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3.5 FRACTURAS SÚBITAS

Estas fracturas se forman en un solo ciclo de carga de una pieza y las solicitaciones que las originan son completamente mecánicas, es decir, se forman bajo la acción pura de los esfuerzos. Las velocidades de crecimiento de grieta son grandes: 6 m/s (dúctiles) a 103 m/s (frágiles) [6]. Si la carga se aplica lentamente, de manera que se dé tiempo al material para responder con deformación, se habla de carga cuasiestática, pero si la carga se aplica rápidamente, la capacidad de deformación queda restringida y se habla de una carga del tipo impacto (figura 3.11).

Figura 3.11 Tipos de esfuerzo que originan fracturas súbitas versus tiempo

Fuente: elaboración propia.

Para que se forme una fractura súbita, el esfuerzo aplicado debe superar la resistencia última del elemento al modo de carga que actúa en este (tracción, compresión, cortante, flexión o torsión). Por ello, a estos modos de fractura se les suele llamar fracturas por sobrecarga. Dicha resistencia depende de la geometría del elemento, pero es aún más dependiente de la resistencia del material, la cual se puede obtener a partir de un ensayo normalizado como el de tracción. Por lo anterior, una fractura súbita se considera que se forma si el esfuerzo equivalente real aplicado a un elemento mecánico (σ aplicado) se hace tan grande que iguala la resistencia real a tracción del material (σU).

Estas fracturas se dividen en las súbitas frágiles, las súbitas dúctiles y las súbitas mixtas. Los factores principales que inciden en la formación de un tipo de fractura o de otro son, a saber: la naturaleza súbita o dúctil del material, el estado de esfuerzos (tipo de carga y si se tiene estado de deformación plana o de esfuerzo plano), el tamaño de la pieza, la temperatura y la velocidad de aplicación de la carga. Hay que recordar que el juzgar si una pieza es grande o pequeña, o si la temperatura de trabajo o la velocidad de aplicación de la carga es alta o baja, depende del material del cual esté construida la pieza analizada; por ejemplo, una temperatura de trabajo de 200 oC no es alta para un acero maraging, pero sí lo es para un duraluminio 2024 T6. Además de las fracturas frágiles, dúctiles y mixtas, también se pueden incluir dentro del grupo de las fracturas súbitas, aquellas producidas por mecanismos progresivos, que por su elevada velocidad de propagación se puedan considerar súbitas. Es el caso de algunos agrietamientos debido a la fragilización por contacto con metales en estado líquido (numeral 3.13), donde si la velocidad de agrietamiento es muy elevada (0,1-1 m/s) [7], se suele hablar de fracturas súbitas cuasifrágiles, para diferenciarlas de las fracturas súbitas frágiles, donde las velocidades de propagación son del orden de 103 m/s.

3.5.1 Mecanismo de la fractura súbita frágil por clivaje

El clivaje es un mecanismo de fractura súbita frágil que consiste, idealmente, en la escisión, separación o descohesión (ruptura de enlaces químicos) de la pieza a lo largo de un plano que es normal a la dirección del máximo esfuerzo normal local, donde además la deformación plástica que precede a la fractura es inexistente. En los materiales reales, sin embargo, se presentan desviaciones de esta idealización, ya que la superficie de fractura no es perfectamente plana, hay deformación a pequeña escala que precede a la fractura y puede que no siempre se siga la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal, como se describe en los siguientes párrafos.

Un cristal como el que se presenta en los metales o cerámicos no amorfos, muestra anisotropía en la resistencia al clivaje, ya que hay direcciones dentro de un cristal que son de menor resistencia que otras, y esas direcciones cristalinas de menor resistencia son diferentes para cada sistema cristalino (CCC, CC, HC u otro). Por lo anterior, en un material policristalino cuando se presente el clivaje, cada grano fracturará en un plano de menor resistencia, cuya orientación será distinta de un grano a otro, sin embargo, a escala macroscópica, se podrá ver que en promedio el plano de fractura seguirá la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal (figura 3.12, izquierda y central); esto origina la formación de una textura granular cuando se observa una superficie de fractura de este tipo.

Los sistemas cristalinos de metales que tengan un alto número de sistemas de deslizamiento bien distribuidos en el espacio, como es el caso de la estructura CCC, difícilmente presentan clivaje, es decir, favorecen el deslizamiento y, por lo tanto, el comportamiento dúctil. Entre menos sistemas de deslizamiento posea una estructura cristalina, se favorece más la aparición del clivaje, lo cual ocurre en metales CC y HC.

Figura 3.12 Fractura súbita frágil

Nota. Esquema de la sección metalográfica de un material policristalino (izquierda); fractura súbita frágil por clivaje, donde cada grano cliva en una dirección diferente. Obsérvese que la dirección global de la fractura es perpendicular al esfuerzo normal máximo (centro); fractura súbita frágil intergranular, donde la grieta bordea los granos, en este caso también la dirección global de la grieta es perpendicular al máximo esfuerzo normal (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Dentro de cada grano la superficie de fractura por clivaje idealmente debería ser plana (descohesión a lo largo del plano cristalino de menor resistencia), sin embargo, ello no se da, por la presencia de marcas como las radiales o las de río. El origen de estas marcas está relacionado con las no homogeneidades presentes dentro del grano (partículas de segunda fase, zonas de apilamiento de dislocaciones, cruce de maclas, cambios de velocidad de la grieta, etcétera), lo que hace que dentro en un grano se puedan generar varias grietas o planos de fractura, bien sea cuando inicia el agrietamiento del grano o en la propagación de las grietas. La cinética de propagación de las grietas dentro de un grano, también puede promover la generación de nuevas marcas de río o radiales, ya que si la fuerza conductora de grieta es muy grande y la velocidad de crecimiento de las grietas ha llegado a su límite, este exceso de energía promoverá la bifurcación de las grietas, generando por lo tanto nuevos planos y con ello nuevas marcas (la formación de las nuevas marcas radiales o de río puede generar también la formación de una marca de posición del frente de grieta) (figura 3.13).

El origen del agrietamiento dentro de un plano de clivaje de un grano, se da mediante la formación de microgrietas en zonas de menor resistencia local y/o altos esfuerzos locales (concentración de esfuerzos), como pueden ser: (1) fractura por clivaje previo de partículas duras de segunda fase o impurezas ubicadas en límite de grano (por ejemplo carburos en aceros); (2) zonas de alta energía por cruce de maclas previas o intersección de una macla con un límite grano; (3) zonas de alta energía generadas en apilamiento de dislocaciones por deslizamiento previo contra límites de grano o partículas de segunda fase; (4) zonas de alta energía por apilamiento de dislocaciones, generadas por deslizamientos internos en granos adyacentes curvos, etcétera (figura 3.14). Nótese que todas estas posibilidades de formación de las microgrietas iniciales requieren que haya deformación plástica previa, la cual, al darse a escala tan pequeña, no se refleja en distorsión visible de la pieza macroscópicamente.

Figura 3.13 Imágenes de MEB de granos de ferrita clivados en un acero de bajo carbono

Nota. Se pueden ver marcas de río, algunas radiales y una de posición del frente de grieta (asociada a una masiva aparición de marcas de río por aceleración de la grieta). Las flechas azules indican sitios de origen del agrietamiento y las flechas rojas direcciones de crecimiento de las grietas. En la imagen de la izquierda se puede ver que el clivaje de un grano se originó en una cavidad, dejada probablemente por la fractura de una inclusión o un carburo. En la imagen de la derecha los dos orígenes señalados, probablemente correspondan a zonas de apilamiento de dislocaciones.

Fuente: elaboración propia.

Así pues, el mecanismo de clivaje que se puede dar en materiales metálicos policristalinos se resume en: (1) aplicación del esfuerzo, (2) deformación plástica a pequeña escala dentro de los granos mediante deslizamiento y/o maclaje, (3) formación de una microgrieta a través de alguno de los mecanismos mencionados en el párrafo anterior o similares (también pueden ser grietas submicrométricas), (4) crecimiento inestable de grietas por clivaje en los granos, a partir de las microgrietas previas.

En materiales cristalinos, aunque a escala macro exista una dirección de crecimiento de grieta, ello no necesariamente implica que a escala micro, en frente de grieta, ocurra lo mismo estrictamente. Lo anterior se debe a que en el campo de concentración de esfuerzo que hay en el frente de grieta, pueden caber varios granos que están sobrecargados; por lo tanto, algunos de ellos pueden clivar antes que el frente de grieta principal los alcance, lo cual implica que puede haber granos que tengan direcciones de clivaje contrarias a las del crecimiento de la grieta global (figura 3.15).

Figura 3.14 Ejemplos de formación de microgrietas a partir de las cuales se nuclea el clivaje en los granos metálicos

Nota. Fractura por clivaje de una partícula de segunda fase o inclusión, lo que origina una microgrieta (superior izquierda); formación de microgrieta a partir del cruce de dos maclas (superior derecha); formación de microgrieta a partir de apilamiento de dislocaciones (inferior izquierda); formación de microgrieta a partir de deslizamientos internos dentro de granos adyacentes curvos (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.15 Avance de fractura por clivaje en material policristalino

Nota. Esquema que ilustra que antes de llegar el frente de grieta a un grano, este puede que ya haya clivado (imagen izquierda, flechas azules). En relación con lo anterior, es posible encontrar granos que clivan en direcciones opuestas (foto derecha, las flechas amarillas indican la dirección de clivado de cada grano).

Fuente: elaboración propia.

En polímeros y cerámicos amorfos, la fractura por clivaje tiende a ser más plana que la que se forma en materiales policristalinos, y sigue la dirección perpendicular a la del máximo esfuerzo normal de tracción; sin embargo, también se presentan desviaciones de la planitud por la presencia de marcas radiales y de río. En estos materiales, el origen del agrietamiento por clivaje también se da en zonas de menor resistencia local y/o altos esfuerzo locales, asociados a partículas de segunda fase o impurezas, o por formación de zonas de alta energía debido a flujo plástico a pequeña escala por apilamiento de dislocaciones (cerámicos) o deslizamiento o rotación entre moléculas (polímeros).

Una superficie de fractura por clivaje de una pieza polimérica o cerámica amorfa, se parece mucho a la que muestra un grano clivado metálico o cerámico a nivel microscópico, es decir, una textura plana con marcas radiales y de río, y puede haber marcas de posición del frente de grieta.

En las superficies de fractura por clivaje de piezas hechas de polímeros o cerámicos amorfos, es común que se presenten tres regiones diferenciables: (1) región espejo, donde la grieta muestra una textura muy plana con ausencia de marcas radiales o de río (si no hay varios planos de origen). En esta zona la grieta acelera su velocidad de propagación, y puede aumentar aún más la velocidad, ya que no ha alcanzado el límite; (2) región de niebla o bruma, donde la grieta está próxima a alcanzar la velocidad límite de propagación en el material, pero si aún hay una fuerza conductora de grieta muy alta, ello hace que el material consuma ese exceso de energía que no puede consumir vía aceleración de la grieta, a través de la formación de nuevas superficies de grieta (marcas radiales y de río), lo que origina ese aspecto de bruma o neblina por la mayor rugosidad; (3) región Hackle, donde si aún hay una fuerza conductora de grieta muy alta, se multiplica la formación de nuevas superficies de grieta, y por lo tanto de marcas, lo que desemboca en un relieve muy rugoso con una propagación incluso caótica de las grietas; aquí la velocidad de propagación de las grietas está en el límite que permite el material (figura 3.16). Los límites entre la región espejo, la de niebla y la Hackle, son marcas de posición del frente de grieta.

Al comparar la figura 3.16 (superior izquierda), con la figura 3.13 (izquierda), se puede notar en esta última que la zona alrededor de la flecha azul sería la región espejo y alrededor de ella está la zona Hackle. Así, la textura, las marcas y las regiones que hay en un grano metálico o cerámico clivado, son en esencia las mismas de un material amorfo clivado.

Figura 3.16 Superficie de fractura de lámina de vidrio impactada

Nota. Zona de inicio de fractura donde es posible observar la región espejo, la de niebla y la Hackle (superior izquierda); detalle de una región Hackle en la misma pieza, donde hay una alta rugosidad, producto de la alta densidad de marcas radiales y de río. Nótese que las marcas tratan de formar el patrón de Chevron (superior derecha); detalle de otra zona Hackle menos rugosa, donde se ven las marcas de río y marcas Wallner, que en este caso también son marcas de posición del frente de grieta (inferior). Las flechas rojas indican la dirección de propagación.

Fuente: elaboración propia.

En materiales compuestos, ya que hay varios materiales metálicos, cerámicos o poliméricos mezclados, y en diferentes arquitecturas (matriz-partícula, matriz-fibra, multicapas, etcétera), se complica el estudio de los diferentes modos de fractura; sin embargo, en el caso del clivaje, este se presentará en los agregados o matriz intrínsecamente frágiles, y en el caso particular de la arquitectura multicapa, es posible que el plano de clivaje no siga necesariamente el plano de máximo esfuerzo normal de la pieza, sino un plano interlaminar donde el esfuerzo normal local es lo suficientemente alto, como para provocar el clivaje de un adhesivo o una matriz.

Fracturas súbitas donde se combina el clivaje con otros mecanismos (por ejemplo, con la formación de microvacíos) o fracturas progresivas donde se forman facetas similares a las del clivaje súbito, pero que difieren en morfología o planos cristalinos de propagación, se denominan cuasiclivaje.

3.5.2 Mecanismo de la fractura súbita frágil intergranular

Este es un mecanismo de fractura súbita frágil que se presenta en materiales policristalinos, donde la descohesión del material sigue los límites de grano. Lo anterior origina una textura granular en la superficie de fractura, la cual a escala macro sigue la dirección perpendicular al esfuerzo máximo local de tracción (figura 3.12, derecha). Así, la diferencia entre la fractura frágil intergranular y la de clivaje está en que la primera sigue los límites de grano y la segunda los planos de clivaje.

En los metales se presenta una temperatura crítica conocida como temperatura equicohesiva, en la cual la resistencia mecánica de los límites de grano y la interna de los granos es aproximadamente igual; dicha temperatura se ubica aproximadamente en 0,4 de la temperatura de fusión absoluta de cada metal. Por debajo de dicha temperatura, los materiales de este tipo tienden a presentar una mayor resistencia en los límites de grano versus la que tienen en el interior de los granos, debido a que estas barreras presentan mayor resistencia a fluir, por que bloquean el movimiento de las dislocaciones, que es relativamente libre en el interior de los granos. Por lo anterior, cuando un metal policristalino exhibe una fractura súbita frágil intergranular, por debajo de la temperatura equicohesiva, se considera anormal, y, por lo tanto, es probable que esté asociada con algún fenómeno de fragilización. En materiales metálicos policristalinos correctamente procesados y en un ambiente benigno, en general no ocurre la fractura súbita intergranular (a temperatura ambiente).

Los límites de grano son zonas de alta densidad de imperfecciones cristalinas (vacancias y dislocaciones), de alta difusividad de elementos químicos, de alta velocidad de nucleación y crecimiento de nuevas fases y de alta absorbancia de elementos químicos desde el medio que rodea una pieza, lo cual facilita algunos procesos que pueden hacer que por debajo de la temperatura equicohesiva, los límites de grano muestren una menor resistencia que la del clivaje de los granos. Dentro de tales procesos se encuentran: (1) segregación de elementos químicos fragilizantes hacia los límites de grano durante la fabricación (proceso de fabricación, tratamiento térmico, soldadura, etcétera) o durante la operación; (2) precipitación durante la fabricación o la operación, de partículas o capas de materiales de segunda fase frágiles en límites grano; (3) generación de gradientes de composición química cerca de los límites de grano durante la fabricación o la operación (segregación); (4) clivaje de partículas frágiles de segunda fase en límite grano; (5) difusión de elementos químicos fragilizantes desde el medio ambiente, a través de los límites de grano; (6) presencia de un tamaño de grano grueso, lo cual favorece la ocurrencia de la fractura intergranular sobre el clivaje. Cuando los procesos de fragilización de los límites de grano se desarrollan en servicio, hacen parte de los mecanismos denominados de degradación microestructural en servicio.

En aceros algunos de los procesos fragilizantes más conocidos son: (1) segregación en ciclos de tratamiento térmico o termoquímico hacia límites de grano de la austenita original, de elementos químicos fragilizantes de los grupos IV a VI de la tabla periódica, tales como el silicio, el germanio, el estaño, el fósforo, el arsénico, el antimonio, el azufre, el selenio y el telurio; (2) formación de carburos discontinuos o continuos en límite de grano de la austenita original, en aceros bonificados o recocidos de alto carbono; (3) formación de películas de carburo en límites de grano, por divorcio eutectoide en aceros de bajo carbono; (4) formación de nitruros en límites de grano de la austenita original de aceros nitrurados; (5) formación de AlN en límites de grano de la austenita original, cuando se enfrían lentamente desde 1300 oC o desde fusión; (6) sensibilización de aceros inoxidables austeníticos por precipitación de carburos de cromo en límites de grano; (7) fragilización de aceros maraging por precipitación en límites de grano de la austenita original, de carburos o carbonitruros de titanio, cuando se calientan por encima de 1095 oC y se enfrían lentamente; (8) precipitación de sulfuro de manganeso en límites de grano, por sobrecalentamiento durante trabajo en caliente o soldadura (entre 1200 y 1300 oC); (9) fragilización por difusión en límites de grano de la austenita original, de elementos como el mercurio, el galio, el cadmio, el zinc, el indio y el litio, cuando están en estado líquido y en contacto con el acero (fragilización por metales en estado líquido o sólido); (10) fragilización por difusión o ataque con hidrógeno; (11) corrosión previa intergranular.

Otros ejemplos de procesos de fragilización en otras aleaciones son: (1) fragilización en molibdeno por difusión en límites de grano de oxígeno, nitrógeno o carbono; (2) fragilización de aleaciones de cobre por segregación hacia límites de grano de antimonio o por precipitación de partículas de óxido de cobre; (3) fragilización por difusión y/o ataque del hidrógeno en la mayoría de aleaciones metálicas; (4) formación de zonas libres de precipitado (ZLP), cerca de los límites de grano, durante procedimientos erróneos de envejecimiento.

El inicio de la descohesión intergranular en metales que han sufrido alguno de los procesos de fragilización antes descritos, puede darse, entre otros, a través de los siguientes fenómenos: (1) descohesión o ruptura a tracción de enlaces entre átomos ubicados en límites de grano; (2) movimiento de dislocaciones en corte entre granos adyacentes, que finalmente generan descohesión intergranular; (3) por difusión de los átomos fragilizantes a zonas que bajan la resistencia local y promueven la descohesión intergranular (figura 3.17). El apilamiento de dislocaciones contra límites de grano, o el clivaje previo de partículas de segunda fase ubicadas en límite de grano (figura 3.14, imágenes a la izquierda), también son sitios de inicio de la descohesión intergranular. Estos y otros procesos relacionados involucran un grado de deformación plástica aún menor que el del clivaje; por ello, la tenacidad asociada a este mecanismo de fractura es en general menor que la del clivaje.

Figura 3.17 Ejemplos de iniciación de la descohesión intergranular (microgrietas o microvacíos)

Nota. Descohesión de granos bajo la acción directa del esfuerzo normal aplicado (superior); descohesión en límite de grano por deslizamientos internos de los granos (inferior izquierda); descohesión en límite de grano por difusión de átomos fragilizantes (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Con lo anterior, el mecanismo del agrietamiento intergranular, que se puede dar en materiales metálicos policristalinos, se resume en: (1) fragilización de los límites de grano del material, a través de alguno de los procesos antes descritos; (2) aplicación del esfuerzo; (3) en algunos casos puede haber flujo plástico previo por movimiento de las dislocaciones (figura 3.17, inferior izquierda); (4) iniciación de la descohesión intergranular, es decir, formación de microgrietas o microvacíos (también pueden ser grietas submicrométricas); (5) crecimiento inestable de grietas por descohesión intergranular, ya que se presenta menor resistencia respecto a la del crecimiento inestable por clivaje (producto de la fragilización).

A nivel microscópico, las superficies por fractura frágil intergranular mostrarán el contorno de los granos que recorrió la grieta (figura 3.18, izquierda), y en algunos casos se encontrarán microhuecos o microvacíos en los contornos de dichos granos, que podrán estar relacionados con alguno de los mecanismos de inicio del agrietamiento en cada grano, como: fractura de partículas de segunda fase, apilamiento de dislocaciones, descohesión de límite de grano, descohesión por deslizamientos internos en granos adyacentes o difusión de elementos químicos fragilizantes (figura 3.18, derecha). A estos microhuecos o microvacíos se les suele llamar cavitación en límite de grano, y su presencia es mucho más común cuando hay una mayor participación de la deformación plástica cerca a los límites de grano durante el proceso de fractura, lo que se puede dar en fracturas súbitas mixtas (figura 3.40, inferior).

Figura 3.18 Imágenes de MEB de fracturas súbitas frágiles intergranulares

Nota. Contornos de los granos en la superficie de fractura (izquierda); presencia de microhuecos o microvacíos en los límites de los granos, formados por el inicio de alguno de los mecanismos de fractura intergranular, lo que se conoce como “cavitación en límite de grano” (derecha).

Fuente: elaboración propia.

En los materiales cerámicos policristalinos, como no hay capacidad de deformación plástica, no siempre se espera que una fractura súbita frágil “normal” deba ser por clivaje, ya que es posible que los límites de grano sean intrínsecamente más débiles para algunos de estos materiales. Por lo tanto, la fractura súbita frágil intergranular no se asociaría necesariamente a un fenómeno previo de fragilización.