Afa Informe 2g4159

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA ESPECIALIDAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

CURSO: Análisis de falla CASO: Análisis de falla de una carcasa de bomba perteneciente a una excavadora A SOLICITUD DE: Programa análisis de falla en componentes mecánicos INTEGRANTES:     

Zegarra Reveggino Joaquin Fernández Bardales Daniel Frias Muñoz Aldo Danilo Hernández Bravo, Leslie Rocío Durand Rodriguez Jorge

Noviembre 2014

20077192 20077043 20082328 20087146 20087065

Contenido

1-INFORMACION PREVIA:...........................................................................................1 IDENTIFICACION......................................................................................................1 SITUACION................................................................................................................2 HISTORIA PREVIA.....................................................................................................3 MATERIAL..................................................................................................................3 INSPECCION VISUAL...............................................................................................3 ANALSIS FRACTOGRAFICO....................................................................................5 2-PRUEBAS DEL LABORATORIO................................................................................6 ANÁLISIS QUÍMICO..................................................................................................6 ANALISIS METALOGRAFICO....................................................................................7 ENSAYO DE IMPACTO..............................................................................................9 ENSAYO DE DUREZA...............................................................................................9

1-INFORMACION PREVIA: IDENTIFICACION El componente a analizar es una muestra que pertenece a una excavadora de tipo oruga como se ve en la figura 1 (componente 1 y componente 2), figura 2(A y B, vista superior), figura 3 (A y B, vista lateral) y figura4 (Vista superior de C y D, vista lateral C y D). La pieza que corresponde a una carcasa de mandos finales, la cual contenía un engranaje planetario y otro solar que fueron accionados por un eje movido por un motor hidráulico. La muestra es de marca Volvo año 2008, modelo EC360BLC con número de serie 12531. El equipo realiza trabajos en un Pad de Lixiviación de mineral.

Figura 1

Figura 2

1

Figura 3

Figura 4

SITUACION La excavadora se trasladaba en una pendiente de 20° (Se encuentra dentro del rango permitido de traslado), a una velocidad promedio aproximada de 2.5 km/h en el Pad de Lixiviación, según la información del operador, el material (mineral), cubría hasta la mitad la cadena de oruga (0.4m), es en ese momento, cuando el operador escuchó repentinamente un ruido extraño, por lo que paró inmediatamente la excavadora como en la figura 6. Al revisar los mandos finales se observan las 2 carcasas rotas con 3030 horas de trabajo. La falla de los componetes se presentó el día jueves 23 de octubre del 2014 a las 10:30 am.

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Figura 5. Principales partes de un mando final

Figura 6

HISTORIA PREVIA El equipo afectado tiene un sistema de traslación de orugas, que según las especificaciones técnicas del fabricante, está recomendado para trabajar en cualquier zona de trabajo, incluyendo Pad de Lixiviación. Cuando el equipo realiza la operación de extraer material con la cuchara y depositarlo en otro lugar, el sistema de traslación de la excavadora se encuentra en posición de frenado.

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Para el presente caso, este equipo se encontraba operando en el Pad de Lixiviación de material, el cual se encuentra constituido por finas piedras de hasta 1.5”. Los mandos finales no sufrieron ninguna clase de reparación o intervención previa. A las 3000 horas se realizó, un cambio de aceite a los mandos finales. Adicionalmente cabe indicar que en este Pad de Lixiviación operan otros equipos del mismo propietario, bajo las mismas condiciones y de las mismas características técnicas que el afectado, que no han presentado problemas. El componente analizado es el mismo que proviene de fábrica con el equipo y no presentó reemplazo o reparación previa.

MATERIAL No se cuenta con información del material.

INSPECCION VISUAL Se realizó una inspección visual en la superficie de fractura de los componentes suministrados. 

Los componentes analizados presentan las siguientes medidas presentes en la tabla 1: Tabla 1

Componente Alto (mm) Diámetro (mm)

AyB 130 460

CyD 200 530

Figura 7

4

Figura 8

  

Los componentes no presentaban abolladuras ni golpes visibles. Se encontró presencia de corrosión superficial en los componentes mas no picaduras ni pérdidas de material por corrosión. Se presencia rotura total del componente.

ANÁLSIS FRACTOGRÁFICO Los resultados del análisis fractográfico realizado nos dice que es compatible con una fractura frágil por sobrecarga. Se observó los siguientes puntos que nos hizo llegar a concluir este tipo de fractura: 

Las cuatro porciones de las carcasas de bomba suministradas presentan patrones de rotura similares como en la figura 7 y figura 8.



Las porciones A y B que corresponden a partes similares de dos carcasas han presentado la misma trayectoria de propagación de la rotura, lo que indica que esta región del componente es la más crítica desde el punto de vista de solicitaciones mecánicas como podemos observar en la figura 9:

Figura 9



También se observan múltiples frentes de fisuración tanto en la parte A como en la parte B de las carcasas según la figura 10 y figura 11:

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Figura 10

Figura 11



Se observa en la figura 12 una fractura de apariencia brillante, granular con poca estricción:

6

Figura 12



Se observa en la figura 13 que existe una rápida propagación de la grieta sin apreciarse deformación plástica:

Figura 13



Se observa la existencia de crestas radiales en partes de la superficie de la muestra A de la figura 14:

7

Figura 14



También se observa marcas de rio en parte de la muestra A de la figura 15:

Figura 15

2-PRUEBAS DEL LABORATORIO ANÁLISIS QUÍMICO Los resultados del análisis químico hecho por el Laboratorio de Materiales PU a la muestra A y B da como resultado lo presentado en la tabla 2: Tabla 2

Muestra A

C 3.32

Mn 0.18

Si 1.12

Muestra B

3.30

0.17

1.18

P 0.00 3 0.00 1

S 0.00 1 0.00 1

Ni 0.02

Cr 0.02

Mo 0.01

CU 1.06

0.02

0.01

0.01

0.01

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Según los resultados de este análisis, la composición química de la muestra del material se aproxima al rango de composiciones que se establece para un hierro fundido de tipo nodular de bajo contenido de impurezas. También se ve que la muestra A y B son de composiciones muy similares.

ANALISIS METALOGRAFICO Los resultados de dos muestras obtenidas de las secciones A y B realizado por el Laboratorio de Materiales PU para el análisis metalográfico de acuerdo a las Normas ASTM E3 Standard Guide for preparation of Metallographic Specimens y ASTM E407-07 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys . 

En la figura 16 se aprecia las zonas donde se tomaron las muestras.

Figura 16



En la figura 17 se puede observar el grafito nodular (zonas oscuras) embebidos en una matriz de perlita (fondo azulado) y algo de ferrita (zonas blancas).

Figura 17



En la figura 18 se puede observar la micrografía de la sección transversal de la muestra extraída de la parte B. Se observa zonas de grafito nodular (zonas negras) masivo y presencia de grafito lenticular (encerrado por la elipse roja) que no ha sido nodulizado. 9

Figura 18



En la figura 19 se puede observar la micrografía a mayores aumentos ( 1000X) de la sección transversal de la muestra extraída de la parte B. Se observa la matriz constituida por perlita (constituyente laminar).

Figura 19



En la figura 20 se puede observar la micrografía de la sección longitudinal de la muestra extraída de la parte B. Se observa zonas de grafito nodular masivo conectado con grafito lamelar. La matriz es Perlita y Ferrita.

Figura 20



En la figura 21 se observan las micrografías de la sección transversal de la muestra extraída de la parte A. Se observa zonas de grafito nodular masivo irregularmente distribuido, generando zonas relativamente extensas de grafito. 10

Figura 21



En la figura 22 se muestran las micrografías de la sección longitudinal de la muestra extraída de la parte A. Se observa zonas de grafito nodular masivo muy agrupado. La matriz es Perlita y Ferrita.

Figura 22



La microestructura de la muestra consiste en una fundición de nódulos de grafito rodeados de ferrita y con una matriz perlítica. Este tipo de microestructura corresponde a una fundición nodular ver figura 23.

Figura 23



La relación de ferrita y perlita, determinada mediante observación microestructura, es de aproximación 30/70. 11





La distribución y espaciamiento de los nódulos de grafico es bastante irregular, observándose en algunas zonas agrupaciones de nódulos que abarcan regiones de tamaño significativo mayor a 1mm En otras zonas analizadas se ha observado nodulización parcial del grafito, pudiéndose identificar presencia de grafito lamelar, que en algunos casos se conecta con nódulos adyacentes produciendo zonas con grafito interconectado.

ENSAYO DE IMPACTO El laboratorio de materiales de la PU realizo un ensayo de impacto tomando muestras de zonas en las carcasas como se muestra en la figura 24, con ellas prepararon 3 probetas para realizar el ensayo de impacto:

Figura 24

La norma usada por el laboratorio de materialesfue la norma E23-07ae1 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. Las 3 probetas fueron entalladas con 10x10 mm de sección y fueron sometidas al ensayo de impacto Charpy a temperatura ambiente de 22°C, en la figura 25 se puede observar como quedaron las muestras luego del ensayo:

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Figura 25

Se aprecia en las superficies de fractura de las probetas ensayadas por impacto una rotura 100% frágil. La tabla 3 muestra los resultados de los ensayos de impacto de las tres muestras extraídas de la carcasa: Tabla 3

N° de muestra (parte “B”) 1 2 3

Valor de impacto (Joules) 3.0 2.2 2.5

Los valores de impacto de la tabla son bajos, esto quiere decir que aún no ha pasado el límite de la temperatura de transición por lo que se tiene material muy frágil. En comparación de dichos valores con un hierro nodular típico según el handbook del laboratorio los valores para este tipo de material son de 10 a 15 Joules.

ENSAYO DE DUREZA El Laboratorio de Materiales PU realizo un ensayo de dureza, los resultados del ensayo de dureza permitieron concluir que la fundición posee una dureza que corresponde con la microestructura de la matriz (Perlita y

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Ferrita) observada en el análisis metalográfico. La muestra se extrajo de la siguiente zona de la carcasa como se aprecia en la figura 26:

Figura 26

La figura 27 muestra la sección de una de las muestras extraídas para la medición de durezas, los puntos rojos indican la ubicación las cuales se tomaron las durezas:

Figura 27

En las siguientes tablas de la figura 28 se muestran los resultados de las durezas de ambas carcasas, se puede ver que no hubo variaciones significativas de dureza, ni zonas endurecidas que puedan haber afectado su tenacidad:

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Figura 28

CONCLUSIONES 

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



La carcaza de bomba falló por torsión frágil debido a sobrecarga, esto no hubiera ocurrido si el material hubiera estado en buenas condiciones debido a la presencia de grafito lamelar. Existe un porcentaje de cobre mayor al rango establecido para el material, este valor hará que la pieza sea muy dura por lo tanto más frágil. Existen partes de la muestra donde se nota que no hubo nodulación completa presentando grafito lamelar, debido a esto la pieza se hizo más dura y por tanto se fragilizó. El análisis fractográfico realizado nos dice que es compatible con una fractura frágil por sobrecarga, esto debido a que la rotura se originó por el incremento de los esfuerzos mecánicos a altas velocidades. Existe mucha aglomeración de grafito en la microestructura, a esto se debe la fragilidad de la muestra.

RECOMENCIONES 

 

Se recomienda cumplir las condiciones de carga para las cuales fueron diseñadas, de este modo se evitaría cualquier falla por sobrecarga. Se debe exigir al fabricante que se disponga un material con la microestructura adecuada y así evitar fallas por fragilidad. Las condiciones de operación son inadecuadas, se debe evitar cargar mucho peso en caso se desplace en una pendiente.

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