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