Jvenes Investigadores Colciencias

FUNDAMENTOS DE MECFUNDAMENTOS DE MECNICA DE NICA DE FRACTURAFRACTURA

Juan Pablo Caizales Asprilla

lvaro Jos Toro Snchez

IX Congreso Nacional de Estudiantes de Ingeniera Mecnica

Vicerrectora de Investigacin

Grupo de Investigacin Ciencia e Ingeniera de Materiales

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ndice

Mecnica de fractura

Introduccin Conceptos Generales Antecedentes Importancia de la MF en el Diseo Mecnico

Diseo Mecnico TradicionalDiseo Mecnica bajo el Concepto de MF

Aplicaciones Conclusiones

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Introduccin

Las fallas que se producen en servicio de aquellos componentes que hacen parte de una estructura, han motivado a que se realicen estudios de las posibles causas que provocan estas fallas.

Desde este punto de vista, la fractura de los materiales siempre a sido una de las preocupaciones de los ingenieros, debido a que los materiales hacen parte esencial dentro de las estructuras.

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Mecnica de Fractura

Conceptos Generales

Si se analiza un componente desde una perspectiva de la Mecnica de slido la cual en su hiptesis considera que el material es isotrpico, homogneo y continuo.

Las deformaciones que ocurren en un material son caracterizadas como deformaciones elsticas y deformaciones plsticas.

Fractura dctil en una probeta caracterizada por presentar en la superficie de la pieza aspecto de labios de corte

Fractura frgil ocurrida en una probeta

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Definicin MF

La Mecnica de Fractura se define como la disciplina del conocimiento que se encarga de realizar anlisis y evaluacin de los componentes agrietados

Cul es la carga de fractura para un tamao de grieta conocido?

Cul es el tamao mximo tolerable de grieta antes de que ocurra la fractura?

Cunto tiempo tarda una grieta en alcanzar su tamao crtico?

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Antecedentes

La mecnica de la fractura se ha utilizado desde la poca neolticaLa revolucin industrial en el siglo XIX, Antes de 1960, se logra garantizar la aceptacin debido a tres casos de fractura

Destruccin del jet de pasajeros de Havilland en 1955

Tres rotores de generadores elctricos nuevos que fallaron

Dificultad para soldar el material del compartimiento de un cohete

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Evolucin Historica

1913 Inglis Distribucin de la Tensin Alrededor de "Defectos Agudos"

1920 Griffith Condiciones de la Energa

1939 Weibull Teora Estadstica de la Fractura

1957 Irwin Base de la Mecnicos de fractura Lineal Elstica

1961 Pars Crecimiento de Grieta de Fatiga

1968 Raice Base de la Teora no Lineal

1971 Begley Verificacin Experimental del Esquemas de Prueba

1986 Shih Mtodos Numricos Lineal /no Lineal

1994-2000 Desarrollo de los Mtodos de Cmputo Numricos

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Importancia de la Mecnica de Fractura en el Diseo Mecnico

En aquellos componentes estructurales donde la fractura ocurre de una forma sbita, inesperada y catastrfica adems teniendo en cuenta que los esfuerzos a los cuales se presentan estas fallas estn por debajo del esfuerzo de diseo.

GEOMETRIAEspesor,

forma de la seccin

CARGASDe servicio,ocasionales

RESISTENCIA DEL MATERIALLmite elstico,

Resistencia ltima

VARIABLES EN EL

DISEO MECANICO

TRADICIONAL

Diseo Mecnico Tradicional

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Importancia

GEOMETRIAEspesor,

forma de la seccin

CARGASDe servicio,ocasionales

RESISTENCIA DEL MATERIAL

Lmite elstico,Resistencia ltima

GRIETAForma, ubicacin,

tamao (actual o tolerable)

VARIABLES DEL

DISEO POR MECNICA

DE FRACTURA

Diseo Mecnico Estructural desde la Mecnica de Fractura

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Mecnica de Fractura Lineal Elstica (MFLE)

Cuantifica a travs de el Factor de Intensidad de Tensin la magnitud de los esfuerzos en la extremidad de la grieta, esto teniendo en cuenta los modo de carga como son solicitados los elementos

Y = Parmetro que involucra la geometra de la grieta y el componente

a = Tamao de la grieta

= Una funcin que representa la magnitud del esfuerzo en el componente

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Mecnica de Fractura Elastoplstica

Permite caracterizar el estado tesional en la punta de una fisura utilizando propiedades plsticas tales como el lmite de fluencia lo que permite ampliar las zonas cubiertas por el factor de intensidad de tensin

Parametros :

CTOD (Desplazamiento o Abertura de la Extremidad de Grieta)Medida de material con alta tenacidad

Integral J Parmetro que determina la energa de fractura de un cuerpo involucrando los dos tipo de deformaciones

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CRITERIO DE FRACTURA CTOD

AUTOR CRITERIO RELACIONGRIFFITH Factor de intensidad K>Kc

RICE Integral J J>JcWELLS Desplazamiento de abertura

de grietaCTOD>CTODc

K

KCE

CTOD

=

2K4 E

2K J =

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Tipo de Ensayos

Existen dos tipos de ensayo

Basadas en correlaciones (Charpy, Indentacin probetas Barker)

3

2

1035.6646.0 =

yy

IC CVNK 23

5.0

014.0C

PHEK IC

=

=

Waf

WBPK MMIVM

Modelo BarkerModelo de LawnModelo de Rolfe, Novak

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AplicacionesDiseo de recipientes

a presinAceros para puentes

Aproximaciones de la tenacidad a fractura

APLICACIONES DE LA TENACIDAD DE IMPACTO

Tamao crtico de grieta

Prediccin de la vida remanente

APLICACIONES DE LA TENACIDAD A FRACTURA

Evaluacin de la Tenacidad a Fractura del acero microaleado sometido a un Tratamiento Trmico

KIC a un minuto es de 99,58 ksi x pulg , acrit 19,22 mm.Al encontrar KID a 1 minuto por ensayos de impacto, acrit es 43,34 mm

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Aplicaciones

Tuberas y recipientes a presin Industria Naval

Centrales de Generacin de Energa

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Aplicaciones

Plantas QumicasPlantas Nucleares

Vehculos de transporte

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Ejemplos

La explosin del lanzador espacial challenger ocurrido en 1986. La catstrofe se origino por la rotura de un sello (tipo O ring) de estanqueidad de uno de los cohetes impulsores; En este caso el material no respondiadecuadamente a las bajas temperaturas

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Ejemplos

El comet, dentro de la industria aeronutica es otro ejemplo de las fallas catastrficas a causa de fisuras por fatigas

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ConclusionesConclusiones

La mecnica de la fractura es una disciplina en la que el ingeniero seapoya para obtener diseos de componentes y estructuras ms seguras y econmicas en operacin, inspeccin y mantenimiento.

Reduce el problema de fallas inesperadas y catastrfica, permitiendo al ingeniero dedicar una mayor atencin a otros aspectos de mayor trascendencia, como lo es el desarrollo de nuevos materiales y al mejoramiento de sus diseos, que en ultimas se ver reflejado en un avance tecnolgico de su entorno.

Al conocer los procesos de fractura de los materiales, se pueden depurar los factores asociados a la seguridad y esto se reflejara en diseos ms econmicos en su construccin y en operacin, debido a menores consumos de energa, por tener que vencer menores efectos inerciales debido a las masas.

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ndiceIntroduccinMecnica de FracturaDefinicin MFAntecedentesImportancia de la Mecnica de Fractura en el Diseo MecnicoTipo de Ensayos