"Año de la universalización de la salud”. U N I V E R S I D A D DE P I U R A FACULTAD DE INGENIERÍA Ingeniería mecánica Eléctrica. Tema: Fallas de cilindro de motor de generador eléctrico. Curso: Introducción a la ciencia de los materiales. Profesora: Dra. Rosalba Guerrero. Grupo: 5 Sección: “A”. Fecha: 27 de junio del 2020. INFORME FINAL 1 Material de la pieza: 1.1 Zona Interior: Presenta una fundición gris laminar: Según la norma ASTM A48, se trata de una fundición de clase 40 (C. 2.6 - 3.75%, S. 0.07% max, Dureza: 183/285 HB) además presenta una matriz Pelita + Grafito (200-260 HB), esta clase de fundición es muy usada en bloques, camisas y émbolos para motores diésel, la matriz Perlita le da una alta dureza y una baja ductilidad a la pieza. El grafito de la zona laminar según la norma ASTM A 247, presenta una similitud a la morfología del tipo A, se obtiene cuando la pieza se solidifica con una cantidad mínima de subenfriamiento, y el tipo A es la estructura deseada para optimizar las propiedades mecánicas, sin embargo, la morfología del interior del cilindro no presenta una estructura uniforme, algunos de los factores que influyen la forma del grafito son el enfriamiento de la pieza y la cantidad de azufre. 1.2 Zona Exterior: Presenta una fundición gris esferoidal: Según la norma ASTM A536, se trata de una fundición clase 80-55-06 (C. 2-3.3%, Si 2.3-2.7%, Mn 0.40-0.8, Dureza: 187/255 HB) puede presentar una estructura Ferrito-Perlitica + Grafito, esta fundición posee una menor dureza que la laminar, pero una mayor tenacidad que esta. El grafito de la zona laminar según la norma ASTM A395, el tipo de grafito presenta una forma similar al tipo V (forma no tan redonda). La forma de grafito que se busca es el tipo VI, dado a que la forma de los nódulos está relacionada con las propiedades mecánicas, ya que mientras más redondas son mejor serán sus propiedades. 2 Pieza en estudio: 2.1 Servicio: La pieza en estudio es un cilindro de motor de generador 9MW, figura 1.a. Estuvo en servicio por 18 000 horas en seis años (de 1997 a 2003), el cual tuvo un funcionamiento entre largos intervalos de tiempo (se encendía solo cuando era necesario). 2.2 Funcionamiento: Se sabe que motores de tal magnitud de potencia, poseen un diseño para soportar intervalos de funcionamiento tan diferidos en el tiempo. Por lo que se concluye que la falla no está en su condición de trabajo ni en su ambiente de trabajo. 2.3 Descripción de la falla: La falla empezó a manifestarse cuando el motor tenía detenimientos bruscos, por parte del sistema de seguridad del motor. La segunda manifestación de una falla fue cuando se realizó el primer mantenimiento del motor, donde se detectó la presencia de gases de combustión en el sistema de enfriamiento, fisuras en la parte superior del cilindro, además de una fisura oblicua, la cual era la de mayor riesgo y daño en la pieza. 3 Análisis de Falla: Ahora daremos a conocer los procedimientos experimentales, usados en la investigación, que nos permitieron determinar la causa del agrietamiento de la camisa. Se realizó una inspección visual de la pieza en cuestión, en la que se observó la presencia de algunos poros pequeños además de fisuras en la parte superior e inferior del cilindro, figura 1.b. Para el Análisis macroscópico se extrajeron tres muestras correspondientes a las zonas de las fisuras con el fin de reconocer su origen y recorrido, figura 2. Se pudo observar la presencia de dos zonas (laminar y esferoidal) y la presencia de defectos (fisuras y poros) que se encuentran en la interfase, y en el caso de las fisuras más grandes estas la atraviesan. Lo cual es un indicio de que la falla se ha originado por la concentración de esfuerzos en estos defectos, pero para comprobarlo debemos hacer algunos ensayos: 3.1.1 Análisis Químico: Se realizó un análisis químico con el fin de obtener la composición de los materiales que componen la pieza, dado que estos nos permiten según la norma verificar las propiedades de dureza y resistencia, además de verificar que el material escogido sea el correcto para este funcionamiento. 3.1.2 Análisis Metalográfico: Con el objetivo de caracterizar la microestructura del material de la pieza se realizó un ensayo metalográfico. El tipo de microestructura que presente determinará las propiedades de este. 3.1.3 Análisis de dureza: Como se mencionó anteriormente el ensayo de dureza nos permite corroborar los valores que establecen las normas, además de darnos una clasificación para las fundiciones según la norma ASTM A-48 para las laminares y la A-536 para las nodulares. 3.2 Resultados: 3.2.1 Composición Química: El análisis químico se realizó por combustión en los dos metales obteniéndose los siguientes resultados: la zona interna presenta 3,6175% C y 0,0373% S, y en la zona externa presenta 3,079% C y 0,00967% S. Observamos que en ambos casos se presenta una composición hipoeutéctica. 3.2.2 Dureza: Los valores de medios de dureza Brinell (300 kgf) obtenidos en los extremos para la superficie interna y externa de la camisa se presentan en la tabla 1. También se realizó la medida de micro dureza de las fases presentes en el material (esteadita, carburos precipitados y ferrita que rodea los nódulos) en la tabla 2. Nodular Esferoidal Parte superior Parte inferior Parte superior Parte inferior Interface 94 HRb 92 HRb 98 HRb 25 HRc 21 HRc 206 HB (Brinell) 193 HB (Brinell) 225 HB (Brinell) 255 HB (Brinell) 230 HB (Brinell) Tabla 1. Durezas presentes en la camisa Esteadita Carburos precipitados Ferrita que rodea nódulos 47 HRc 62 HRc 23 HRc 478 HV (Vickers) 715 HV (Vickers) 257 HV (Vickers) Tabla 2. Medidas de micro dureza en las fases presentes 3.2.3 Análisis metalográfico: El análisis metalográfico de la pieza se realizó sobre cortes transversales en las zonas interna, externa y de interfase. Se encontró microestructuras características de la fundición de hierro gris. En la zona interna se observan hojuelas de grafito contenidas en una matriz perlítica, mientras que en la zona externa se observan nódulos de grafito esferoidal rodeados por una matriz perlítica y en la zona de la interfase se encontraron partes que contenían grafito vermicular, figura 4. 3.3 Discusión de resultados: De acuerdo a la composición de carbono y en la zona laminar, se puede estimar y determinar que la calidad de esta fundición debe ser ASTM A48, la cual equivale a la norma ASTM A159 (G1800) donde muestra las cantidades que debe tener de acuerdo a la cantidad de carbono: Como se puede apreciar la cantidad de azufre debe ser 0.15%, sin embargo, la cantidad que tiene la función laminar es de 0.0373%, con un bajo contenido de azufre se tendrá inoculaciones muy pequeñas por estar debajo de 0.05% S lo recomendable en fundiciones grises, lo que lo hace no muy óptimo. Por otra parte, la formación de grafito tipo A se distribuyen y orientan al azar en toda la matriz de hierro. Este tipo de grafito se solidifica con una cantidad mínima de subenfriamiento, y el tipo A es la estructura deseada para optimizar las propiedades mecánicas, entonces dado una inoculación pequeña y al contarse con una pieza de mayor tamaño, se tiene que bajar la velocidad de solidificación y este proceso hará que la roseta del grafito laminar sea más gruesa y este cambio brusco ocasionará espacios intersticiales mayores y lo hará menos resistente. Con respecto a los poros, estos nos dicen que hay presencia de sulfuros de manganeso. La presencia de sulfuro de manganeso es el resultado de adiciones deliberadas de manganeso para evitar la formación de sulfuros frágiles de hierro que de otro modo se formarían en los límites del grano y como hay menor cantidad de azufre da evidencia que los poros se debieron al exceso de manganeso. 4 Conclusiones y recomendaciones A partir de los resultados obtenidos de los ensayos realizados y su posterior análisis se puede concluir que: El origen de la falla en la camisa se debe a una elevada presencia de cavidades ubicadas en la superficie interior del cilindro, más exactamente en la región del punto muerto superior. Estas cavidades se consideran defectos originarios del proceso de fundición. Las cavidades actúan como concentradores de esfuerzo llegando al punto de reducir la resistencia del componente y así nuclear la grieta y precisamente en esta región se encuentran las mayores solicitaciones de la camisa. Diferencias en microestructura evidencian que se trabajó con diferentes condiciones de enfriamiento, manifestándose como un segundo mecanismo de falla que se asocia con una tendencia frágil. La porosidad cerca de la zona de interface se puede explicar por el alto contenido de fosforo (dado a que se formó esteadita) ya que el fosforo en altos niveles promueve la porosidad por contracción. 5 Anexos Anexo I Figura 1.a. Muestra el cilindro N° 8 alcanzado para evaluación Figura 1.b. Muestra en detalle los defectos presentes en la parte superior plana del cilindro Figura 2.a. Esquema de extracción de las probetas Figura 2.b Probeta 1 Figura 2.c. Probeta 2 Figura 2.d. Probeta 3 Figura 3. Muestra el recorrido y ubicación de algunas de las fisuras en la parte superior del cilindro. Se observa además la presencia de dos materiales (uno oscuro y el otro más claro) (a) Detalle de la zona laminar en contacto con anillos y pistón (b) Detalle de la zona esferoidal (c) Zona de interfase Figura 4. Muestra los dos tipos de fundición constituyentes del cilindro. (laminar hacia el interior y esferoidal para el resto de material). Muestra pulida sin ataque
