta la

grieta se origina por la acción de esfuerzos cortantes repetitivos. El efecto

acumulado de estos esfuerzos causa cambios microscópicos que terminan por

originar una grieta en los lugares más débiles del material, generalmente donde

hay microdefectos. En la etapa de propagación, la grieta crece como

consecuencia de la continuación de las cargas repetitivas. La punta de la grieta es

un gran concentrador de esfuerzos, por lo que con cada ciclo de carga, la grieta

aumenta su tamaño en esta parte. Como se mencionó en la sección anterior, ésta

es la etapa que más fácilmente se identifica en la superficie de fractura.

Posteriormente, la ruptura final se da porque la grieta llega a un tamaño crítico que

causa que la resistencia del material sea menor que la carga del siguiente ciclo,

rompiendo definitivamente la pieza en dicha aplicación de carga.

La característica microscópica más importante de las fracturas por fatiga son las

estrías, aunque por varias razones éstas no están necesariamente presentes. En

Inicio

Propagación

Arrancamiento

29

la etapa de propagación de la grieta, cada vez que la punta de la grieta es abierta

por un esfuerzo de tensión de suficiente magnitud, ésta se deforma plásticamente

causando que la grieta avance microscópicamente. Este pequeño avance es el

que genera la estría. Cerca al origen de la grieta las estrías están muy

estrechamente espaciadas, indicando un crecimiento lento de la misma. A medida

que la grieta se propaga gradualmente, el espaciado entre las estrías aumenta,

indicando un avance rápido de la grieta, hasta que finalmente alcanza la ruptura

final. En la figura 8 se ilustra una micrografía con estrías típicas de fatiga.

Figura 8. Estrías típicas de fatiga. 4900X

Reimpreso de WULPI, DONALD J.

1.3.4 Fracturas combinadas. Pocas veces una fractura es únicamente de un solo

tipo. La mayoría de veces las fracturas poseen características de varias clases de

éstas en diferentes zonas. Por ejemplo una fractura aparentemente dúctil puede

tener características frágiles a nivel macroscópico o viceversa. También en

algunas ocasiones la fractura puede ser dúctil cerca al origen, pero frágil en las

Estrías de

fatiga

30

zonas cercanas al desprendimiento final. Esto es así debido a que cada grano

dentro de la estructura cristalina del material es único, y por ende cada uno

responde de manera diferente a los esfuerzos que se aplican sobre él. Así mismo,

cada región del material puede tener leves diferencias en la microestructura o en

los microdefectos que contiene, lo que puede generar diferencias en la fractura.

Un caso especial de fractura combinada es la llamada fractura de cuasi-clivaje, la

cual es considerada como una combinación de clivaje con coalescencia de

microvacíos. En ésta, parecen observarse hoyuelos en planos de clivaje, como se

observa en la figura 9.

Figura 9. Micrografía de una fractura de cuasi-clivaje

Reimpreso de BROOKS, CHARLIE R. y CHOUDHURY, ASHOK

1.4 TIPOS DE FALLAS

Una vez conocidos los tipos de fracturas, es importante reconocer que la fractura

no es el único tipo de falla que se puede presentar en un elemento mecánico, y

que las causas de una fractura pueden ser diversas. A continuación se presenta

Hoyuelos

Planos de

clivaje

31

una breve descripción de los diferentes tipos de fallas que se pueden presentar en

dichos elementos [15].

1.4.1 Fallas por sobrecarga. Cuando una estructura o elemento mecánico falla por

una carga aplicada que supere la resistencia del mismo, se dice que la estructura

o elemento falló por sobrecarga. Este tipo de falla produce fracturas bien sea

dúctiles, frágiles, o combinadas. Estas fallas pueden ser causadas por cargas de

tensión, torsión, flexión, cortante, o de impacto. Ésta última se da cuando la carga

es aplicada durante un lapso de tiempo muy corto, del orden de décimas de

segundo.

1.4.2 Fallas por fatiga. Las fracturas por fatiga fueron tratadas anteriormente

…véase la sección 1.3.3… Sin embargo, se debe reconocer que existen muchos

otros tipos de fatiga. Dentro de éstas se encuentra la fatiga de contacto, en la cual

se inician grietas bajo varios ciclos de contacto; la fatiga térmica, que es el

resultado de ciclos térmicos repetitivos que generan gradientes de esfuerzos

repetitivos; fatiga bajo fuerzas de compresión; fatiga por corrosión, en la que un

ambiente corrosivo también contribuye a la generación de la grieta; entre muchas

otras.

1.4.3 Fallas por corrosión. La corrosión se define como una forma de degradación

de un material debido a una actividad química o electroquímica con el medio

ambiente. Existen muchas formas de corrosión, y éstas se clasifican de acuerdo a

su apariencia externa o propiedades físicas. La corrosión convierte el metal en un

óxido, un hidróxido o un sulfato, y envuelve dos cambios químicos: anódico y

catódico. Esta falla es bastante problemática y costosa, y aunque por sí sola no es

32

catastrófica, sí lo es cuando la parte está sometida a esfuerzos y resulta en una

fractura.

1.4.4 Fallas a temperaturas elevadas. Las fallas a temperaturas elevadas son

bastante complicadas debido a que cualquiera de los tipos de fallas puede ocurrir

a estas temperaturas. A elevadas temperaturas, la vida de un componente

metálico está bastante limitada, debido a que su resistencia estática útil se ve

reducida por el factor del creep. El creep es el principal tipo de falla a temperaturas

elevadas y consiste en una deformación o cambio de forma gradual, dependiente

del tiempo, que ocurre bajo la acción de esfuerzos.

1.4.5 Fallas por desgaste. El desgaste es un fenómeno en el que se remueve o

desplaza material de la superficie por el contacto con otro sólido, un lubricante, un

líquido, o un gas. Aunque no es un tipo de falla catastrófico, si puede reducir

enormemente la eficiencia de un elemento mecánico. Existen varios tipos de

desgaste, entre los que están: desgaste abrasivo, en el cual la remoción de

material se da por el contacto con pequeñas partículas muy duras; y desgaste

adhesivo, en el que el daño se produce por el contacto de dos sólidos que debido

a la presión y temperatura se adhieren, haciendo que las posteriores fuerzas

remuevan parte del material.

33

2. ANÁLISIS DE FALLA

La rótula objeto de este estudio es la rótula inferior de una camioneta Chevrolet

Luv 2300 4x4 modelo 1989, la cual falló en la carcasa, específicamente en la zona

de alojamiento de la rótula del perno, mientras la camioneta estaba en servicio y

era dirigida en condiciones que se suponen normales. La rótula recibida es una

pieza original, fabricada por la empresa Terminales Automotrices S.A. (TNK), y

cuya referencia dentro de la marca es CA 144. En la figura 10 se ilustra la rótula

fracturada. De acuerdo al fabricante, la forja realizada sobre la carcasa de la rótula

es china, y la fuerza de arrancamiento del perno es de 20000 N. De igual manera,

para facilitar la caracterización del material de la carcasa de la rótula, se recibió

una rótula nueva en perfectas condiciones, la cual también es una pieza original

fabricada por la empresa Terminales Automotrices S.A. (TNK), y de la misma

referencia: CA144. En la figura 11 se ilustra esta rótula.

Figura 10. Vista general de la rótula fracturada, indicando sus partes

Carcasa

Perno

Fragmento

carcasa

Tuerca de

sujeción

Casquillo

interior

Fragmento

guardapolvo

34

Figura 11. Vista general de la rótula nueva

2.1 RECOPILACIÓN DE ANTECEDENTES DE FALLA

2.1.1 Funcionamiento de una rótula. Una rótula es un componente mecánico que

hace parte de la suspensión delantera de un vehículo, teniendo como función la

unión entre los brazos de control de la suspensión (tijeras) y la mangueta de

dirección, permitiendo a su vez giros sobre sí misma en todos los planos para

mantener la verticalidad de las ruedas al realizar giros de la dirección. Debido a su

función de unir las ruedas a la suspensión, las rótulas automotrices son piezas de

seguridad para el vehículo. Se les llama así a causa de su relación directa con la

seguridad e integridad física de los ocupantes del vehículo. Una falla de esta pieza

produce un desprendimiento parcial o total de una de las ruedas encargadas de la

dirección, lo que conlleva a una pérdida del control del vehículo, situación que es

agravada si se conduce a altas velocidades. Por esta razón, es importante ejercer

un estricto control de calidad sobre estas piezas. La figura 12 ilustra la ubicación

de las rótulas dentro de la suspensión. En esa ilustración se puede ver que existen

dos rótulas por cada rueda, una rótula superior y una rótula inferior.

35

Figura 12. Ubicación de las rótulas dentro de la suspensión

Reimpreso de TERMINALES AUTOMOTRICES S.A.

Para cumplir adecuadamente su función, las rótulas automotrices están

compuestas de las siguientes partes (figura 13):

Perno: es el elemento encargado de proveer la unión con la mangueta, y a su vez

contiene la rótula (esfera) para permitir los giros del componente.

Carcasa: es el elemento que envuelve y protege la rótula, y a su vez provee la

unión con el brazo de control.

Tuerca de sujeción: provee la sujeción de la rótula impidiendo que ésta se

desprenda de la mangueta de dirección. La tuerca posee un anillo de bloqueo, que

no permite que ceda a causa de las vibraciones y esfuerzos a los que está

sometida la rótula.

Guardapolvo: es el componente que protege la rótula del ingreso de polvo y

suciedades que se conviertan en partículas abrasivas y aceleren el desgaste de la

rótula, por lo cual debe ser resistente al agua, y a las condiciones ambientales.

Anillo de sujeción: ajusta el guardapolvo al perno, evitando la entrada de

impurezas al interior de la rótula.

Brazo de control

superior

Rótula superior

Mangueta

Brazo de control

inferior Rótula inferior

36

Tapa: utilizada para cubrir la parte superior de la rótula.

Casquillo interior: es un elemento antifricción que se ajusta a la rótula del perno

para reducir la fricción y ayudar a mantener un movimiento uniforme de la misma.

Grasa: lubricante de características especiales que facilitan el movimiento de la

rótula e impiden su desgaste.

Figura 13. Partes de una rótula de suspensión

Reimpreso de TERMINALES AUTOMOTRICES S.A.

Las rótulas automotrices se clasifican de dos maneras, de acuerdo a su relación

con el peso del vehículo, y a su diseño. Esta clasificación se resume en la figura

14. La clasificación de acuerdo a su relación con el peso del vehículo hace

referencia a la rótula, específicamente si soporta o no el peso del vehículo. En

este sentido, y como se mencionó anteriormente, existen dos rótulas por rueda en

la suspensión delantera de un vehículo: la rótula superior y la rótula inferior. Sin

embargo, sólo a una de estas rótulas, bien sea la superior o la inferior, es

Tuerca de

sujeción

Anillo de

sujeción

Tapa

Carcasa

Perno

Guardapolvo

Casquillo

interior

Grasa

37

transmitido la fracción del peso soportado por esa parte de la suspensión,

mientras que el otro punto de unión con la mangueta no soporta peso del vehículo

y su función es únicamente la de mantener la verticalidad de la rueda,

conservando así las medidas de alineación de la suspensión y permitiendo

también el giro de la dirección. La rótula que soporta el peso es aquella que

conecta el brazo de control sobre el cual se apoyan el resorte (o barra de torsión)

y el amortiguador (figura 15).

Figura 14. Clasificación de las rótulas de suspensión

Rótulas de suspensión

Clasificación por su relación con el peso del vehículo

Soporta el peso del vehículo

No soporta el peso del vehículo

Clasificación por su diseño

Sometida a cargas de tensión

Sometida a cargas de compresión

38

Figura 15. Clasificación de las rótulas por su relación con el peso del vehículo

Reimpreso de TERMINALES AUTOMOTRICES S.A.

La clasificación de las rótulas de acuerdo a su diseño hace referencia a si la rótula

está sometida a cargas de tensión o de compresión, de acuerdo al diseño de la

suspensión. Cuando la mangueta descansa sobre el brazo de control que se

apoya en la respectiva rótula, ésta es sometida a cargas de tensión y el peso del

vehículo tiende a halar o tirar hacia el exterior el vástago de la rótula. Cuando el

brazo de control descansa sobre la mangueta apoyada sobre la rótula, ésta se

encontrará sometida a cargas de compresión y el peso del vehículo tiende a

presionar o comprimir el vástago hacia el interior. En la figura 15 se observa que la

rótula superior está soportando el peso, y está sometida a cargas de compresión;

mientras que en la figura 16 se muestra una rótula sometida a cargas de tensión.

Línea de acción

de la carga

Rótula que

soporta carga

(compresión)

Rótula sin

soporte de carga

39

Figura 16. Rótula sometida a cargas de tensión

Reimpreso de TERMINALES AUTOMOTRICES S.A.

2.1.2 Especificaciones de operación. La rótula objeto de este análisis, es la rótula

que soporta el peso en este tipo de camioneta, y las cargas a las que está

sometida son cargas de compresión, de acuerdo a lo estudiado anteriormente y a

la figura 17, que muestra un diagrama de la suspensión delantera de la camioneta

mencionada, donde se resalta la ubicación de la rótula inferior. Se puede observar

que la suspensión delantera de la Chevrolet Luv es del tipo independiente con

muelles de barras de torsión. La barra de torsión está apoyada en la rótula inferior

y en el brazo de control de altura. El peso bruto de la camioneta, es de 1420 kg.

Se asume que este peso está distribuido equitativamente en el eje trasero y en el

delantero, por lo que el peso total soportado por la rótula sería de 355 kg sin

carga.

Rótula sometida a

cargas de tensión

40

Figura 17. Suspensión delantera Chevrolet Luv 4x4 modelo 89

Reimpreso de ISUZU MOTORS LIMITED.

2.1.3 Proceso de fabricación. El proceso de fabricación de las rótulas de

suspensión es, en general, el del ensamble de todas las partes que componen la

rótula. A continuación se presenta una breve descripción de los materiales y

procesos de dichas partes.

Carcasa. La carcasa de la rótula es forjada en caliente, con forjas importadas de

España, Turquía o China, entre otros. Se utilizan diversos aceros para la

fabricación de las rótulas, entre los que están el acero SAE 5120 y el SAE 1045,

entre otros. La forja es normalizada. Luego de ser recibida, la carcasa es

mecanizada en un equipo de control numérico (CNC) para otorgarle las formas y

dimensiones finales. Los agujeros de la carcasa utilizados para la sujeción al

brazo de control se hacen troquelados o taladrados. Finalmente, a la carcasa se le

Rótula inferior

Rótula superior

Brazo de control

inferior

Brazo de control

superior

Amortiguador Mangueta

41

aplica una pintura en polvo electrostática a base de fosfato para protegerla de la

corrosión.

Perno. El perno de la rótula es forjado en frío, con forjas importadas de España y

Francia, entre otros. Entre los aceros usados para la fabricación del perno está el

SAE 4140. El perno también es mecanizado en un equipo de control numérico

(CNC). El perno es tratado térmicamente. La bola o rótula del perno es laminada

para eliminar las marcas de la herramienta que puedan causar desgaste, al igual

que la rosca del perno.

Casquillo interior. El casquillo interior se interpone entre la carcasa y el perno para

evitar el contacto metal-metal. Es elaborado en poliamida.

Guardapolvo. El guardapolvo es elaborado en neopreno y debe resistir

condiciones extremas para evitar la entrada de partículas extrañas al interior de la

pieza.

Tuerca de seguridad. Es una pieza fundamental para la rótula. Tiene teflón para

evitar que se desenrosque. Las tuercas de seguridad tipo castillo también logran

esto gracias a su diseño.

Anillos de sujeción. Los anillos de sujeción son fabricados en acero al carbono

templado y con protección contra la corrosión.

Grasa. Es de especificaciones especiales para trabajo a altas temperaturas y

condiciones adversas. Contiene aditivos de extrema presión para soportar las

cargas generadas al interior de la rótula.

2.1.4 Obtención de la geometría de la rótula. La geometría de la rótula fue

obtenida a partir de la medición de todas las dimensiones y características

geométricas de la rótula nueva. En este proceso se realizaron primero las

mediciones de la carcasa de la rótula, y luego del perno de la misma. Estas piezas

fueron posteriormente reproducidas por aparte en el programa de computador

Solid Edge®, y luego ensambladas para obtener la rótula completa. Las

42

dimensiones y características de la rótula se encuentran plasmadas en los planos

contenidos en los anexos 1 y 2 de este documento.

2.1.5 Inspección visual. Previamente a la inspección visual, todas las partes de la

rótula recibidas para este estudio fueron cuidadosamente limpiadas con una

mezcla de thinner y jabón, con el objeto de remover las suciedades y grasa

presentes para facilitar su observación.

En la figura 10 se observan todas las partes de la rótula, que fueron recibidos para

el análisis:

La carcasa de la rótula, que fue la parte que se fracturó, y que será el objeto

principal de este estudio.

Un fragmento perteneciente a la carcasa, totalmente desprendido de la misma.

El perno de la rótula, el cual tiene restos de la tapa a su alrededor.

El casquillo interior, el cual también se fracturó.

Un fragmento del guardapolvo.

La tuerca de sujeción, junto con una de sus partes. De acuerdo al fabricante, esa

tuerca no es la original y no se trata de una tuerca de seguridad, como debería ser

para esa rótula.

La inspección visual sobre la carcasa de la rótula indica que la misma se fracturó

en la zona donde se aloja la esfera del perno (rótula). Así mismo, se observa la

presencia de un fragmento de la carcasa totalmente desprendido de ésta. Este

fragmento pertenece a la parte posterior de la rótula, como se observa en la figura

18. De acuerdo a la ubicación y orientación de la rótula dentro de la suspensión

(ver figura 17), la zona de la carcasa de donde se desprendió dicho fragmento es

aquella más cercana a la mangueta.

43

Una observación a la zona fracturada de la carcasa muestra varias fracturas

secundarias. De igual manera, se observa que todas esas fracturas abrieron la

superficie de la rótula, similar a una flor, como se puede observar en la figura 18.

La apariencia de las superficies de fractura de la carcasa, a nivel macroscópico, es

fibrosa y uniforme, características típicas de una fractura frágil.

Figura 18. Zona de fractura en la carcasa de la rótula

La superficie de fractura del fragmento de la carcasa que estaba totalmente

separado también presenta un aspecto fibroso y uniforme, como se ilustra en la

figura 19.

Fracturas secundarias con

apariencia de flor.

44

Figura 19. Fragmento de la carcasa

El perno de la rótula no mostraba en ninguna de sus zonas evidencias de

deterioros ni daños causados por la fractura de la carcasa. La rosca del perno

tampoco mostraba ningún rastro de estar deteriorada. Los fragmentos alrededor

del perno son de la tapa de la rótula y quedaron alrededor del mismo como

consecuencia de la fractura. El perno se muestra en la figura 20.

La tuerca de sujeción de la rótula no mostraba evidencias de maltrato alguno, ni

tampoco su rosca se encontró deteriorada. Los fragmentos tanto del casquillo

interior como del guardapolvo muestran que estos se rompieron como

consecuencia de la fractura de la carcasa.

Fractura de aspecto fibroso

y uniforme

45

Figura 20. Perno de la rótula

2.2 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL

El primer paso al realizar un análisis de falla consiste en la caracterización del

material que se va a analizar. Esto es importante porque permite verificar si el

material corresponde al especificado por el fabricante de la pieza. Así mismo,

permite ejercer un control de calidad sobre el material de la pieza, ya que se

pueden detectar irregularidades en el mismo, como son inclusiones o poros,

deficiencias en el tamaño de grano, niveles de dureza inferiores, o composición

química diferente a la especificada para el material. Adicionalmente, al conocer

con certeza el material de la pieza, se puede interpretar y caracterizar mejor el

comportamiento y la respuesta de la pieza a las cargas a las que está sometida de

acuerdo a su aplicación.

Para la caracterización del material de la carcasa de la rótula, se llevaron a cabo

análisis de composición química, análisis metalográficos, análisis del contenido de

Rosca en buen estado

Fragmentos de la tapa Rótula en buen estado

46

inclusiones, análisis del tamaño de grano, ensayos de dureza y ensayos de

microdureza.

2.2.1 Análisis de composición química. Se realizaron análisis de composición

química a los materiales de las carcasas de las dos rótulas disponibles. Estos

análisis fueron efectuados mediante una espectrometría de emisión óptica,

utilizando un espectrómetro de vacío Termo Jarrel Ash, bajo la norma ASTM

E415. Los resultados de dichos análisis, expresados como porcentaje en peso, se

encuentran consignados en la tabla 1, para ambas carcasas.

Tabla 1. Análisis de composición química (% en peso)

Pieza C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu V Nb

Nueva 0.487 0.212 0.522 0.016 0.023 0.012 < 0.001 0.076 0.079 < 0.001 0.002

Fracturada 0.496 0.344 0.7412 0.025 0.029 0.206 0.038 0.279 0.255 < 0.001 0.004

AISI 1045 0.43-0.50 < 0.6 0.6-0.9 0.040

máx.

0.050

máx. - - - < 0.6 - -

En la tabla 1, la tercera fila corresponde a la especificación del acero AISI 1045,

según la literatura [1]. El acero AISI 1045 es, según el fabricante, el material del

que se presume está hecha la carcasa de la rótula, razón por la cual su

especificación fue incluida en la tabla.

Los resultados del análisis de composición química, al ser comparados con la

especificación del ASM Handbook para el acero AISI 1045, muestran que los

47

materiales de ambas carcasas cumplen con los rangos descritos por la misma,

aunque existe una presencia significativamente mayor de Cobre en la carcasa

fracturada que en la nueva. Al comparar los materiales de ambas carcasas entre

sí, se puede observar una presencia significativamente mayor de los elementos

Cromo, Molibdeno y Níquel en la carcasa de la rótula fracturada.

2.2.2 Metalografía. Se llevó a cabo un estudio metalográfico de fragmentos de

cortes transversales y longitudinales para ambas carcasas, con el fin de

determinar su microestructura y continuar así con la caracterización del material.

Estos cortes se realizaron en la zona de la carcasa donde se encuentran los

agujeros para los pernos. La preparación de los especímenes metalográficos se

llevó a cabo bajo la norma ASTM E3, y su inspección se llevó a cabo con un

microscopio Metallux II y con un microscopio electrónico de barrido (SEM) FEI

Quanta 200.

En primer lugar, se examinaron las muestras metalográficas sin ningún ataque

químico para determinar si contenían algún tipo de inclusión no metálica. Las

micrografías sin ataque químico revelan una gran cantidad de inclusiones no

metálicas en ambas carcasas. Sin embargo, es evidente que las inclusiones en la

carcasa fracturada son de mayor tamaño que las de la carcasa nueva. En las

figuras 21 a 24 se observan dichas micrografías.

48

Figura 21. Pieza fracturada. Corte

transversal. 50X

Figura 23. Pieza fracturada. Corte

longitudinal. 50X

Figura 22. Pieza nueva. Corte transversal.

50X

Figura 24. Pieza nueva. Corte longitudinal.

50X

Debido a la gran cantidad de inclusiones presentes en ambas carcasas, se

procedió a realizar un análisis más detallado del contenido de inclusiones. Esto se

llevó a cabo con ayuda de dos procedimientos: análisis automático de imágenes

para determinar el contenido de inclusiones, bajo las normas ASTM E45 y ASTM

E1245 y con ayuda del software Olympus Analysis Five; y análisis de

espectroscopía de energía dispersiva (EDAX) de dichas inclusiones para

determinar el tipo de inclusión, con ayuda del SEM.

49

En las tablas 2 y 3 se presentan los resultados del análisis automático de

imágenes para las dos carcasas. En estos resultados se muestran los cálculos de

fracción de área, densidad e interceptos de las inclusiones. La fracción de área

expresa qué fracción del área medida es ocupada por las inclusiones, lo que

proporciona una idea acerca del tamaño de las inclusiones; la densidad indica

cuantas inclusiones hay en cierta área, en este caso expresado en cantidad de

inclusiones por micrómetro cuadrado, lo que da una idea de la cantidad de

inclusiones presentes en el material; y finalmente los interceptos muestran el

número de inclusiones que son interceptadas por unidad de longitud de una línea

cualquiera, en este caso expresado en interceptos por micrómetro, lo que

complementa la estimación del tamaño y la cantidad de inclusiones presentes en

el material. El análisis se efectuó tanto en el corte transversal como en el corte

longitudinal de ambas carcasas. Luego, con estos datos se calcularon el

promedio, la desviación estándar, el intervalo de confianza del 95%, y el

porcentaje de precisión relativa para las tres mediciones. El porcentaje de

precisión relativa es un estimado del porcentaje de error de cada medición. Entre

más pequeño sea este valor, menor será el error asociado a la medición.

Tabla 2. Resultados del análisis de inclusiones para la pieza fracturada

Fracción Densidad Interceptos

1/µm² 1/µm

Promedio 0,01288573 0,00181433 0,00412022

Desviación estándar 0,00138537 4,4924E-05 1,4593E-05

Intervalo de confianza 95% 0,00195921 6,3532E-05 2,0637E-05

% de precisión relativa 15,2044966 3,501647 0,50087458

Longitudinal 0,01150036 0,00176941 0,00413481

Transversal 0,0142711 0,00185926 0,00410563

50

Tabla 3. Resultados del análisis de inclusiones para la pieza nueva

Fracción Densidad Interceptos

1/µm² 1/µm

Promedio 0,0116574 0,00275845 0,00473718

Desviación estándar 0,00048923 0,00033838 0,00017884

Intervalo de confianza 95% 0,00069188 0,00047854 0,00025292

% de precisión relativa 5,93513859 17,3479835 5,33913996

Transversal 0,01116816 0,00242008 0,00455834

Longitudinal 0,01214663 0,00309683 0,00491603

En estos resultados se puede observar que los valores, tanto de la densidad como

de los interceptos de las inclusiones, son mayores en la carcasa nueva que en la

carcasa fracturada. Por el contrario, el valor de la fracción de área es mayor en la

pieza fracturada que en la pieza nueva. Se puede concluir entonces que existe

una mayor cantidad de inclusiones en la pieza nueva, pero son de mayor tamaño

las inclusiones presentes en la pieza fracturada, como se observó en las figuras

21 a 24. Es importante resaltar, sin embargo, que el contenido de inclusiones es

bastante alto en ambas carcasas.

El análisis EDAX, realizado en el SEM, muestra que el tipo de inclusiones

presentes en ambas carcasas son de óxido de silicio (SiO) y de sulfuro de

manganeso (MnS). En las figuras 25 a 28 se ilustran micrografías donde están

presentes los dos tipos de inclusiones, junto con el espectro tomado con el SEM,

donde se confirma el tipo de inclusiones presentes.

51

Figura 25. Microestructura con inclusiones de sulfuro de manganeso. Pieza nueva. Corte

longitudinal. 1600X

Figura 26. Microestructura con inclusiones de óxido de silicio. Pieza fracturada. Corte transversal.

800X

Inclusiones de

sulfuro de

manganeso

Inclusiones de

óxido de silicio

52

Figura 27. Espectro de las inclusiones de sulfuro de manganeso, realizado con microscopio

electrónico de barrido

Figura 28. Espectro de las inclusiones de óxido de silicio, realizado con microscopio electrónico de

barrido

53

Seguidamente, se procedió a realizar un ataque químico a las muestras

metalográficas con una solución de alcohol y ácido nítrico (Nital) al 2% para

observar la microestructura del material de las carcasas. Las micrografías

obtenidas se muestran en las figuras 29 a 40.

Figura 29. Microestructura pieza fracturada.

Corte transversal. 200X

Figura 31. Microestructura pieza fracturada.

Corte longitudinal. 200X

Figura 30. Microestructura pieza nueva.

Corte transversal. 200X

Figura 32. Microestructura pieza nueva.

Corte longitudinal. 200X

Orientación de la

microestructura

Orientación de la

microestructura

54

Figura 33. Microestructura pieza fracturada.

Corte transversal. 1000X

Figura 35. Microestructura pieza fracturada.

Corte longitudinal. 1000X

Figura 37. Microestructura pieza fracturada.

Corte longitudinal. 1600X

Figura 34. Microestructura pieza nueva.

Corte transversal. 1000X

Figura 36. Microestructura pieza nueva.

Corte longitudinal. 1000X

Figura 38. Microestructura pieza nueva.

Corte longitudinal. 1600X

Inclusión de

SiO

Perlita

Ferrita

55

Figura 39. Microestructura pieza fracturada.

Corte transversal. 4000X

Figura 40. Microestructura pieza nueva.

Corte transversal. 4000X

En estas micrografías se observa la presencia de una estructura perlítica en una

matriz de ferrita, microestructura típica del acero 1045 normalizado, de acuerdo a

la literatura, y de cuyo material se presume están fabricadas ambas carcasas.

Al comparar las micrografías realizadas a 200 aumentos entre ambas carcasas, y

tanto para los cortes transversales como para los longitudinales, se puede notar

un patrón de alineamiento de la microestructura en la carcasa fracturada, que no

está presente en la carcasa nueva. De la literatura se sabe que este alineamiento

de la microestructura genera un elongamiento de los granos y de las inclusiones,

lo que causa un aumento en la anisotropía de las propiedades del material.

También es sabido que las inclusiones actúan como concentradores de esfuerzo,

y la nucleación de una grieta se puede generar con mayor facilidad en una

inclusión que tenga una forma elongada, debido a que la concentración de

esfuerzos es mayor por sus puntas agudas. La propagación de dicha grieta puede

tomar ventaja del alineamiento antes mencionado de la microestructura y

propagarse con mayor facilidad.

Con el fin de realizar un análisis más detallado de la microestructura del material,

se llevó a cabo un procedimiento para determinar el tamaño de grano tanto de la

Inclusión de

MnS

Perlita

Ferrita

56

ferrita como de la perlita en la microestructura de ambas carcasas y ambos cortes.

Este procedimiento fue guiado por las normas ASTM E562 y ASTM E112. Los

resultados obtenidos corresponden a un tamaño de grano medio-fino, y se

resumen en la tabla 4. En general, se sabe que entre más fino sea el grano, el

material es más resistente debido a que una grieta tendría que atravesar más

fronteras de grano, pero éste pierde ductilidad.

Tabla 4. Tamaño de grano promedio (No. ASTM)

Ferrita Perlita

Pieza nueva 9 8

Pieza fracturada

9 8.5

2.2.3 Ensayo de dureza. Una vez que los análisis de composición química y de

metalografía concuerdan en que el material de las carcasas es acero AISI 1045,

se procedió a realizar ensayos de dureza sobre el material, para verificar que sus

valores estuvieran dentro del rango especificado para dicho material, bajo la

condición de normalizado. El procedimiento se llevó a cabo siguiendo la norma

ASTM E10, utilizando una carga de 100 kg con una bola de 1/8 de pulgada,

durante dos segundos de precarga y dos segundos de carga; con ayuda de un

durómetro WILSON ROCKWELL 600 E0018. Las mediciones se realizaron en

escala Rockwell B. Se tomaron 10 indentaciones sobre las probetas de cada

carcasa. Dichas probetas correspondían a la zona adyacente a uno de los

agujeros de la carcasa, dispuestos para ubicar los pernos de sujeción. En las

figuras 41 y 42 se muestran las mencionadas probetas, junto con sus

indentaciones. En la tabla 5 se presentan los valores promedio y desviación

estándar de los 10 datos, junto con la especificación de dureza para el acero AISI

1045, entregado por la literatura [20].

57

Figura 41. Indentaciones sobre la carcasa

fracturada

Figura 42. Indentaciones sobre la carcasa

nueva

Tabla 5. Resultados del ensayo de dureza

Pieza HRB

Carcasa Nueva 91.54 ± 4.62

Carcasa Fracturada 93.09 ± 3.48

AISI 1045 92

Los resultados muestran que la dureza promedio del material está muy cercana a

la especificada por la norma, lo que corrobora que el material de fabricación de las

carcasas es un acero AISI 1045.

2.2.4 Ensayo de microdureza. Se realizaron perfiles de microdureza vickers sobre

los cortes transversales y longitudinales de las muestras metalográficas de ambas

carcasas. El procedimiento se llevó a cabo bajo la norma ASTM E384, utilizando

una carga de 100 gramos durante 15 segundos, y con ayuda de un

microdurómetro Buehler Micromet 5104. Se tomaron 10 mediciones sobre cada

perfil, con un espaciamiento de 1 mm entre cada indentación. La tabla 6 muestra

los valores promedio y desviación estándar para cada perfil, junto con la

especificación para el acero AISI 1045 según la literatura [20].

58

Tabla 6. Resultados del ensayo de microdureza

Pieza HV HRB

(Convertida)

Nueva, corte longitudinal 190.9 ± 8.02 91.1 ± 1.6

Nueva, corte transversal 199.84 ± 9.03 92.83 ± 1.8

Fracturada, corte

longitudinal 226.04 ± 10.65 97.59 ± 1.78

Fracturada, corte

transversal 229.48 ± 7.77 97.86 ± 1.07

AISI 1045 207 92

La gran dispersión de los resultados se puede explicar si se tiene en cuenta que el

material tiene una microestructura ferrítica y perlítica, y debido a que el perfil de

microdurezas se realiza aleatoriamente a lo largo de las muestras metalográficas,

las indentaciones pueden caer aleatoriamente en granos de ferrita o en granos de

perlita. Se sabe que la perlita es una fase más dura que la ferrita, por lo que, si se

indentan aleatoriamente granos de ferrita o granos de perlita, es de esperar que

los resultados tengan una dispersión alta.

Por otra parte, los perfiles de microdureza muestran una evidente diferencia entre

los valores de dureza de ambas carcasas. Se observa que la carcasa fracturada

tiene una dureza mayor que la carcasa en buen estado. Esto posiblemente se

debe a que la carcasa fracturada contiene una gran cantidad de inclusiones que

ocupan una mayor área, es decir, de mayor tamaño, que las inclusiones en la

carcasa nueva, como se evidenció en el análisis de inclusiones. Esto sumado a la

enorme densidad de inclusiones, pueden hacer que las mediciones se vean

bastante afectadas por las inclusiones, ya que éstas son, como ya se mencionó,

de sulfuro de manganeso y óxido de silicio, los cuales son materiales cerámicos

que tienen una dureza bastante alta.

59

2.3 HIPÓTESIS FORMULADAS

Una vez realizada la inspección visual de la carcasa fracturada, obtenida la

información técnica y preliminar, y caracterizado el material de la misma, se

procede a formular las diferentes hipótesis sobre la posible causa de la falla de la

pieza. Dichas hipótesis se enuncian a continuación.

2.3.1 Falla por fatiga. Debido a que la rótula se encuentra sometida a cargas

variables causadas por los giros de la dirección de la suspensión junto con las

irregularidades del terreno sobre el cual se dirija el automóvil, se debe considerar

la propagación de grieta por fatiga como posible causa de la falla de la carcasa. La

gran cantidad de inclusiones presentes pueden actuar como concentradores de

esfuerzos, ya que son una discontinuidad del material, y originar así microgrietas

que se pueden propagar por medio de este mecanismo.

2.3.2 Falla por sobrecarga de impacto. Dado el mal estado de una gran cantidad

de las vías colombianas, y las posibles y frecuentes imprudencias de los

conductores de automóviles, es probable que la ruptura de la carcasa de la rótula

se debiera a una sobrecarga de impacto debida a un golpe proporcionado a la

suspensión del vehículo por algún obstáculo del camino.

2.3.3 Falla por deficiente calidad del material. Debido a los resultados ya

mencionados del análisis metalográfico del material de la carcasa, donde se

encontró una gran cantidad de inclusiones en el mismo, así como un patrón de

alineamiento que genera un elongamiento de los granos, es necesario considerar

como posible causa de falla una deficiente calidad del material, la cual puede

60

causar que la carcasa no soporte las cargas de servicio para las cuales fue

diseñada.

Los análisis fractográficos, tanto macroscópicos como microscópicos, serán de

utilidad para confirmar o descartar las anteriores hipótesis.

2.4 ANÁLISIS FRACTOGRÁFICO

Se llevó a cabo un análisis fractográfico en la superficie de fractura de la pieza,

tanto a nivel macroscópico, con ayuda de un estereoscopio Olympus VMZ, como a

nivel microscópico, con ayuda de un microscopio electrónico de barrido (SEM) FEI

Quanta 200, en las instalaciones de la Universidad Nacional de Colombia.

2.4.1 Análisis macroscópico. El análisis fractográfico a nivel macroscópico se lleva

a cabo con el objetivo de identificar el lugar de nucleación de la grieta que

ocasionó la ruptura de la carcasa, así como su dirección y modo de propagación.

Para llevar a cabo este estudio, se procedió a abrir completamente por medio

mecánico la superficie fracturada de la rótula, y así poder examinar

adecuadamente las superficies de la fractura, ya que como se observa en la figura

18, el estado original de ésta no permitía su adecuada observación. De igual

forma, se examinó el fragmento de la carcasa que estaba totalmente desprendido

de la misma. Todas las superficies fueron cuidadosamente limpiadas con una

solución de ácido clorhídrico 1:1 con inhibidor para metales.

La fractografía realizada sobre el fragmento de la carcasa desprendido revela que

el origen de la fractura se localizó en la parte externa de la zona de alojamiento del

perno de la carcasa, en el borde de la misma, lugar que se muestra en la rótula

nueva en la figura 43 para mayor claridad. La superficie de fractura en la zona

cercana al origen es más suave que en el resto de la misma. La dirección de

61

propagación de la grieta es a lo largo de la carcasa, y el desprendimiento total

ocurre un poco más arriba del origen. En la figura 44 se muestra una vista general

de la superficie de fractura en su lugar de origen, donde se resaltan todos los

detalles anteriormente mencionados.

Figura 43. Ubicación del origen de la fractura en la rótula

Lugar donde

se originó la

grieta

62

Figura 44. Vista general del origen de la fractura sobre el fragmento desprendido

Una inspección más cercana al origen de la grieta revela una apariencia granular y

brillante de la fractura, características típicas de una fractura frágil. En la figura 45

se muestra la vista ampliada del origen de la fractura.

Figura 45. Ampliación del origen de la fractura

Origen

Origen

Dirección de

propagación Zona de

desprendimiento

Superficie

granular y

brillante

63

Luego se procedió a analizar la superficie de la fractura que se encontraba en el

resto de la carcasa, y que fue separada en el laboratorio. El análisis muestra una

apariencia granular, brillante y uniforme de la superficie de fractura. Esto indica

que la propagación de la grieta fue rápida y del tipo frágil, confirmando así, que la

fractura fue ocasionada por una sobrecarga de impacto. En la figura 46 se ilustra

la superficie de fractura anteriormente mencionada.

Figura 46. Vista general de la superficie de fractura separa por medio mecánico

Posteriormente, se continuó con el análisis fractográfico en otra zona de la grieta

abierta en el laboratorio. En ésta se continúa observando un aspecto brillante y en

general uniforme de la superficie de fractura, sin embargo se aprecian unas

discontinuidades sobre la misma. Estas discontinuidades son indicadoras de

rápidos cambios en las condiciones de carga en esa zona, que se presentan

probablemente por la rapidez e inestabilidad en la propagación de la grieta,

además de posibles cambios de sección y geometría de la pieza. En la figura 47

se muestran dichas discontinuidades en la superficie de fractura.

Superficie granular, brillante y uniforme

64

Figura 47. Superficie de fractura con cambios en las condiciones de carga

El análisis fractográfico realizado no revela ninguna de las características típicas

de una fractura por fatiga, por lo que se descarta esa hipótesis como causa de la

falla de la carcasa.

2.4.2 Análisis microscópico. El análisis fractográfico a nivel microscópico se

efectúa con el fin de realizar una inspección más detallada de la superficie de

fractura para determinar el posible mecanismo de propagación, bien sea

transgranular, intergranular, clivaje, coalescencia de microvacíos, o una

combinación de éstas. La inspección microscópica se llevó a cabo en varias de las

superficies de fractura, comenzando en aquellas zonas cercanas al lugar de

nucleación de la grieta, y continuando hasta las zonas de la fractura que fueron

separadas por medio mecánico.

La inspección microscópica a la zona del origen de la fractura revela claramente

que la grieta se propagó a través de los granos, es decir, de forma transgranular.

En la figura 48 se ilustra una micrografía a 600 aumentos de la zona del origen de

la fractura.

Zona de cambio de carga

65

Figura 48. Fractura transgranular. 600X

Una inspección a una zona un poco más alejada del origen de la grieta, revela un

aspecto microscópico diferente de la fractura. En la figura 49 se ilustra una vista

general de la zona inspeccionada. En este caso se aprecia una apariencia lisa y

uniforme, características típicas de una fractura de clivaje, en la que los granos

sufren un desprendimiento repentino a lo largo de un plano específico, como se

explicó anteriormente. El desprendimiento de granos por clivaje es típico de una

fractura frágil y una propagación rápida de la grieta. Esto permite corroborar que la

fractura fue ocasionada por una sobrecarga de impacto. En la figura 50 se ilustra

una micrografía a 600 aumentos de la zona mencionada.

Figura 49. Vista general de la zona analizada

Fractura a

través de los

granos

Zona

inspeccionada

66

Figura 50. Fractura de clivaje. 600X

Una inspección a la superficie de fractura en una zona adyacente a la analizada

anteriormente exhibe una apariencia rugosa, lo que indica una leve deformación

plástica del material antes de la fractura. Ésta es una característica típica de una

fractura dúctil. Sin embargo, debido a la cercanía con una zona que exhibía

características de clivaje, se clasifica este tipo de fractura como de cuasi-clivaje.

En la figura 51 se muestra una micrografía de dicha zona.

Superficie

lisa y

uniforme

67

Figura 51. Fractura de cuasi-clivaje. 600X

A partir del análisis fractográfico a nivel microscópico se puede apreciar

claramente la diversidad de modos de fractura presentes en la falla de la carcasa

de la rótula. Esto no es de sorprender, ya que es frecuente encontrar diferentes

modos de fractura en una falla. Lo anterior puede ser así, debido a diferencias

dentro del mismo material, bien sea por la orientación cristalina de los granos con

respecto al esfuerzo de fractura, o por diferencias en la microestructura del

material. Por ejemplo, un acero que contenga una microestructura perlítica y

ferrítica puede exhibir una fractura por coalescencia de microvacíos en las

regiones ferríticas, pero exhibir una fractura de clivaje en las regiones perlíticas, ya

que como se sabe, la perlita es más dura que la ferrita, lo que la convierte en una

fase más frágil. En pocas palabras, el modo de fractura presente en una región

específica del material depende de la composición, estado de esfuerzos, medio

ambiente, orientación cristalina de los granos, imperfecciones, etc, de dicha región

específica. Cada grano dentro de la estructura del metal es único, con una

orientación y características específicas. Todo esto hace que cada grano

reaccione a los esfuerzos a los que es sometido de forma diferente que los demás

granos, dando lugar así a los diferentes modos de fractura [26].

68

2.5 SIMULACIÓN COMPUTACIONAL

Como apoyo al análisis de falla de la carcasa de la rótula se llevó a cabo una

simulación computacional lo más aproximada posible a las condiciones de carga a

las que estaba sometida la rótula. Para esto, la suspensión del vehículo fue

excitada por un obstáculo de 10 centímetros de alto. La simulación se llevó a cabo

en tres etapas, que se explicarán en detalle a continuación: generación de la

geometría de la rótula, modelaje de la suspensión del vehículo para obtener las

fuerzas sobre la rótula al pasar el obstáculo, y finalmente la aplicación de dichas

cargas a la geometría de la rótula para simular las condiciones de esfuerzo y

deformación por medio de elementos finitos.

2.5.1 Generación de la geometría de la rótula. El primer paso efectuado para la

simulación computacional fue la generación de la geometría de la rótula, con

ayuda de un software CAD, el cual en este caso fue Solid Edge®. Primero fue

reproducida la carcasa de la rótula y luego fue reproducido el perno por separado.

Finalmente ambas piezas fueron ensambladas como un conjunto para obtener la

rótula completa. Es importante resaltar que sólo se reprodujeron estos dos

componentes de la rótula, porque se consideraron los más relevantes en cuanto a

las cargas que soporta la rótula. Los detalles de la geometría tanto del perno como

de la carcasa se encuentran en los anexos 1 y 2. En la figura 52 se muestra una

vista trimétrica del solido de la rótula generado.

69

Figura 52. Vista trimétrica del solido de la rótula generado por CAD

2.5.2 Modelo de la suspensión del vehículo. En esta etapa del proceso se realizó

un modelo dinámico de la suspensión del vehículo en el software Working Model®.

En éste se construyó primero el modelo de la suspensión, compuesto por un

bloque que representa un cuarto de la masa total del vehículo, dos barras que

representan los brazos de control superior e inferior, otras dos barras que

representan los brazos de la mangueta, un bloque que representa la llanta del

vehículo, un amortiguador y un resorte de torsión. Para la masa del vehículo, se

asumió una condición de carga completa de la camioneta, considerando el peor

escenario, por lo que la masa total del vehículo se estimó entonces en 2400 kg. El

peso del bloque que representa un cuarto de la masa del vehículo, quedó así en

70

600 kg. El movimiento de este bloque se restringió sólo a movimiento vertical, que

es el de interés. La masa de los demás elementos se estimó razonablemente de

acuerdo a su tamaño y material de fabricación. Las dimensiones, ubicaciones y

orientaciones de todos los elementos fueron cuidadosamente reproducidos a

escala a partir del esquema real de la suspensión mostrado en la figura 17, con el

fin de obtener una respuesta del modelo lo más cercana posible a la realidad. Así

mismo, se introdujeron los valores reales de las constantes del resorte y del

amortiguador de la camioneta. Estos datos fueron tomados de la referencia [17].

En la figura 53 se muestra el modelo de la suspensión realizado.

Figura 53. Modelo de la suspensión en Working Model®

Una vez obtenido el modelo, se procedió a simular un obstáculo con el fin de

observar la respuesta de la suspensión a éste. Más específicamente, se midieron

las fuerzas de reacción en la articulación inferior, que es la que representa la

ubicación de la rótula de interés. En la figura 53 se detalla la ubicación de esta

articulación junto con la gráfica de las fuerzas medidas. El obstáculo se estimó

para tener una altura de 10 cm, y el impacto contra la suspensión se simuló

moviendo el piso, con el obstáculo anclado a él, directo hacia la suspensión a una

Brazo de control

superior Amortiguador

Brazo de control

inferior

Articulación inferior (rótula)

Barra de torsión Obstáculo

Seguidor

¼ de la masa

del vehículo

Rueda

Mangueta

Gráfico de fuerzas en la

articulación inferior

Suelo

V = 4 m/s

71

velocidad de 4 m/s (figura 53). Con el fin de lograr un impacto suave del obstáculo

con la suspensión, para que no se derribara el modelo, se hizo el obstáculo

redondo y se unió un seguidor también redondo a la llanta, obteniendo así una

especie de mecanismo de leva-seguidor. La fuerza total obtenida sobre la

articulación fue de 21890 N. La componente horizontal de esta fuerza fue de

14430 N, mientras que la vertical fue de 16460 N.

2.5.3 Aplicación de cargas a la geometría de la rótula. Finalmente, la simulación

computacional se concluyó con la aplicación de las cargas obtenidas a través de

Working Model® a la geometría de la carcasa, para observar la respuesta de la

pieza a dichas cargas en términos de esfuerzos y deformaciones, haciendo uso

del software de elementos finitos Ansys®. Para la simulación se asumió un

material isotrópico.

En una primera aproximación se intentó enmallar el conjunto completo carcasa-

perno, pero debido a que la geometría de la carcasa es bastante compleja, lo que

dificulta la simulación, se decidió enmallar y hacer la simulación solamente sobre

la carcasa, que fue la pieza que se fracturó. Aún así, la geometría de la pieza

seguía siendo muy compleja para el análisis, y el software solamente soportó el

enmallado de más baja calidad sobre la carcasa. Una vez enmallado el sólido, se

procedió a restringir el movimiento de la carcasa, en todos los grados de libertad,

de las caras donde se ubican los pernos que sujetan la rótula al brazo de control,

tal como se observa en la figura 54. En esta figura se observan los nodos

generados por el enmallado. También se puede apreciar la zona y la dirección de

aplicación de la carga a la carcasa. La magnitud de la carga aplicada, tanto

horizontal como verticalmente, fue la misma obtenida en Working Model®. Ya que

el análisis fractográfico reveló que la falla se produjo por una sobrecarga de

impacto, la carga antes mencionada fue aplicada como una carga de impacto, esto

es, aplicada durante un periodo muy corto de tiempo, que en este caso fue de

72

0.005 segundos. La zona de aplicación de la carga fue la estimada de acuerdo a la

ubicación y disposición de la rótula dentro de la suspensión.

Figura 54. Nodos generados, restricciones de movimiento y aplicación de carga

Los resultados cualitativos obtenidos de los niveles de esfuerzo y deformación

muestran que la pieza se encuentra sometida a cierto nivel de esfuerzos en la

zona donde se fracturó, pero éste no es el sitio de mayores esfuerzos. Esto es

explicable, primero porque los microdefectos del material, que son los que en la

mayoría de ocasiones generan o ayudan a propagar las grietas, no son tenidos en

cuenta por el software. Y en segundo lugar, las cargas de impacto, por ocurrir en

un tiempo tan corto y propagarse tan rápido, son bastante impredecibles, lo que

dificulta la respuesta de la pieza a una carga de este tipo en la simulación. En las

figuras 55 y 56 se observan los resultados cualitativos de los niveles de esfuerzo y

deformación sobre la carcasa.

Restricción de

movimiento Nodos que generan el sólido

Cargas de impacto

aplicadas a cada nodo

73

Figura 55. Distribución de esfuerzos de Von Mises

Figura 56. Distribución de deformaciones

Zona de

mayores

deformaciones

Zona de

mayores

esfuerzos

74

En la figura 57 se muestra una gráfica de los niveles de esfuerzo contra tiempo, en

un nodo cercano al lugar de nucleación de la grieta. De ahí se obtiene que el valor

máximo de esfuerzos en esa zona es de 158.855 MPa, el cual, de acuerdo a la

referencia [20], es menor que el esfuerzo de fluencia del acero SAE 1045, que es

de 310 MPa, lo que indica que la carga de impacto generada por el obstáculo

simulado no sobrepasa la resistencia del material.

Figura 57. Diagrama de esfuerzos contra tiempo en nodo de fractura

2.6 ANÁLISIS CONCLUYENTE

Teniendo en cuenta toda la información recolectada en los antecedentes de falla,

los ensayos realizados, el análisis fractográfico, la simulación computacional, y en

75

general, todos los aspectos del análisis de falla; se llega a las siguientes

conclusiones.

2.6.1 Conclusiones.

La microestructura del material tiene los componentes característicos de un

acero SAE 1045 normalizado. Los resultados de las pruebas de dureza y

microdureza coinciden con los reportados en la literatura. La composición

química del material, coincide con la especificada por la literatura.

Las metalografías sin ataque muestran presencia de gran cantidad de

inclusiones de sulfuro de manganeso y óxido de silicio. La microestructura

de la pieza fracturada muestra granos levemente deformados, lo que puede

causar anisotropía.

La fractura nucleó en los bordes de la zona de alojamiento del perno. La

fractura es del tipo frágil, con una propagación rápida y con cambios de

carga, hasta darse total desprendimiento. La superficie de fractura es

perpendicular al esfuerzo máximo de tensión. La grieta se propagó por

diversos mecanismos a lo largo de la carcasa, observándose fractura

transgranular, de clivaje y cuasi-clivaje.

La simulación computacional muestra que las cargas generadas por un

obstáculo típico, no sobrepasan el esfuerzo de fluencia del material. La

zona de mayores esfuerzos no coincide con la de fractura, por lo que ésta

se debió originar por algún defecto microscópico del material, que aumenta

los esfuerzos locales.

76

2.6.2 Concepto de falla.

La causa más probable de la falla de la carcasa de la rótula fue una sobrecarga de

impacto. La baja calidad del material de fabricación, por su alto contenido de

inclusiones y por una orientación de la microestructura, fueron factores que

pudieron colaborar para la falla catastrófica de la pieza.

2.6.3 Recomendaciones.

Dado que la falla del material se debió a una sobrecarga, es recomendable

no exceder los límites de diseño de las suspensiones de un automóvil.

Se sugiere un mayor control de calidad sobre la forja adquirida para la

fabricación de la carcasa por parte del fabricante, para prevenir defectos

como exceso de inclusiones y deformación de los granos.

77

BIBLIOGRAFÍA

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79

ANEXO A. Plano de la carcasa de la rótula

80

ANEXO B. Plano del perno de la rótula