Enfoque de análisis para piezas metálicas fallidas

I. Recopilación de información preliminar: Aclarar los antecedentes del fallo (evitar análisis ciegos)

1. Información básica de la pieza
   • Nombre de la pieza, aplicación (por ejemplo, eje, engranaje, recipiente a presión), dibujo de diseño estructural (centrarse en áreas de concentración de tensión como los filetes y los agujeros);
   • Grado del material (por ejemplo, acero 45, acero inoxidable 304, aleación de titanio TC4) y parámetros de rendimiento originales (dureza, resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión, etc.).
2. Procesos de fabricación y procesamiento
   • Procesos de conformado (fundición, forja, soldadura, impresión 3D), procesos de tratamiento térmico (temple y revenido, envejecimiento por solución), tratamiento superficial (cromado, carburación);
   • Si hubo defectos durante el procesamiento (por ejemplo, poros de soldadura, grietas de forja, deformación por tratamiento térmico).
3. Condiciones de servicio y funcionamiento
   • Carga de trabajo (carga estática/dinámica/de impacto, magnitud y dirección de la carga);
   • Parámetros ambientales (temperatura: ambiente/alta/baja temperatura; medio: aire, agua, aceite, solución ácido-base, polvo; presencia de vibración o ciclos de fatiga);
   • Estado de funcionamiento antes del fallo (por ejemplo, si se produjeron ruidos anormales, fugas o degradación de la precisión; si el fallo fue repentino o gradual).
4. Registros históricos de mantenimiento
   • Si la pieza ha sido reparada o reemplazada; si se produjeron fallos similares antes; si hubo una operación incorrecta durante el mantenimiento (por ejemplo, uso de sobrecarga, lubricación insuficiente).

II. Análisis macroscópico: Determinar inicialmente el modo de fallo (reducir el alcance rápidamente)

1. Localización del sitio del fallo
   • Si el fallo se produjo en un "área sensible a la tensión" (por ejemplo, hombro del eje, chavetero, raíz de la rosca), "área débil del proceso" (por ejemplo, junta de soldadura, bebedero de fundición) o "área de defecto del material" (por ejemplo, inclusiones, porosidad);
   • Ejemplo: Si un eje se fractura en el filete del hombro del eje, es probable que esté relacionado con la concentración de tensión; si una tubería tiene fugas en la soldadura, la calidad de la soldadura debe ser priorizada para la inspección.
2. Observación de las características de la apariencia
   • Fallo por fractura: Observe el color de la fractura (presencia de color óxido para determinar si la fractura se produjo a alta temperatura), la planitud (plana = fractura frágil, rugosa = fractura dúctil) y la presencia de líneas radiales (una característica típica de la fractura por fatiga, con el punto de partida de las líneas radiales siendo el origen de la grieta);
   • Fallo por corrosión: Identifique el tipo de corrosión (picaduras: pequeños agujeros locales; corrosión uniforme: adelgazamiento general; corrosión intergranular: agrietamiento a lo largo de los límites de los granos; corrosión bajo tensión: acompañada de grietas y rastros de corrosión);
   • Fallo por desgaste: Observe si la superficie desgastada tiene arañazos abrasivos (desgaste abrasivo), marcas de adhesión (desgaste adhesivo, por ejemplo, "agarrotamiento" de las superficies metálicas) o descamación por fatiga (fatiga por contacto, por ejemplo, descamación de las superficies de los dientes de los engranajes);
   • Fallo por deformación: Mida las dimensiones clave de la pieza (por ejemplo, diámetro del eje, planitud de la placa) para determinar si exceden las tolerancias (por ejemplo, "deformación térmica" a altas temperaturas, "deformación plástica" bajo sobrecarga).
3. Verificación de las propiedades mecánicas macroscópicas
   • Tome una muestra del "área no fallida" de la pieza fallida para probar la dureza, la resistencia a la tracción, el límite elástico, etc., y compárela con los requisitos de diseño para determinar si el fallo fue causado por propiedades del material deficientes (por ejemplo, dureza insuficiente después del tratamiento térmico).

III. Análisis microscópico: Localizar profundamente la esencia del fallo (enlace central)

Ejemplo: Juicio microscópico del fallo por fractura

• Si el MEB observa una gran cantidad de "hoyuelos" (características en forma de hoyo) en la fractura, indica fractura dúctil, que puede ser causada por sobrecarga (carga que excede el límite elástico del material);
• Si la fractura tiene "planos de clivaje" (pequeños planos cristalinos planos) o "fractura intergranular" (grietas que se propagan a lo largo de los límites de los granos), indica fractura frágil, que puede ser causada por baja temperatura, inclusiones de material o corrosión intergranular;
• Si la fractura tiene "estriaciones de fatiga" (rayas paralelas), indica fractura por fatiga, que puede ser causada por cargas alternas repetidas (por ejemplo, vibración rotacional de un eje) o fuentes de grietas superficiales (por ejemplo, arañazos de mecanizado).

IV. Determinación del mecanismo de fallo: Vincular el fenómeno y la esencia

1. Mecanismos de fallo mecánico
   • Fractura por sobrecarga: La carga excede la resistencia última del material, con hoyuelos en la fractura;
   • Fractura por fatiga: Cargas alternas repetidas, con estriaciones de fatiga + fuentes de grietas en la fractura;
   • Deformación plástica: La carga excede el límite elástico del material, o el ablandamiento del material a altas temperaturas;
   • Desgaste: Pérdida de material debido a la fricción de contacto superficial (desgaste abrasivo, desgaste adhesivo, desgaste por fatiga de contacto).
2. Mecanismos de fallo químico
   • Corrosión: Reacción química entre el metal y el medio ambiente (por ejemplo, el acero al carbono se oxida en ambientes húmedos, las picaduras del acero inoxidable en ambientes con Cl⁻);
   • Oxidación: Reacción entre el metal y el oxígeno a altas temperaturas (por ejemplo, el acero forma una capa de óxido por encima de 800℃, lo que reduce la precisión dimensional).
3. Mecanismos de fallo térmico
   • Ablandamiento térmico: Las altas temperaturas causan una disminución de la resistencia/dureza del material, lo que lleva a la deformación o fractura;
   • Fatiga térmica: Los ciclos repetidos de calentamiento-enfriamiento causan ciclos de tensión térmica y formación de grietas (por ejemplo, tuberías de calderas, bloques de motor).

V. Rastreo de la causa raíz: Investigar los enlaces responsables en el ciclo de vida completo

1. Enlace de diseño
   • Defectos: Diseño de concentración de tensión (por ejemplo, radio de filete excesivamente pequeño), factor de seguridad insuficiente (error de cálculo de la carga), selección incorrecta del material (por ejemplo, uso de acero al carbono ordinario en lugar de acero inoxidable en entornos corrosivos);
   • Ejemplo: Una tubería química que utiliza acero Q235 (no resistente a los ácidos) para transportar ácido clorhídrico resultó en fugas por corrosión, siendo la causa raíz la "selección incorrecta del material".
2. Enlace de material
   • Defectos: Composición del material deficiente (por ejemplo, contenido insuficiente de elementos de aleación), inclusiones internas (por ejemplo, inclusiones de sulfuro en el acero), defectos metalúrgicos (por ejemplo, porosidad de fundición, grietas de forja);
   • Ejemplo: Un engranaje hecho de acero 20CrMnTi se fracturó en la raíz del diente debido al exceso de contenido de azufre durante la fundición, lo que provocó inclusiones.
3. Enlace de fabricación
   • Defectos: Proceso de tratamiento térmico incorrecto (por ejemplo, dureza insuficiente debido a la baja temperatura de temple), proceso de soldadura incorrecto (por ejemplo, penetración incompleta, poros), defectos de procesamiento de la superficie (por ejemplo, arañazos de torneado que conducen a fuentes de grietas por fatiga);
   • Ejemplo: Una pieza de eje se agrietó por sí sola durante el almacenamiento debido al exceso de tensión interna causada por no templar a tiempo después del temple.
4. Enlace de uso
   • Defectos: Operación de sobrecarga (por ejemplo, sobrecarga de la grúa), operación más allá de los límites de temperatura/presión (por ejemplo, presión de la caldera que excede el valor de diseño), entorno anormal (por ejemplo, sin prevención de óxido en entornos húmedos);
   • Ejemplo: Un eje de motor sufrió fractura por fatiga debido a cargas alternas excesivas causadas por una vibración excesiva del equipo.
5. Enlace de mantenimiento
   • Defectos: Lubricación insuficiente (acelerando el desgaste del rodamiento), no limpiar los medios corrosivos a tiempo (por ejemplo, incrustaciones no eliminadas en las paredes internas de la tubería, intensificando la corrosión), reparación incorrecta (por ejemplo, introducción de nuevas grietas durante la reparación de soldadura).

VI. Proponer soluciones de mejora: Evitar la recurrencia del fallo