Kitabı oku: «Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos», sayfa 10
3.5.5 Fractografía de las fracturas súbitas dúctiles
La formación de una fractura súbita dúctil se favorece si: (1) el material del cual está hecha la pieza es intrínsecamente dúctil, por ejemplo, materiales metálicos de baja dureza, polímeros termoplásticos o metales no fragilizados en límite de grano; (2) hay un estado de esfuerzo plano, lo cual facilita el comportamiento dúctil del material; (3) la pieza es pequeña o delgada y, por lo tanto, favorece un estado de esfuerzo plano; (4) la temperatura es alta para el material, lo que favorece su comportamiento dúctil; por ejemplo, en metales por encima de la temperatura de transición dúctil-frágil o en polímeros termoplásticos por encima de la temperatura de transición vítrea; (5) si la velocidad de aplicación de la carga es lenta, es decir, una carga cuasiestática, lo que no limita la ductilidad del material.
Cuando una superficie de fractura dúctil no tenga marcas de dirección de propagación o de posición del frente de grieta, es indicio de que en toda el área de fractura se nuclearon y coalescieron microhuecos, de una manera más o menos homogénea, por lo tanto, no hay orígenes de grieta especialmente identificables; a este tipo de fractura dúctil se le llama colapso plástico. En otros casos, las superficies de fractura dúctil pueden insinuar marcas radiales o de posición de frente de grieta (costillas o playas). No es común observar marcas Ratchet o de río.
A simple vista, las fracturas dúctiles de elementos mecánicos mostrarán deformación plástica o distorsión notable de las piezas en su conjunto o cerca de las zonas de fractura (figuras 3.32 y 3.33, fotos de la izquierda). En el caso particular de la fractura bajo torsión, la deformación consistirá en rotación de la superficie de la pieza. Las texturas apreciables a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico de las superficies de fractura en metales, serán la fibrosa, la tersa y la tersa con frotamiento.
Cuando se presenta una fractura a tracción habrá acuellamiento de la pieza y en la superficie de fractura se tendrá una zona central de textura fibrosa, la cual es la primera en formarse y tiene una orientación perpendicular al esfuerzo de tracción. En esta zona fibrosa no habrá ningún origen particular de grietas, ya que aquí hay colapso plástico; alrededor de la zona fibrosa se tendrá otra zona con textura tersa, cuya orientación seguirá la del esfuerzo cortante máximo, es decir, 45o aproximadamente respecto al eje de la pieza (figura 3.32, fotos superiores). Esta zona de textura tersa es la última en formarse y tiene su origen en la zona fibrosa, comúnmente se le conoce como labio de corte. Este labio de corte se forma con dichas características, ya que consiste en el colapso de un anillo cuyo material es de espesor delgado, dentro del cual predomina la condición de esfuerzo plano, donde los materiales dúctiles desgarran siguiendo la dirección del cortante máximo.
En algunos casos con materiales no tan dúctiles, pero que siguen conservando dicho comportamiento, como puede ser el caso de un acero bonificado con 35 RC, en las piezas sometidas a tracción puede que se presente una subdivisión de la zona fibrosa, donde se tendrá en el centro una zona fibrosa como la que se describió en el párrafo anterior y alrededor de ella otra muy rugosa con marcas radiales (figura 3.32, fotos centrales). La zona fibrosa con marcas radiales se forma porque la grieta crece anularmente a alta velocidad cerca a la límite para el material, lo cual recuerda lo descrito para la región Hackle típica de fractura por clivaje en materiales amorfos.
Figura 3.32 Fracturas dúctiles
Nota. Fractura dúctil a tensión de un alambrón: presencia de acuellamiento en la zona de fractura (superior izquierda), con zonas fibrosas y labio de corte en la superficie de fractura (superior derecha), la formación de la zona fibrosa precedió a la del labio de corte. Fractura dúctil a tensión de un espárrago: presencia de acuellamiento en la zona de fractura (central izquierda), con zona fibrosa central y zona de marcas radiales en la superficie de fractura (central derecha), la formación de la zona fibrosa precedió a la de marcas radiales. Fractura dúctil a flexión de un esparrago: presencia de doblado en la zona de fractura (inferior izquierda), con zonas fibrosa central y labio de corte en la superficie de fractura (inferior derecha), en la zona fibrosa los microhuecos formaron un patrón en forma de marcas de costilla, que permite localizar la zona de origen de la fractura. Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las fracturas.
Fuente: elaboración propia.
Cuando se presenta una fractura a flexión habrá doblado de la pieza y en la superficie de fractura se tendrá una zona central de textura fibrosa (perpendicular a los esfuerzos normales), que podrá estar rodeada de un labio de corte de textura tersa, o dicho labio podrá estar solo presente en la región que originalmente estaba a compresión por la carga flectora. En la zona fibrosa podrán aparecer marcas de posición del frente de grieta (marcas de costilla) o marcas radiales, que son arreglos de microvacíos, con las cuales se podrá deducir la orientación del momento flector; el labio de corte será la última zona en formarse (figura 3.32, fotos inferiores).
Cuando se presenta una fractura bajo cortante puro (desgarre), en la pieza se formará un labio de desgarre y en la superficie de fractura se tendrá una textura tersa, en la cual, si se presenta deslizamiento entre las partes, se generará una textura tersa con frotamiento; la superficie de desgarre estará orientada con la dirección del esfuerzo cortante aplicado (figura 3.33, fotos superiores). Las fracturas bajo carga de torsión generarán deformación por rotación de la pieza, sin que necesariamente se genere doblado o adelgazamiento en la zona de fractura. La superficie de fractura se alineará con los esfuerzos cortantes del torsor, es decir, será perpendicular al eje del momento. La textura de la superficie de fractura generalmente será tersa con frotamiento en la periferia de la pieza, y fibrosa en la zona central, la cual es la última en formarse (figura 3.33, fotos inferiores).
Figura 3.33 Fracturas dúctiles por desgarre y torsión
Nota. Fractura dúctil por desgarre de un perno: presencia de un labio de desgarre en la zona de fractura (superior izquierda), con zonas de textura tersa y tersa con frotamiento (superior derecha). El frotamiento se produce por el contacto bajo presión de las superficies de fractura formadas. Fractura dúctil a torsión de un eje: no hay reducción de área o distorsión en la zona de fractura (inferior izquierda), la deformación consistirá en rotación de la superficie del eje. Se tendrá una zona fibrosa central y una zona tersa con frotamiento periférica (inferior derecha), la zona central fibrosa es la última en formarse. Las flechas rojas indican la dirección de desgarre.
Fuente: elaboración propia
Al inspeccionar con el MEB las superficies de fractura de metales, a altos aumentos, y complementar dicha inspección con observación de secciones metalográficas transversales a las superficies de fractura, se podrán observar: (1) los microhuecos de forma circular típicos de la textura fibrosa (figura 3.34, fotos superiores); (2) los microhuecos de forma oval o elíptica comunes de la textura tersa (figura 3.34, fotos centrales); (3) la superficie deformada y desgastada por el deslizamiento en una textura tersa con frotamiento (figura 3.34, fotos inferiores). Además, en la sección metalográfica será posible detectar la deformación plástica presente en los granos (distorsión de estos).
Figura 3.34 Imágenes de MEB y metalográficas de fracturas súbitas dúctiles
Nota. Zona de textura fibrosa de una fractura dúctil: aspecto en MEB de los microhuecos circulares (superior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (superior derecha). Nótese en la superficie de fractura la presencia de los microhuecos. Zona de textura tersa de una fractura dúctil: aspecto en MEB de los microhuecos ovales o elípticos (central izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (central derecha). Nótese en la superficie de fractura que los microhuecos están inclinados en la dirección del desgarre. Zona de textura tersa con frotamiento de una fractura dúctil: aspecto en MEB del aplastamiento generado en los microhuecos por el contacto entre las dos superficies de fractura (inferior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (inferior derecha). Nótese que la superficie de fractura está deformada en el sentido del desgarre por la acción del frotamiento. Las flechas rojas indican el sentido del desgarre.
Fuente: elaboración propia.
A simple vista, es posible que en una superficie de fractura súbita dúctil se vean grandes cavidades, del orden de las décimas de milímetro o aún más grandes, las cuales generalmente estarán asociadas a grandes inclusiones, grandes discontinuidades del material (poros, rechupes, etcétera) o delaminaciones (descohesión dúctil en un plano que contiene una gran inclusión alargada) (figura 3.35). A partir de la forma de los microhuecos y la orientación que estos tienen en las dos superficies generadas en una fractura, se puede deducir el tipo de carga bajo la cual se formaron, según las reglas básicas que se muestran en la figura 3.36.
Figura 3.35 Superficie de fractura dúctil
Nota. De un acero bonificado, con grandes cavidades y delaminaciones asociadas con grandes inclusiones (izquierda); sección metalográfica en una superficie de fractura dúctil que contiene una delaminación asociada con un sulfuro en un acero bonificado (derecha).
Fuente: elaboración propia.
Figura 3.36 Imágenes de MEB de la morfología típica de los microhuecos en las dos superficies de fractura formadas
Nota. Redondeados bajo modo I en tracción (superior izquierda); ligeramente ovales bajo modo I en flexión (superior derecha); ovales bajo modo II de carga (inferior izquierda); ovales bajo modo III de carga (inferior derecha). Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las grietas y las formas amarillas el aspecto típico de los microhuecos.
Fuente: elaboración propia.
Los materiales de naturaleza dúctil bajo tracción o flexión fracturan, bien sea siguiendo el esfuerzo cortante máximo en piezas delgadas (45o respecto al esfuerzo de tracción normal, en modos II y/o III), o mediante una combinación de fractura perpendicular al esfuerzo normal de tracción máximo (modo I) y labios de corte laterales que siguen al cortante máximo (modos II y/o III), lo cual se da en piezas gruesas. Bajo torsión o cortante puro, la fractura sigue el cortante máximo (modos II y/o III) (figura 3.37).
Figura 3.37 Orientación de las superficies de fractura súbita dúctil, en función del tipo de carga aplicada
Nota. Tracción en pieza delgada (izquierda); tracción en pieza gruesa (centro izquierda); torsión (centro derecha); cortante puro o desgarre (derecha). Bajo flexión, el lado de tracción generado por esta carga mostrará una orientación similar a la de las dos figuras a la izquierda en función del espesor. La superficie de fractura puede ser perpendicular al máximo esfuerzo normal generado o colineal con el máximo esfuerzo cortante.
Fuente: elaboración propia.
En piezas hechas de materiales dúctiles, dependiendo de su espesor, se tendrá bajo carga de tracción o flexión: una fractura predominantemente perpendicular a la dirección del esfuerzo normal, con textura fibrosa (pieza gruesa), una formando un labio de corte a 45o siguiendo los esfuerzos cortantes máximos, con textura tersa (pieza delgada), o una mezcla de ambos (espesor intermedio) (figura 3.38). De nuevo, como se ha mencionado antes, decir pieza delgada o gruesa es relativo a cada material, y se encuentra en general que, a mayor tenacidad de fractura del material, la zona límite entre delgado y grueso se correrá a mayores valores de espesor.
Figura 3.38 Fracturas dúctiles a tracción en función del espesor
Nota. Superficie fibrosa perpendicular a la dirección del esfuerzo de tracción, en pieza gruesa (izquierda); superficie fibrosa central perpendicular a la dirección del esfuerzo de tracción y labios de corte laterales con textura plana, formado 45o respecto al esfuerzo normal, en pieza de espesor intermedio (central); superficie a 45o siguiendo el cortante máximo con textura tersa, en pieza delgada (derecha).
Fuente: elaboración propia.
3.5.6 Fractografía de las fracturas súbitas mixtas
Las fracturas súbitas mixtas se forman por condiciones intermedias entre las que favorecen a las fracturas frágiles y a las fracturas dúctiles, como son: (1) un material intermedio entre dúctil y frágil, por ejemplo, un metal de dureza media o un metal fragilizado en límite de grano que promueva fractura intergranular con microvacíos; (2) un estado de esfuerzos intermedio entre esfuerzo plano y deformación plana; (3) un tamaño de pieza o espesor de esta intermedio entre grande y pequeño; (4) una temperatura ubicada en la zona de transición dúctil-frágil del material; (5) una velocidad de aplicación de carga intermedia entre impacto y cuasiestática.
Las fracturas mixtas mostrarán características de deformación, marcas en la superficie de fractura, textura y mecanismos de fractura combinados, entre los típicos de las fracturas dúctiles y los de las frágiles. No existen criterios unificados que permitan establecer una clara división entre fracturas dúctiles y fracturas frágiles. Piénsese en el siguiente caso: si se encuentra una fractura donde una pieza metálica no muestre a escala macro distorsión visible o deformación, pero a escala micro, mediante observación con estereoscopio y MEB, se advierte formación de microvacíos, ¿cómo debe clasificarse esta fractura?, ¿frágil, por la no presencia de deformación de la pieza, o dúctil, por la presencia de los microhuecos?, y ¿qué tal si además se halla que los microhuecos están en algunas zonas de las superficies de fractura y en otras hay clivaje? La respuesta no es sencilla, algunos analistas podrán responder: a escala macro es una fractura frágil y a escala micro será dúctil si el porcentaje en área ocupada por los microvacíos supera el del clivaje. En este texto fracturas súbitas que presenten situaciones como esta o similares son las que llamaremos súbitas mixtas.
Bajo inspección a simple vista, con lupas o estereoscopio, se podrán encontrar marcas de dirección de crecimiento de grietas (Ratchet, radiales o de río) o marcas de posición del frente de grieta. En cuanto a la textura se encontrará que será granular si predomina el micromecanismo de descohesión intergranular y/o el de clivaje, o fibrosa si son los microvacíos los que predominan (figura 3.39).
Figura 3.39 Superficie de fractura súbita mixta
Nota. Superficie de fractura súbita mixta de un acero bonificado, donde predomina una textura central granular con marcas radiales y en los bordes hay un labio de corte con textura tersa (izquierda); superficie de fractura súbita mixta de un acero bonificado, donde se combinan en la región central la textura fibrosa y la granular, y en los bordes se tiene un labio de corte con textura tersa (derecha).
Fuente: elaboración propia.
Algunos ejemplos de casos de fracturas mixtas son, a saber:
1. Fracturas macroscópicamente dúctiles, en cuya superficie haya participación de micromecanismos frágiles (intergranular y/o clivaje). Puede ser el caso de materiales con heterogeneidades estructurales, donde globalmente muestran una alta elongación, pero al formarse la fractura, esta se ve influida por la presencia de fases frágiles.
2. Fracturas macroscópicamente frágiles, en cuya superficie de fractura haya participación de micromecanismos dúctiles (microhuecos), lo cual es común que se presente con piezas de material dúctil, pero con concentradores de esfuerzo severos que promueven un estado de deformación plana que limita la ductilidad de la pieza.
3. Combinación de clivaje y microvacíos en una superficie de fractura, esto corresponde a uno de los tipos de cuasiclivaje, el cual se puede presentar por ejemplo en aceros de medio carbono bonificados de durezas intermedias a altas, 45 RC y superiores, figura 3.40 (superior izquierda).
4. Combinación de intergranulary microvacíos en una superficie defractura, lo que sugiere que hay presencia parcial de elementos químicos o partículas fragilizantes en límites degrano, figura3.40 (superiorderecha).
Figura 3.40 Imágenes de MEB de superficies de fractura súbitas mixtas en aceros bonificados
Nota. Cuasiclivaje, donde se presenta una mezcla de clivaje con formación de microvacíos (superior izquierda); mezcla de zonas donde granos fracturan transgranularmente por microvacíos y otras donde hay descohesión intergranular (superior derecha); fractura intergranular con formación de microvacíos (inferior). En este caso se nota la textura intergranular, pero la fractura fue precedida de formación de microhuecos cerca a los límites de grano, esto también se conoce como cavitación en límite de grano.
Fuente: elaboración propia.
5. Zona central de la superficie de fractura con clivaje y/o intergranular y formación de labio de corte en los bordes con microvacíos, donde este labio se puede formar al final de la propagación de las grietas frágiles, y el remanente del material, por ser delgado, ingresa a la condición de esfuerzo plano, facilitando el comportamiento dúctil. El aspecto de una fractura como esta es similar al que se muestra en la figura 3.38 (central), solo que en la zona central no habrá textura fibrosa, sino granular.
6. Textura granular con presencia de microhuecos en límite de grano, donde, por ejemplo, se tiene segregación de fases fragilizantes cerca al límite de grano (no necesariamente en el propio límite), lo que facilita el flujo y la formación de microvacíos alrededor de los precipitados, que al crecer y encontrarse con los límites de grano generan fractura; otra posibilidad es tener cerca al límite de grano las zonas conocidas como zonas libres de precipitados (ZLP), en donde hay una alta concentración de matriz metálica dúctil, la cual nuclea microvacíos desde este límite; por su aspecto, es común que se refieran a estas fracturas como las formadas por cavitación en límite de grano (figura 3.40, inferior).
En la referencia [8] el lector encontrará una ampliación sobre los mecanismos y fractografía de las fracturas súbitas.
3.6 FRACTURAS PROGRESIVAS POR FATIGA
Estas son fracturas que para formarse requieren varios ciclos de carga (figura 3.41), donde ninguno de los picos de dichos ciclos sobrepasa en valor a la resistencia última de la pieza; las solicitaciones en este caso son completamente mecánicas, es decir, bajo la acción pura de los esfuerzos. La onda de esfuerzo aplicada oscila entre un σmínimo y un σmáximo, a partir de los cuales se define la razón de carga de la onda R = σmínimo /σmáximo. La fatiga se puede definir como un fenómeno de nucleación y crecimiento estable de grietas, producto de cambios inducidos en el material por la acción de cargas cíclicas o fluctuantes. La generación de dichos cambios en el material bajo los ciclos de carga y su relación con el agrietamiento, es lo que llamamos el mecanismo de fatiga, el cual cambia de un material a otro.
Figura 3.41 Comportamiento del esfuerzo versus el tiempo en las fracturas por fatiga y corrosión fatiga
Nota. El rango de esfuerzos aplicado se define como Δσ = σmáximo – σmínimo.
Fuente: elaboración propia.
A partir de los resultados obtenidos en un ensayo como el de tracción (un solo evento de carga), el cual se hace sobre un material típicamente policristalino, queda la sensación de que siempre que el esfuerzo esté por debajo del esfuerzo límite elástico, no se generará ningún tipo de daño en el material. Sin embargo, esto no es cierto. Téngase en cuenta el siguiente ejemplo: el hierro puro puede generar movimiento de dislocaciones a temperatura ambiente en el plano (110) y en la dirección [111], si el esfuerzo cortante aplicado en dicho plano es del orden de 27,5 MPa [9]. Si asumimos que tenemos un material de estos policristalino y le hacemos el ensayo de tracción, ello implicaría que a partir de un esfuerzo normal a la probeta de 55 MPa (2 veces el cortante máximo), estamos generando cambios internos en algunos granos del material (aquellos cuyos sistemas de deslizamiento formen 45o con la dirección de carga), y recordemos que para el hierro puro policristalino, la resistencia a fluencia (próxima al límite elástico) está entre 69 y 138 MPa. Lo anterior nos da una idea de que aun con esfuerzos por debajo del límite elástico de los materiales, estamos induciendo cambios en su nano y microestructura, que se deben básicamente al movimiento interno de las dislocaciones; sin embargo, hay otros cambios asociados con difusión de elementos químicos y vacancias, que pueden ocurrir a esfuerzos incluso más bajos. Si lo anterior ocurre repetidamente durante varios ciclos de carga, no es difícil imaginarse que por dichos cambios, en algún momento ese daño acumulado degenere en la formación de grietas de fatiga.
Entre más altos sean el rango de esfuerzos y la razón de carga aplicados, menor será el número máximo de ciclos que puede soportar el material antes de la fractura por fatiga. En ensayos de algunos materiales se encuentra que si el pico del esfuerzo en cada ciclo es lo suficientemente bajo, se puede tener una vida a fatiga infinita; el pico de esfuerzo por debajo del cual no se presenta fractura por fatiga se llama esfuerzo límite de fatiga, y está asociado a una vida entre 106 y 108 ciclos. El valor de este esfuerzo límite de fatiga aumenta, en la medida en que la onda de esfuerzo aplicada se acerca a la razón de carga R = −1. No obstante lo anterior, a nivel de una pieza mecánica la resistencia fatiga no solo depende del material, sino que es fuertemente influenciada por su tamaño (a mayor tamaño de pieza menor resistencia a fatiga), su acabado superficial (a mayor rugosidad menor resistencia a fatiga), el tipo de carga (a flexión y torsión la resistencia a fatiga es mayor que a tracción) y la geometría de la pieza (las zonas de concentración de esfuerzo de acuerdo con su geometría modifican la resistencia a fatiga de las piezas). Por ello, para la pieza debe definirse una resistencia límite de fatiga corregida ( σF AT C ) que tenga en cuenta estas influencias.
La resistencia límite de fatiga corregida de la pieza aumenta si el proceso de fabricación o de tratamiento superficial induce esfuerzos residuales de compresión en las zonas comunes de origen de grietas de fatiga; pero si por el contrario, dichos procesos dejan esfuerzos residuales de tracción, la resistencia a fatiga de la pieza se verá disminuida. El efecto benéfico de los esfuerzos residuales de compresión aplica para cargas flectoras o torsoras, sin embargo, para cargas de tracción no lo es tanto, ya que este esfuerzo residual está en equilibrio con otro residual de tracción bajo la superficie (generalmente en la interfaz capa de tratamiento superficial-núcleo), el cual al sumarse a la carga externa de tracción, puede favorecer un agrietamiento prematuro desde dicha zona.
Las fracturas por fatiga se pueden dividir en dos tipos: (a) fracturas por fatiga de bajo ciclaje, donde los picos de las ondas de esfuerzo son muy grandes, de manera tal que su valor nominal es muy cercano o superior al de la resistencia a fluencia del material, lo que hace que la fractura de fatiga se dé con muy pocos ciclos de carga en metales (cientos o miles), (b) fracturas por fatiga de alto ciclaje, donde los picos de las ondas de esfuerzo están bastante alejadas del esfuerzo de fluencia del material, lo que hace que la fractura en metales se demore muchos ciclos (cientos de miles, millones, cientos de millones o más). En diseño mecánico es común que se defina (σM ) como el esfuerzo límite entre las fatigas de bajo y de alto ciclaje; generalmente, este esfuerzo produce fractura por fatiga alrededor de los 1.000 a 100.000 ciclos de carga. En la figura 3.42 se muestra una curva típica de resistencia a fatiga de un acero, donde se puede observar la relación entre el esfuerzo último, el esfuerzo límite entre las fatigas de bajo y alto ciclaje y la resistencia límite de fatiga corregida (compárese con la figura 3.41).
Figura 3.42 Forma de la curva de resistencia de fatiga típica de un acero para una razón de carga dada
Fuente: elaboración propia.
Bajo carga cíclica, el nivel de concentración de esfuerzo es menor que para carga estática, ya que la fluencia plástica que ocurre en los concentradores redistribuye los esfuerzos (especialmente en materiales dúctiles). Esto se mide a través del factor de sensibilidad a la entalla (q), donde altos valores de este (cercanos a 1), indican que el material no puede disminuir la concentración de esfuerzo por fluencia plástica (material frágil), mientras que valores bajos indican lo contrario (material dúctil).
En la figura 3.43 se muestra el comportamiento general de la velocidad de crecimiento estable de las grietas (da/dN) en la fatiga de alto ciclaje, contra el rango de intensidad de esfuerzos aplicados (ΔKaplicado), donde se puede notar que hay tres etapas de propagación: etapa I, donde se presenta un comportamiento no lineal con bajas velocidades de crecimiento de grieta y bajo rango de intensidad de esfuerzos; etapa II, donde se tiene una relación lineal logarítmica entre las velocidades de crecimiento de grietas y los factores de intensidad de esfuerzo aplicados de valor medio; etapa III, donde de nuevo aparece un comportamiento no lineal, con elevadas velocidades de crecimiento y altos rangos del factor de intensidad de esfuerzos aplicados. No se tendrá crecimiento de grietas si el rango de intensidad de esfuerzos aplicados es inferior al rango de intensidad de esfuerzos umbral (ΔKumbral).
Para nuclear grietas de fatiga, los ciclos de esfuerzo aplicados pueden variar desde esfuerzos mínimos compresivos hasta picos de esfuerzo en tracción, o pueden ser tanto el esfuerzo mínimo como el máximo, ambos de tracción. Sin embargo, la propagación de las grietas nucleadas (etapas I, II y III) solo la realiza la fracción de la onda de esfuerzo que está en el lado de tracción; por lo anterior, cuando se define el rango de intensidad de esfuerzos aplicados (ΔKaplicado), solo se toma en consideración la amplitud de la onda de esfuerzo que está en el lado de tracción.
En materiales metálicos, en general, a mayor resistencia a la tracción, tiende a aumentar el esfuerzo límite de fatiga, y, por tanto, tiende a aumentar también el rango de intensidad de esfuerzos umbral.
El comportamiento genérico de crecimiento de las grietas mostrado en la figura 3.43 modela bastante bien grietas de más de 0,5 mm de longitud [10], a las cuales se les suele denominar grietas largas de fatiga; sin embargo, grietas más pequeñas no muestran un comportamiento como el mostrado sobre todo en la etapa I de crecimiento, ya que puede que no se presente un (ΔKumbral). A estas grietas se les denomina grietas cortas de fatiga. En la medida en que por su crecimiento y/o por el rango de intensidad de esfuerzos aplicados, las grietas tanto cortas como largas ingresen en la etapa II de propagación, desaparecerán las diferencias y el comportamiento de la figura 3.43 las representará por igual.
Figura 3.43 Comportamiento de la velocidad de crecimiento estable de grietas por fatiga o corrosión fatiga de alto ciclaje en función del rango de intensidad de esfuerzos aplicado
Nota. Para una razón de carga R dada hay tres etapas de propagación diferenciadas.
Fuente: elaboración propia.
Así, en resumen, para que ocurra una fractura por fatiga, deberán darse dos situaciones: (a) que el pico de la onda de esfuerzo aplicada (σmáximo) sea igual o mayor a la resistencia límite de fatiga corregida en los materiales que la presentan (σF AT C ), para la razón de carga de la onda de esfuerzo aplicada (R); o colocándolo en términos del factor de intensidad de esfuerzos, que el rango de intensidad de esfuerzos aplicados (ΔKaplicado) sea igual o mayor al rango umbral de la pieza (ΔKumbral) y (b) que se dé un número suficiente de ciclos.
En las fracturas por fatiga se presentan tres fases: (a) nucleación de grietas, (b) propagación estable de las grietas (que se da en las etapas I, II y III) y (c) fractura final por sobrecarga, una vez el tamaño de las grietas de fatiga ha generado un factor de intensidad de esfuerzos, igual a la tenacidad de fractura del material.
