¿Cómo ayudó FILAB a uno de sus clientes a determinar la causa de rotura de una varilla de pistón de acero?
Un pistón es un componente mecánico crucial en muchos equipos mecánicos en particular y también en sistemas de ingeniería. Los pistones permiten diversas aplicaciones, en particular: la conversión de energía, la generación de presión, el control de fluidos, la amortiguación, etc...
El cliente recurrió a FILAB, laboratorio especializado en caracterización de materiales y análisis químicos, con el fin de determinar la causa de la rotura de una varilla de pistón de acero. En primer lugar, desea verificar la calidad de esta pieza y, en segundo lugar, realizar un estudio fractográfico.
Determinación de la calidad del acero
¿Qué técnicas de análisis decidió aplicar el laboratorio FILAB para realizar el análisis químico del pistón defectuoso?
Análisis mediante analizador elemental
El análisis químico mediante Analizador Elemental C/S tiene como objetivo determinar de forma específica el contenido de carbono y azufre de la muestra.
Análisis por ICP-AES
El análisis mediante Espectroscopía de Emisión Atómica con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-AES) para buscar y cuantificar los elementos químicos presentes en la muestra.
Estos análisis químicos del pistón permitieron poner de manifiesto que los contenidos obtenidos se corresponden con los de un acero no aleado de construcción.
Análisis fractográfico del pistón
Observación con lupa binocular
La técnica de la lupa binocular permite realizar observaciones macroscópicas. Las observaciones realizadas con la lupa binocular permitieron obtener la siguiente información:
- La zona de inicio de la rotura sigue una parte del contorno de la pieza y mide unos pocos milímetros de espesor.
- La mayor parte de la superficie de fractura presenta un aspecto brillante y granuloso, con la presencia de líneas de propagación y relieves. Hay zonas oscuras que pueden corresponder a contaminaciones o a corrosión aparecida después de la rotura de la pieza. También se observan, de forma minoritaria, algunas zonas de aplastamiento (zonas deformadas por golpes después de la rotura).
- Se observó la zona de fin de desgarro. Sigue el contorno de la pieza en un pequeño tramo.
Observaciones detalladas mediante MEB-EDX
- En la zona de inicio de la rotura se identificaron microestrías. Pueden deberse a un fenómeno de fatiga en la pieza. Esta parte de la superficie de fractura es rica en carbono (C), pero esta concentración probablemente proviene de contaminaciones orgánicas en la superficie
- La mayor parte de la superficie de fractura corresponde a una rotura frágil transgranular con presencia de ríos de clivaje, lo que evidencia una rotura brusca.
- La zona de fin de desgarro presenta cavidades en consonancia con una rotura dúctil. Al igual que en la zona de inicio de la rotura, hay numerosas contaminaciones orgánicas.
Los resultados obtenidos...
Los análisis químicos realizados en este estudio permitieron determinar la naturaleza del pistón, que resulta ser un acero no aleado de construcción.
Por otra parte, en lo que respecta al análisis fractográfico, se determinó que la zona de iniciación de la rotura se identificó en una parte del contorno de la pieza. Presenta microestrías, que podrían ser consecuencia de un fenómeno de fatiga (ciclos de carga y descarga mecánica en flexión).
La mayor parte de la superficie de fractura corresponde a una rotura frágil transgranular con presencia de ríos de clivaje, lo que evidencia una rotura brusca.
Conclusión del estudio
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Preguntas frecuentes
¿Cómo determinar la causa de la rotura de un vástago de pistón de acero?
La investigación combina la verificación de la composición del acero y el examen de la superficie de fractura. En este estudio, FILAB utilizó el análisis elemental C/S, ICP-AES, la lupa binocular y MEB-EDX. Esta combinación permitió identificar el material y distinguir varias etapas en el mecanismo de rotura.
¿Por qué verificar la calidad del acero antes de interpretar una rotura de pistón?
La composición química permite verificar la coherencia del material con la calidad esperada y orientar la peritación. Para este vástago de pistón, los contenidos medidos mediante análisis elemental e ICP-AES eran compatibles con un acero no aleado de construcción. Este resultado complementa el estudio fractográfico, sin explicar por sí solo el origen del fallo.
¿Qué indicios pueden sugerir el inicio de una rotura por fatiga?
La presencia de microestrías en la zona de iniciación puede orientar hacia un mecanismo de fatiga sometido a solicitaciones repetidas. En este estudio, se observaron en una parte del perímetro de la varilla. Su interpretación debe relacionarse con la geometría de la pieza y su historial de carga, especialmente con los posibles ciclos de flexión.
¿Qué significan los ríos de clivaje observados en una superficie de fractura?
Los ríos de clivaje son indicios de un modo de fractura frágil transgranular. En la varilla estudiada, ocupaban la mayor parte de la facies y evidenciaban una propagación brusca. Se distinguieron de las microestrías de la zona de iniciación y de las cavidades presentes en la zona final de desgarro.
¿Puede una varilla de pistón presentar varios modos de rotura en una misma superficie?
Varios modos de rotura pueden sucederse en una misma pieza. En este caso, la peritación puso de manifiesto un inicio compatible con la fatiga, una zona mayoritariamente frágil y una fase final de desgarro dúctil. Esta visión de conjunto permite reconstruir el escenario del fallo con mayor precisión que un examen limitado a una sola zona.