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FALLAS POR FRACTURA Y FRACTOGRAFÍA

Las fallas por fractura son una familia de modos de falla, en los cuales un elemento mecánico se disgrega en dos o más fragmentos, lo cual ocurre como consecuencia de la generación y posterior propagación de grietas en la pieza bajo la acción de las cargas que experimenta. Todas las fallas de este tipo constan de las siguientes etapas: (1) nucleación de una o varias grietas, (2) propagación de la grieta o las grietas y (3) fractura del elemento. La etapa (1) y el inicio de la etapa (2) se enmarcan dentro de la fase latente de estos modos de falla, mientras que la mayoría de la etapa (2) y la etapa (3) corresponden a la fase manifiesta. Cuando estos modos de falla se encuentran en etapa (2) hablamos de agrietamiento y cuando alcanzan la etapa (3) hablamos de fractura. Si el modo de falla es detectado en la etapa (2), se trata generalmente de una falla no catastrófica, pero cuando alcanza la etapa (3), la anulación de la operatividad del elemento por la fragmentación implica una falla catastrófica.

Si las tres etapas generales de evolución de una falla por fractura ocurren en un lapso tan corto como un ciclo de trabajo de la máquina (un ciclo de carga), lo cual equivale a decir que las grietas se propagan a una velocidad tan alta como 0,2 a 0,4 de la velocidad del sonido en el material [1], u otras veces más lento, tomando segundos o minutos (10–3 - 10–1 m/s), ahí hablamos de una fractura súbita. Ese tipo de crecimiento de grietas a alta velocidad lo llamamos crecimiento inestable de grieta. Cuando las etapas (1) y (2) de una falla por fractura se dan durante muchos ciclos de carga de la pieza o un largo periodo de trabajo de esta, lo que implica velocidades de propagación de grietas tan bajas como por ejemplo 1 mm/mes o 1 mm/día, allí tenemos una fractura progresiva. Debido a la velocidad de propagación tan lenta de las grietas en las fracturas progresivas, es posible detectar y monitorear su crecimiento en servicio con el equipo apropiado y el personal entrenado para ello, de tal manera que se puede realizar una parada de mantenimiento programada que permita corregir el problema antes que se produzca la fractura o falla catastrófica, lo cual no es posible hacer en las fracturas súbitas. El crecimiento lento de las grietas en las fracturas progresivas se conoce como crecimiento estable de grieta.

La fractografía o análisis de piezas fracturadas es una disciplina de la ciencia de los materiales, en la cual se estudian los aspectos topográficos característicos que cada modo de falla por fractura deja en las superficies de fractura formadas. A partir de este conocimiento y de la observación de la superficie de fractura de una pieza fallada, es posible inferir el modo de falla que la formó. Cuando se habla de observar una superficie de fractura de una pieza fallada, se hace referencia a la inspección visual a ojo desnudo, con ayuda de lupas, con ayuda de un estereoscopio o con ayuda de un microscopio electrónico de barrido; además, se incluye la observación metalográfica, plastográfica o ceramográfica transversal a la superficie de fractura, de tal modo que se pueda observar la trayectoria y topografía dejada por las grietas, además de su relación con la microestructura. Dentro del estudio fractográfico también es importante observar la presencia o ausencia de deformación plástica alrededor de las zonas de fractura de las piezas, y relacionar todo lo observado con el tipo de cargas que se experimentaron, el medio de trabajo en el cual se operó y la temperatura de operación, entre otras variables. Se recomienda realizar la lectura [2] sobre la mecánica de la fractura; la lectura [3] sobre el diseño mecánico; la lectura [4] sobre plasticidad, dislocaciones y mecanismos de endurecimiento de metales, y la lectura [5] sobre fundamentos de la corrosión, esto para refrescar conceptos básicos que se necesitarán a lo largo de la lectura del capítulo.

3.1 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS FRACTURAS

A partir de la clasificación básica entre fracturas súbitas y progresivas, se puede agrupar la mayoría de los modos de falla por fractura más comunes en metales, de la manera en que se muestra en la figura 3.1, donde las fracturas súbitas se clasifican de acuerdo a si predomina un comportamiento frágil o dúctil en el proceso de falla, o si es mixto entre los dos; las fracturas progresivas se dividen de acuerdo a si son los ciclos de carga los principales responsables de la nucleación y propagación de las grietas, o si lo es el paso del tiempo, o si son mixtas (dependientes de los ciclos de carga y del tiempo).

En las fracturas por fatiga los ciclos de carga son los responsables de la nucleación y el crecimiento de las grietas (en este caso se habla de fatiga mecánica), si además un medio corrosivo ayuda a esa nucleación y/o crecimiento, se habla de corrosión fatiga. Se habla de fatiga térmica o corrosión fatiga térmica, si los ciclos de carga son consecuencia de cambios cíclicos de temperatura (ciclos de dilatación y contracción restringidos por apoyos). En la fluencia lenta se da una deformación plástica y finalmente un agrietamiento progresivo en el tiempo, el cual es activado por una alta temperatura bajo carga para el material que lo experimenta (ver numeral 2.2.4), mientras que en los fenómenos de fragilización el agrietamiento es asistido por un proceso difusivo de elementos químicos fragilizantes dentro del material cargado, donde dichos elementos pueden estar presentes en su composición química o ser aportados por el medio ambiente. En el agrietamiento por corrosión esfuerzo este se genera por la acción de un medio corrosivo en un material que está sometido a un cierto nivel de esfuerzo, sin que haya ciclos de carga (para diferenciarse de la corrosión fatiga). La fatiga termomecánica es un proceso de deformación y agrietamiento donde cooperan la fluencia lenta y la fatiga (mecánica y/o térmica), siendo común que además se tenga cooperación de la corrosión (oxidación a alta temperatura).

Figura 3.1 Clasificación general de los modos de falla por fractura más comunes en metales, de acuerdo con su naturaleza súbita o progresiva

Fuente: elaboración propia.

Los mismos modos de fractura básicos mencionados se pueden reclasificar, de acuerdo con la principal fuente activadora de la nucleación y el crecimiento de las grietas, como fracturas mecánicas, cuando es solo la solicitación por esfuerzo la responsable del proceso de falla; fracturas asistidas por el ambiente (sinergia corrosión fractura), cuando además del esfuerzo se presenta una acción química por parte del medio ambiente que rodea a la pieza; fracturas asistidas por la temperatura, cuando la generación del esfuerzo y/o del agrietamiento es consecuencia de cambios de temperatura y/o de mecanismos de deformación activados a altas temperaturas; y fracturas mixtas, cuando se den combinaciones entre las anteriores (figura 3.2).

Figura 3.2 Clasificación general de los modos de falla por fractura más comunes en metales

Nota. Efectuada de acuerdo con su origen: mecánicas, asistidas por el ambiente, asistidas por la temperatura o mixtas.

Fuente: elaboración propia.

3.2 MARCAS CARACTERÍSTICAS EN LAS SUPERFICIES DE FRACTURA

En las superficies de fractura de los elementos mecánicos se pueden formar cuatro tipos principales de marcas: (1) marcas de dirección de propagación, (2) marcas de posición del frente de grieta, (3) marcas de interacción con ondas de deformación y (4) marcas de cambio de material —figuras 3.3, 3.4 y 3.6 (inferior derecha)—.

Las marcas de dirección de propagación, como su nombre lo indica, están alineadas con la dirección local de crecimiento de grieta en una superficie de fractura. Dentro de estas marcas se encuentran las radiales, las de diente de sierra o Ratchet y las de río (figura 3.4, marcas negras). Todas estas marcas tienen en común que a través de ellas se separan dos o más superficies de grieta que están a diferente nivel (figura 3.5, superior izquierda).

Figura 3.3 Clasificación general de las marcas que comúnmente se presentan en las superficies de fractura de los elementos mecánicos

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.4 Marcas que comúnmente se presentan en las superficies de fractura de los elementos mecánicos

Fuente: elaboración propia.

Las marcas Ratchet se forman en las zonas de origen de las fracturas, separando cada marca a dos grietas independientes adyacentes, lo cual origina la geometría de diente de sierra que las caracteriza. Mientras las grietas iniciales se propaguen en planos diferentes, las marcas Ratchet persistirán, pero una vez estas grietas se unan para formar un solo frente común de propagación la marca desaparecerá (figura 3.5, superior derecha).

Las marcas radiales y las marcas de río se forman sobre la superficie de fractura en las zonas de propagación. Las marcas de río obtienen su nombre a partir de la forma que tienen, la cual asemeja el cauce de un río, en donde el sentido de propagación de las grietas se orienta con la misma lógica del movimiento de una corriente de agua de este tipo (figura 3.5, fotos inferiores).

Figura 3.5 Marcas de fractura

Nota. Imagen de MEB de una superficie de fractura súbita frágil de un metal con varias marcas radiales, donde se pueden notar las diferencias de altura en la superficie que hay a lado y lado de cada marca radial (superior izquierda). Marcas Ratchet en la zona de origen de una fractura por fatiga de un metal, que se originó a partir de tres grietas independientes; nótese que una de las marcas desaparece cuando dos de las grietas originales se unen en el punto indicado por la flecha verde (superior derecha); marcas radiales en superficie de fractura súbita frágil de un metal (inferior izquierda); marcas de río en una superficie de fractura súbita frágil de una lámina de acrílico (inferior derecha). Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las fracturas.

Fuente: elaboración propia.

La formación de las marcas de río y las radiales, en una superficie de fractura, indica que en la propagación de la grieta se produce una división de esta en dos planos (marca radial) o en varios planos (marca de río), como consecuencia de heterogeneidades locales del material, alta velocidad de propagación de la grieta, cambio de estado de esfuerzos presente, etcétera. Si los planos de grieta divididos vuelven a converger las marcas desaparecerán.

Es posible al inspeccionar una superficie de fractura, establecer con buena precisión su dirección y sentido de propagación (y por lo tanto, los orígenes), a partir de las marcas Ratchet y las marcas de río, mientras que a partir de las marcas radiales solo se establece la dirección, mas no necesariamente el sentido, especialmente cuando las marcas radiales presentan patrón paralelo. En este último caso se requiere información adicional como tipo de carga que experimentó el elemento; por ejemplo, a partir de una carga flectora se puede inferir que la fractura debe originarse en el lado de tensión para un metal. Hay dos tipos de patrones de marcas radiales o de río que permiten establecer el sentido de propagación, además de la dirección: el patrón de Chevron o de “V” de sargento (marcas de Chevron) y el patrón de roseta o estrella; ambos patrones de marcas radiales o de río son comunes en fracturas súbitas frágiles y apuntan o convergen hacia las zonas de origen del agrietamiento (figura 3.19, fotos inferiores).

Figura 3.6 Diferentes tipos de marca

Nota. Marcas de playa o costilla en una superficie de crecimiento de grieta por fatiga de un acero (superior izquierda); imagen MEB de estriaciones presentes en una superficie de fatiga de un duraluminio (superior derecha); marcas Wallner en una superficie de fractura súbita frágil de una lámina de acrílico (inferior izquierda); marca de cambio de material presente entre la capa de temple superficial y el núcleo, de un eje de acero que experimentó una fractura súbita frágil a torsión (inferior derecha). Las flechas azules indican la dirección de propagación de las fracturas.

Fuente: elaboración propia.

Las marcas de posición del frente grieta cuando se forman, indican la ubicación que en su momento tenía la cabeza de una grieta; por lo tanto, son perpendiculares a la dirección local de crecimiento y a las marcas de dirección de propagación. A este grupo pertenecen las marcas de costilla o de playa y las estriaciones. Las marcas de playa o de costilla reciben este nombre debido a su forma y se originan por cambios en la velocidad de crecimiento de la grieta, cambios en el estado de esfuerzos, por acción del medio ambiente en la cabeza de la grieta, etcétera (figura 3.4, marcas rojas, y figura 3.6, superior izquierda). Cuando estas marcas se forman en un periodo en que la grieta no avanza, se conocen como marcas de detención. Las estriaciones son marcas que se forman con cada ciclo de crecimiento de una grieta, y, por ende, tienen espaciamiento entre ellas del orden de los micrómetros, o aún menores, lo cual solo permite que se puedan observar por una técnica como la microscopia electrónica de barrido (MEB) (figura 3.4, marcas azules, y figura 3.6, superior derecha).

Las marcas de interacción con ondas de deformación o marcas Wallner se forman cuando durante la propagación en una grieta inestable, interfieren con el frente de grieta ondas de deformación producidas por: (1) el propio fenómeno de agrietamiento, que al reflejarse contra superficies libres retornan al área de grieta, o (2) por cargas aplicadas a alta velocidad (impactos). Estas ondas al interferir con el frente de grieta, hacen que esta se propague, generando con ello pequeñas oscilaciones a cada lado de la dirección principal, dejando marcas que son muy parecidas en su forma a las de playa o de costilla (figura 3.6, inferior izquierda). Estas marcas es común encontrarlas en fracturas súbitas frágiles por clivaje, de materiales poliméricos o cerámicos amorfos. Las marcas por su forma pueden llegar a confundirse con marcas de posición del frente de grieta, sin embargo, en general estas marcas no coinciden con la posición de todo el frente de grieta en un instante de tiempo, solo lo hacen si se forman cuando todo el frente de grieta es alcanzado por un máximo de una onda de deformación al mismo tiempo. No obstante lo anterior, es posible localizar la zona de origen del agrietamiento, ya que esta se encontrará siguiendo la dirección del lado cóncavo de las marcas (figura 3.4, marcas verdes).

Las marcas de cambio de material se forman cuando en la propagación de las grietas dentro de una pieza continua, estas pasan, por ejemplo, de una zona de alta dureza a una de baja o viceversa, o cuando hay un cambio efectivo de composición química del material. Lo anterior es común que se dé en piezas con tratamientos superficiales, depósitos o zonas soldadas. En un material metálico como regla general se notará que la textura de la superficie de grieta será más rugosa en las zonas de baja dureza que en las de alta dureza, ello debido a que las zonas de baja dureza podrán tener mayor participación de mecanismos de fractura dúctiles (formación de microvacíos), los cuales, por el flujo plástico asociado, dejan una superficie más distorsionada que en las zonas de alta dureza, donde podrán predominar mecanismos de fractura frágil (clivaje o intergranular) (figura 3.6, inferior derecha).

3.3 TEXTURA DE LAS SUPERFICIES DE FRACTURA

Cuando se hace la inspección visual a ojo desnudo, con lupas o estereoscopio de las superficies de fractura, se debe poner atención además de las marcas presentes en estas, a la textura que en general se encuentra en dicha superficie (entre las marcas). La textura hace referencia al aspecto visual que tiene una superficie y que es consecuencia de su topografía (rugosidad).

Figura 3.7 Texturas típicas de las superficies de fractura súbitas en materiales

Nota. Textura granular por fractura frágil de metal (superior izquierda); textura fibrosa por fractura dúctil de metal (superior derecha); textura tersa por fractura dúctil a desgarre de metal (inferior izquierda); textura plana por fractura frágil por clivaje de acrílico (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Las fracturas súbitas en los materiales generalmente presentan cuatro tipos de texturas: (1) la granular, (2) la fibrosa, (3) la tersa o (4) la plana (figura 3.7). La textura granular recibe su nombre debido a que muestra un aspecto similar al de granos de arena y tiende a ser brillante en metales; la textura fibrosa es en general más opaca (en metales) y rugosa que la granular, y recibe su nombre porque recuerda la textura de la madera fracturada; la textura tersa es poco rugosa y en metales puede llegar a ser brillante (en este caso producto del frotamiento entre las superficies de fractura, figura 3.33, fotos derechas); y la textura plana es la que en inspección visual se aproxima más al concepto de planitud. Las fracturas progresivas muestran las mismas cuatro texturas mencionadas, solo que en general tienden a ser más opacas y pueden estar cubiertas de residuos, los cuales algunas veces deben ser retirados primero para poder observar la textura con claridad (figura 3.8).

Figura 3.8 Texturas típicas de las superficies de fractura progresivas en materiales

Nota. Textura tersa de metal fatigado a alto ciclaje (superior izquierda); textura fibrosa de metal fatigado a bajo ciclaje (superior derecha); textura granular de ZAC de acero soldado, producto del agrietamiento por hidrógeno (inferior izquierda); textura plana de PVC con agrietamiento inducido por el ambiente, debido a plastificación por adsorción de un solvente orgánico (inferior derecha). En todos estos casos las superficies fueron limpiadas para retirar residuos orgánicos y productos de la corrosión.

Fuente: elaboración propia.

La textura granular de las fracturas se forma en materiales policristalinos, tengan o no la capacidad de presentar deformación plástica, aunque se hace más notoria esta textura si se tiene un comportamiento frágil. Las texturas fibrosa y tersa están íntimamente relacionadas con la capacidad de deformación plástica del material, pudiendo ser este cristalino o no. La textura plana se presenta en materiales amorfos que tengan poca capacidad de deformación plástica.

Por lo anterior, en las fracturas las texturas granular, fibrosa y tersa serán comunes en metales, ya que su estructura típicamente policristalina hace que en fracturas frágiles las grietas revelen una textura granular, y debido a su capacidad de deformación plástica se favorece la formación de las texturas fibrosa y tersa en las fracturas dúctiles. Los cerámicos, al tener un comportamiento eminentemente frágil, favorecen la formación en sus fracturas de la textura granular (si son cristalinos) y la plana (si son amorfos), y en polímeros, al no tenerse la estructura cristalina y en algunos casos poseerse la capacidad de deformación plástica, es común que se encuentren las texturas fibrosa, tersa y plana.

Las trayectorias de propagación de las grietas dentro de los materiales cristalinos están fuertemente influenciadas por la estructura granular (tamaño, forma y orientación de los granos), teniéndose por tanto dos tipos principales de trayectoria de las grietas a nivel microscópico: (1) trayectoria intergranular, cuando las grietas se propagan siguiendo los límites de grano del material, y (2) trayectoria transgranular, cuando las grietas se propagan atravesando los granos (figura 3.9). Las texturas granulares de las superficies de fractura pueden formarse a partir de trayectorias de propagación de las grietas tanto inter como transgranulares. Las texturas fibrosa y tersa típicamente se forman a partir de trayectorias de propagación de grietas transgranulares.

Figura 3.9 Secciones metalográficas transversales a grietas

Nota. Acero AISI 4140 bonificado que muestra agrietamiento intergranular por hidrógeno, en una zona afectada por el calor de una junta soldada, donde la grieta sigue los límites de grano de la austenita original (izquierda); misma pieza con agrietamiento transgranular por fatiga, que nucleó a partir del agrietamiento intergranular inicial (derecha).

Fuente: elaboración propia.

El que se presente una trayectoria de grieta inter o transgranular lo condiciona el hecho de que las grietas se propagan por las zonas más débiles de un material, siendo estas en algunos casos los límites de grano (genera trayectoria intergranular) y, en otros, el interior de los granos (genera trayectoria transgranular). El área desarrollada de la superficie de una grieta intergranular es en general mayor que el área de una transgranular (para el mismo material), sin embargo, ello no implica que la energía consumida en el agrietamiento (tenacidad) sea también mayor, lo cual se debe a que en general las trayectorias transgranulares están asociadas también a un alto trabajo de deformación plástica previa al paso de la grieta, mientras que en el agrietamiento intergranular, por lo común, el trabajo de deformación plástica es mucho menor.