Cuando los metales fallan debido a fatiga
SÚBITA e inadvertidamente la muerte y la destrucción azotaron en el helipuerto del edificio Pan Am de 59 pisos en el centro de la ciudad de Nueva York. Mientras los pasajeros abordaban el helicóptero que los llevaría al Aeropuerto Internacional John F. Kennedy, la nave se volcó. En cuestión de segundos sus rotores, como cimitarras gigantes, despedazaron a cuatro pasajeros. Tres murieron inmediatamente y el cuarto murió en un hospital. Las hojas de la hélice se fragmentaron y pedazos de metal se esparcieron por una amplia zona. Los fragmentos que cayeron en la avenida Madison mataron a una señora y lesionaron a otra. ¿Qué ocasionó este desastre? Según el informe de la investigación preliminar la fatiga de metales tuvo que ver con ello.
Considere otro accidente reciente. Dos damas iban en un automóvil por la hermosa carretera marítima de los cayos de la Florida. De súbito el automóvil zigzagueó locamente de un lado a otro de la carretera y se precipitó en el mar. Afortunadamente estaban a mano un buzo y un médico y las señoras se salvaron. Una parte del mecanismo de dirección del automóvil se había averiado. ¿Por qué? Una investigación sumaria puso de manifiesto las señales delatantes de la fatiga de metales.
La tragedia del helipuerto de Nueva York, el desplome del puente Silver, la misteriosa desaparición de los primeros Comets británicos sobre el Mediterráneo... se cree que en todos estos casos la fatiga de metales estuvo envuelta.
Las consecuencias del daño producido por la fatiga de metales, lo mismo que el cáncer en los seres humanos, pueden ser menos graves si ésta se detecta en las primeras etapas. Además, como sucede con el cáncer, las curas a menudo son difíciles, y a veces inseguras. Desafortunadamente, las marcas de identificación a menudo son destruidas por el accidente. Más a menudo no se les reconoce debido a la falta de investigadores especialmente entrenados.
La estructura de los metales
Para entender la fatiga de metales es preciso dar una ojeada a la estructura de éstos. Desde el tiempo de Tubal-caín, la primera persona en el registro histórico que trabajó en metales, hasta nuestro día, no ha habido una explicación satisfactoria de por qué estas sustancias se “rompen por fatiga.” (Gén. 4:22) Solo en el pasado reciente se desarrolló el conocimiento de la estructura básica de los metales lo suficientemente como para proveer un entendimiento verosímil, razonable. Aun hoy día, cuando un muelle de hojas o un eje fallan, oímos a la gente decir que la pieza se cristalizó. Eso no pudiera haber sido la causa, pues el material ya estaba cristalizado antes de romperse.
Cuando los metales fundidos comienzan a enfriarse y solidificarse, empiezan a formarse cristales pequeños. Estos crecen en tamaño y cantidad hasta que la masa entera se cristaliza. Sin embargo, excepto en el caso de los materiales ultrapuros, por lo general hay sustancias presentes que no encajan en la estructura cristalina normal. Algunas de éstas son rechazadas y tienden a terminar entre los cristales, o granos. Otros materiales quedan distribuidos en cierta forma por toda la estructura. A las partículas sólidas se les llama “inclusiones.” A veces hasta quedan agujeros o vacíos. Del metal que se enfría de esta manera se dice que es una “estructura fundida.” Aunque se puede usar el metal en esta forma, frecuentemente se le somete a procedimientos adicionales. Estas operaciones pueden incluir uno o más de los siguientes métodos: forja, laminado, estampación, labrado y/o esmerilado. Estos pasos quizás sean solo el principio, pues a menudo se requieren muchas operaciones. Cada paso puede afectar, y por lo general afecta la cantidad de esfuerzo que el metal podrá soportar antes de fallar.
Cómo puede comenzar la fatiga
Si se ejerce tensión sobre los extremos de una barra de metal sencilla, por lo general puede soportar por lo menos una vez la carga plena que le permite su resistencia cabal o máxima. Sin embargo, si repetidamente se le somete a cargas de tensión o esfuerzos lo suficientemente severos como para desarrollar grietas por fatiga, entonces al metal quizás solo le quede una porción reducida de su máximo de resistencia, y al continuar cargándolo con el tiempo se quebraría. La razón de esta reducción en la resistencia útil yace en parte en la naturaleza básica de la estructura metálica. Bajo repetidos esfuerzos en ciertos cristales puede ocurrir un deslizamiento o desplazamiento, y un plano atómico se desliza sobre otro. Algunos planos cristalinos ofrecen menor resistencia a esta clase de deslizamiento que otros. Es como si fueran naipes pequeños que se deslizan más fácilmente en un plano. Por lo general los cristales están orientados a la ventura, y el deslizamiento original puede ser provocado por alguna irregularidad en el patrón atómico. Esta irregularidad puede ser producida por una inclusión o un vacío o por alguna concentración de esfuerzo de otra clase que resulta en que se rebase el límite de deslizamiento. Los esfuerzos repetidos producen una colección de estos deslizamientos o dislocaciones. Estos continúan acumulándose hasta que el cristal se fragmenta. Esta fragmentación deforma a aún otros cristales, y el procedimiento continúa hasta que se forma una hendidura o grieta. La grieta o grietas continúan creciendo hasta que la pieza metálica ya no puede resistir el esfuerzo, y “se rompe por fatiga.”
La fatiga también puede comenzar por otros medios. Por ejemplo, en los límites de los granos pueden comenzar a formarse microgrietas. Cierta acción química puede acelerar la formación de las grietas. Así, se han identificado diferentes causas de fatiga, aunque todavía queda mucho por aprender. Sin embargo, el resultado general es un debilitamiento progresivo de la estructura metálica debido a algún procedimiento que forma microgrietas cuando el material se somete a un esfuerzo.
Identificando “rupturas por fatiga”
Aunque en algunos casos se necesita mucha experiencia para identificar la fatiga como causa de la ruptura, ciertas características generales pueden ser útiles. Se concuerda en que la fatiga es un procedimiento progresivo. Además, el progreso del crecimiento de las grietas por lo general es intermitente. Este patrón de crecimiento intermitente a veces se pone de manifiesto en las superficies fracturadas de las piezas rotas. Esos patrones tienen la tendencia de semejarse a semicírculos concéntricos e irregulares, y el centro de los semicírculos es el origen de la rotura. Si se presenta este patrón de “concha de ostra” en las superficies quebradas, es probable que la fatiga sea la causante.
Reconocimiento de la fatiga en el diseño de maquinaria
Con el comienzo de la Revolución Industrial, se comenzaron a construir poderosos motores y locomotoras de vapor. Entonces empezaron a presentarse fallas inexplicables en algunas piezas mecánicas. August Wöhler, de Alemania, fue uno de los primeros en identificar estas rupturas con la fatiga y en registrar sus hallazgos. Prosiguió con su investigación y demostró “rupturas por fatiga” con muestras del material del eje de las locomotoras. Aunque desde entonces se reconoció el fenómeno de la fatiga en los metales, el individuo medio no tuvo que habérselas con este problema sino hasta el período de la I Guerra Mundial y los primeros automóviles. En esos primeros automóviles era cosa corriente que los cigüeñales, ejes y muelles se “rompieran por fatiga.”
Para la II Guerra Mundial aumentó el reconocimiento del problema de la fatiga de metales. El extenso uso de las aeronaves enfocó atención en la resistencia, el peso y la confiabilidad del punto en que se produce la fatiga. Hoy día, con el aumento en el uso de las maquinarias, incluso los helicópteros, las demandas sobre el diseño y la confiabilidad son aún mayores. Los gobiernos y las corporaciones investigan intensamente el problema. Se ha desarrollado equipo refinado para usarlo en el estudio de los diseños y prototipos.
Un resultado de todo este esfuerzo ha sido el mejoramiento de los prontuarios y manuales de diseño. Entre otras cosas estos manuales proveen los límites del esfuerzo a que se pueden someter ciertos materiales a fin de poderlos usar con cierta seguridad. A éstos se les llama “límites de resistencia permanente.” Se muestra una representación sencilla en la gráfica acompañante. Con esta información quizás parezca que la dificultad se ha resuelto esencialmente. Con solo operar dentro de los límites de seguridad se terminan las preocupaciones por la fatiga.
Sin embargo, desafortunadamente los datos y la información que se proveen no pueden tomar en cuenta todas las condiciones de operación. En el uso efectivo de una pieza metálica, quizás no podamos predecir con exactitud toda la gama de esfuerzo. A menudo las condiciones de esfuerzo son complejas y envuelven combinaciones de tensión, compresión y deslizamiento debido al esfuerzo cortante. Además, es importante saber el orden en el que ocurren los esfuerzos mínimos y máximos, a fin de poder calcular la cantidad de esfuerzo que el material podrá soportar antes de fallar. Gran parte de la información ha provenido del trabajo efectuado en lo que pudiéramos llamar materiales “simples.” Estos son materiales desprovistos de concentraciones de esfuerzo como agujeros, muescas, remaches o puntos de soldadura. Por lo general todos éstos tienen la tendencia a disminuir los límites de resistencia básicos. Sin embargo, aun en los materiales simples, prácticamente hay un sinfín de variaciones en calidad. Estas variaciones en el tamaño de los cristales, la cantidad y tipos de las inclusiones, la dureza y el esfuerzo interno complican las dificultades de diseño y fabricación.
Cómo resuelven estas dificultades
Muchas de las maquinarias y artefactos que compramos se diseñan y fabrican con la expectativa de que algunas de sus piezas quizás se rompan o quiebren con el uso. Por ejemplo, existía la práctica de diseñar ciertas piezas de automóvil con una duración de 160.000 kilómetros. Para entonces el tapizado pudiera estar desgastado y la carrocería enmohecida y deteriorada. Por otra parte, el límite del esfuerzo que las piezas de las aeronaves podrán soportar antes de fallar por fatiga lo impone el peso. Pudiera ser ventajoso que el diseño incluyera más cantidad de material. Sin embargo, cualquier exceso de peso limita severamente la cantidad de carga útil y combustible que se pueden transportar.
En las máquinas en que la vida y la propiedad están en peligro es imperativo evitar accidentes graves, si es posible. Debido a estas consideraciones, han surgido dos filosofías o conceptos de diseño generales.
En el caso del concepto autoprotectivo se usan varios miembros paralelos para sostener un esfuerzo dado. Así, si un miembro falla, los otros pueden soportar el esfuerzo hasta que sea posible efectuar reparaciones. Otro método consiste en impedir que las grietas sigan creciendo. En este método se diseña la pieza con una porción más gruesa a fin de reducir el esfuerzo. Posiblemente se usa un refuerzo firme, al cual se transfiere el esfuerzo. En el caso del concepto autoprotectivo, la inspección es importante.
A menudo no es posible usar el diseño autoprotectivo. Sería muy difícil hacer un eje o un engranaje con miembros paralelos que soporten el esfuerzo. Para este tipo de pieza es preciso usar otro concepto en el cual solo se pueden usar las piezas por cierto período y entonces hay que reemplazarlas. En este procedimiento se emplea un diseño que toma en cuenta averías, junto con pruebas rigurosas. Cuando se usan estas piezas es preciso ejercer cuidado especial durante todo el procedimiento de producción y montaje.
A veces se usan los dos conceptos a la vez. En estos casos la inspección también es importante, si es posible hacerla. Según informes, se suponía que la pieza que falló en el helicóptero del accidente del edificio Pan Am fuera inspeccionada a las 9.900 horas. Sin embargo, según un informe solo había estado en operación por 7.000 horas. Por lo tanto, si las inspecciones programadas no son lo suficientemente frecuentes, puede azotar el desastre.
Procedimientos protectivos especiales
A veces se pueden usar algunos procedimientos especiales que ayudan a evitar accidentes debidos a “rupturas por fatiga.” Estos no siempre se usan debido al gasto adicional, falta de conocimiento o equipo, o porque no aplican al caso en particular. Además, hay ciertos medios para predecir rupturas.
Uno de los procedimientos importantes que a veces pueden usarse es cierto tipo de martillaje. Esto le provee a la pieza lo que pudiera considerarse como una superficie compresiva. Puesto que por lo general las “rupturas por fatiga” se originan cuando se somete la pieza a repetidos esfuerzos de tensión nominal, el martillaje ayuda por medio de mantener por lo menos la superficie de la pieza en compresión.
Otro procedimiento consiste en sobrecargar excesivamente la pieza a fin de hacer que ciertas zonas de alta tensión cedan. Entonces, al aliviar el esfuerzo, las zonas que han cedido entran en compresión. Estas zonas de compresión localizada proveen protección, pues reducen la tensión durante el uso normal.
La sobrecarga puede tener otros efectos provechosos también, si se aplica antes de comenzar a usar la pieza. Esto es así si la pieza emplea ciertos tipos de sujetadores. Un ejemplo de esto son las juntas remachadas. Debido al ajuste imperfecto de agujeros, ciertos remaches pudieran estar soportando la mayor porción del esfuerzo. Sin embargo, por medio de recargar el montaje, las zonas que soportan la mayor parte del esfuerzo ceden, y así se distribuye el esfuerzo.
Se emplean otros medios para evitar las “rupturas por fatiga” de metal, que por lo general son muy útiles. Entre ellos está el aliviar el esfuerzo después de la soldadura, y el pulido de los agujeros a fin de reducir las concentraciones de esfuerzo localizado.
¿Qué puede hacer usted?
Aunque el diseñador y el fabricante quizás hayan hecho mucho para ayudar a evitar las rupturas, usted puede hacer mucho. Note los siguientes buenos consejos:
1. Al operar el equipo no rebase los esfuerzos y velocidades recomendados.
2. Al reparar el equipo, evite hacer rayaduras, muescas, o marcas de lima profundas, al menos en las piezas críticas.
3. Evite el recalentamiento, pues esto puede afectar la dureza del metal y reducir su fuerza útil.
4. Proteja el metal contra el moho y la corrosión.
5. Proteja las piezas móviles contra ciertas sustancias químicas, como los ácidos. En algunos metales el contacto con éstos puede ocasionar la entrada de hidrógeno atómico, lo cual predispone la pieza a hacerse quebradiza y a ruptura temprana. Otro efecto de las sustancias químicas puede ser el ocasionar la corrosión por esfuerzo.
¿Qué hay de accidentes por fatiga de metales?
¿Pueden evitarse los accidentes ocasionados por las “rupturas por fatiga”? Sí, con el tiempo.
Por lo general los accidentes son causados por formas de egoísmo, ignorancia y descuido. A veces, el deseo excesivo de ganancia, un conocimiento aún deficiente del diseño, y el descuido de parte de los que hacen y usan el equipo, nos hacen vulnerables a las “rupturas por fatiga.” Sin embargo, hay un nuevo sistema de cosas cerca. En ese sistema prometido por el Creador del hombre, se eliminarán todas las formas de egoísmo. El conocimiento aumentará, incluso el relacionado con el diseño. Además, los que en ese entonces hagan y usen equipos lo harán pensando en la seguridad de todos.
[Gráfico de la página 19]
(Para ver el texto en su formato original, consulte la publicación)
Esfuerzo máximo, grs. por cm2
Puede esperarse una falla
Límite de resistencia permanente
Área de funcionamiento con seguridad
500.000
1.000.000
Ciclos hasta la falla
Un método de organizar datos relacionados con la fatiga.
[Ilustración de la página 19]
PATRÓN DE OSTRA