Kitabı oku: «Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos», sayfa 9

3.5.3 Fractografía de las fracturas súbitas frágiles

La formación de una fractura súbita frágil se favorece si: (1) el material del cual está hecha la pieza es intrínsecamente frágil; por ejemplo, materiales cerámicos, polímeros termoestables, algunos elastómeros o metales de alta dureza, o metales que han experimentado algún proceso de fragilización por precipitación de partículas de segunda fase o segregación de elementos químicos fragilizantes; (2) se tiene un estado triaxial de tensiones o de deformación plana, bien sea por la forma en que se aplica la carga, o por la presencia de entallas en la geometría de la pieza, lo cual limita la ductilidad del material; (3) la pieza es grande o gruesa y por lo tanto favorece la formación de un estado triaxial de tensiones; (4) la temperatura es baja para el material, lo que favorece su comportamiento frágil; por ejemplo, en metales por debajo de la temperatura de transición dúctil-frágil o en polímeros termoplásticos por debajo de la temperatura de transición vítrea; (5) si la velocidad de aplicación de la carga es alta, es decir, un impacto, lo que limita la ductilidad del material.

A simple vista, las fracturas súbitas frágiles de elementos mecánicos no mostrarán deformación plástica o distorsión notable de las piezas en su conjunto o cerca de las zonas de fractura (figura 3.19, superior izquierda); sin embargo, es necesario recordar que sí hay deformación plástica a escala nanométrica o micrométrica, sobre todo concentrada en la superficie de fractura (asociada al clivaje o la descohesión intergranular), que para ser detectada requiere instrumentación especial.

La textura apreciable a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico, de las superficies de fractura en materiales cristalinos (metales y cerámicos no amorfos) será granular (figura 3.19, superior derecha e inferiores). En el caso de polímeros, cerámicos amorfos o materiales cristalinos de tamaño de grano muy fino (por ejemplo, con diámetros de granos del orden de un micrómetro o menores), la textura será plana (figura 3.22, izquierda). Piezas fracturadas por clivaje de materiales amorfos mostrarán superficies de fractura, regiones y marcas en ellas, como las mostradas en las figuras 3.16 y 3.22 (derecha).

Las marcas radiales, las de río y las Ratchet tienden a formar un patrón paralelo, cuando la fractura se forma, por ejemplo, a flexión o tracción en una pieza tipo platina (ancha y delgada), lo cual indica que el frente de grieta parte del lado de tracción y se mueve hacia el lado opuesto. El lado de origen se podrá ubicar donde se encuentren las marcas Ratchet (figura 3.19, superior derecha). Las mismas marcas pueden formar un patrón de roseta o estrella, y esto se da bajo cargas de tracción, torsión o flexión en piezas generalmente redondas, aunque también se pueden presentar en piezas tipo platina; el origen del agrietamiento se encuentra en la zona donde convergen las marcas (figuras 3.19, inferior derecha y 3.20). Las mismas marcas de dirección de propagación pueden formar un patrón de “V” de sargento o de Chevron, lo cual se presenta generalmente en piezas tipo platina bajo carga de flexión o tracción; sin embargo, también se pueden presentar en piezas redondas. Aquí al igual que en el caso anterior, el origen del agrietamiento se encontrará hacia la zona en que apuntan las marcas (figuras 3.19, inferior izquierda y 3.21).

Figura 3.19 Superficies de fracturas súbitas frágiles

Nota. Asiento para válvula construido en un cermet (carburos de tungsteno en matriz de cobalto), el cual experimentó fracturas múltiples del tipo súbitas frágiles ante un impacto. Nótese la ausencia de deformación plástica de la pieza en su conjunto y de cada uno de los fragmentos (superior izquierda); superficie de fractura súbita frágil de un metal donde se nota la textura granular y la presencia de una marca ratchet y varias radiales en patrón paralelo (superior derecha); superficie de fractura súbita frágil de un metal, donde se tiene el patrón de marcas radiales tipo chevron o “V” de sargento (inferior izquierda); superficie de fractura súbita frágil de un eje de acero, con un patrón de marcas radiales en forma de roseta (inferior derecha). Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las fracturas.

Fuente: elaboración propia.

En general, los materiales de naturaleza frágil tienden a propagar las grietas en la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal de tracción local; por ejemplo, bajo cargas de tracción o flexión, un eje fracturará en sección transversal, mientras que, bajo carga de torsión, la superficie de fractura estará orientada a 45o respecto al eje del elemento (figura 3.23). En todos estos casos se presenta modo I de carga para la nucleación y propagación de las grietas.

Figura 3.20 Ejemplo de una fractura súbita frágil a torsión de un eje

Nota. Se formó un patrón de marcas radiales tipo estrella desde el sitio de origen de la fractura (escalón o concentrador de esfuerzo).

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.21 Ejemplo de fracturas súbitas frágiles con patrón de Chevron de las marcas radiales

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.22 Ejemplos de superficies de fractura súbita frágil con textura plana

Nota. Fractura de una pieza de granos de carburo de tungsteno, de menos de un micrómetro de diámetro en matriz de cobalto (izquierda). Nótese que la textura es bastante plana y guarda similitud con la textura del clivaje en materiales amorfos; fractura de lámina de acrílico (derecha), donde se notan las tres regiones típicas del clivaje en este tipo de materiales amorfos. Las flechas verdes indican la dirección de crecimiento de grieta.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.23 Orientación de las superficies de fractura súbita frágil, en función del tipo de carga aplicada a una barra redonda: tracción (izquierda), flexión (centro), torsión (derecha)

Nota. Obsérvese que la superficie de fractura será perpendicular al máximo esfuerzo normal generado.

Fuente: elaboración propia.

En relación con lo anterior, las grietas prexistentes bajo modo I de carga (tracción a cara de grieta) tenderán a propagarse de manera recta (por ejemplo, flexión y/o tracción aplicadas a un eje con grieta transversal). Si se sobreponen el modo I y el modo II (corte en plano de la grieta), ello generará curvatura en la dirección del crecimiento de la grieta (por ejemplo, tracción más cortante puro, sobre un eje con grieta transversal), en tanto que si se sobreponen el modo I y el modo III (corte fuera de plano de la grieta), la grieta experimentará un giro en su crecimiento (por ejemplo, tracción más torsión, sobre un eje con grieta transversal) (figura 3.24). En materiales frágiles bajo los modos puros II o III de carga, no se logra en general propagar las grietas, lo cual no significa que las piezas no se fracturen, sino que se nuclearán nuevas grietas en planos de máximo esfuerzo normal, a partir del campo de esfuerzo generado alrededor de la grieta que no se pudo propagar.

Aunque no es tan común, las piezas que experimentan fracturas súbitas frágiles pueden llegar a presentar marcas de posición del frente de grieta, cuando se produzcan cambios en el estado de esfuerzos, orientación o velocidad del frente de grieta, o incluso detenciones de esta (marcas de detención). Este último caso se presenta cuando el factor de intensidad de esfuerzos aplicado cae por debajo de la tenacidad de fractura, bien sea porque el crecimiento de grieta descarga la pieza, o porque la grieta penetra en una zona de mayor tenacidad.

Figura 3.24 Direcciones de propagación de grietas prexistentes en fracturas súbitas frágiles y progresivas (fatiga, fluencia lenta, corrosión esfuerzo, corrosión fatiga, agrietamiento por hidrógeno, fragilización por contacto con metales sólidos o líquidos, fragilización dinámica, etcétera)

Nota. En modo I de carga (superior); en modos I y II combinados (inferior izquierda); en modos I y III combinados (inferior derecha). Las flechas negras indican la normal de la grieta original y las rojas la normal al plano de propagación.

Fuente: elaboración propia.

Al inspeccionar a altos aumentos las superficies de fractura súbitas frágiles de materiales cristalinos con el estereoscopio óptico o el MEB, y complementar dicha inspección con observación de secciones materialográficas transversales a las superficies de fractura, se podrá determinar con precisión cuál de los mecanismos de fractura frágil está presente: el clivaje, la descohesión intergranular o ambos (figura 3.25). No se puede dar una escala de aumentos específicos, a los cuales se observan con claridad dichos mecanismos, ya que ello depende del tamaño de grano que tenga el material de la pieza analizada.

Figura 3.25 Fracturas frágiles

Nota. Fractura frágil por clivaje de material policristalino: aspecto típico en estereoscopio óptico (superior izquierda), aspecto típico en MEB (superior central); aspecto típico en sección materialográfica (superior derecha), nótese que la superficie de fractura es mucho más recta, que una línea que siga los límites grano (las líneas blancas son límites de grano). Fractura frágil intergranular de material policristalino: aspecto típico en estereoscopio óptico (inferior izquierda), aspecto típico en MEB (inferior central); aspecto típico en sección materialográfica (inferior derecha), nótese que la superficie de fractura es tan quebrada como las líneas de límite grano del material (líneas negras).

Fuente: elaboración propia.

Con lo mencionado hasta ahora, implícitamente se ha supuesto que en una pieza cargada que fracture de manera súbita frágil, se formará una sola grieta global, dentro de la cual habrán varias grietas que viajan una al lado de la otra, separadas por marcas Ratchet, de río o radiales, recordando que a mayor fuerza conductora de grieta, habrá mayor tendencia a tener mayor número de estas marcas (que es el caso de las regiones Hackle). Pero, ¿qué pasa si la fuerza conductora de grieta es tan alta que no se puede consumir toda la energía disponible de esta manera? La respuesta es que se generarán varias zonas agrietadas dentro de la misma pieza, o incluso durante la propagación de las grietas se pueden generar múltiples ramificaciones; esta situación es común en fracturas súbitas frágiles bajo cargas de impacto (figura 3.26).

Figura 3.26 Agrietamientos masivos durante fracturas súbitas frágiles, bajo cargas de impacto balístico

Nota. Acero AISI 1045 con 55 RC de dureza (izquierda); capas de vidrio templado adheridas mediante películas poliméricas flexibles (derecha); la cantidad de grietas formadas tiende a aumentar con la dureza y fragilidad del material.

Fuente: elaboración propia.

3.5.4 Mecanismo de fractura súbita dúctil por formación y coalescencia de microvacíos intragranulares

Este mecanismo de fractura se caracteriza en materiales metálicos policristalinos por estar precedido de un importante grado de deformación plástica, a través del deslizamiento interno de los granos, vía el movimiento de dislocaciones. Producto de esta deformación plástica, el material nuclea microcavidades (microvacíos o microhuecos) principalmente intragranulares, en zonas propicias para ello, donde cada microcavidad es un origen local de grieta. Con el progreso de la deformación plástica, las microcavidades crecen y coalescen (se unen), para formar así la superficie de fractura de la pieza. La trayectoria de grieta es transgranular y se puede formar bajo esfuerzo normal o cortante (figura 3.27).

La formación de un microvacío se puede dar en alguno de los siguientes sitios propicios: (1) alrededor de inclusiones no coherentes con la matriz, donde estas generalmente tienen una baja fuerza de unión con el metal, lo cual facilita que se descohesionen en la medida en que la matriz metálica de los alrededores fluye; (2) alrededor de partículas de segunda fase, donde también se presente descohesión; (3) en inclusiones coherentes o partículas de segunda fase con alta fuerza de unión a la matriz y de naturaleza frágil, las cuales ante el deslizamiento de la matriz pueden fallar por clivaje y formar así un microvacío; (4) en inclusiones coherentes o partículas de segunda fase que estén previamente agrietadas, debido al proceso de deformación plástica experimentado durante la fabricación; (5) en la matriz metálica cerca de una partícula de segunda fase de bordes angulosos, que genere un concentrador de esfuerzo tal que agriete a la matriz; (6) en apilamientos de dislocaciones presentes en bordes de grano; (7) en discontinuidades generadas durante fabricación, como rechupes de fundición, poros, grietas previas, etcétera. Ejemplos de lo anterior se esquematizan en la figura 3.28.

Figura 3.27 Fractura súbita dúctil

Nota. Esquema de la sección metalográfica de un metal policristalino (izquierda); fractura súbita dúctil por formación y coalescencia de microvacíos bajo esfuerzo normal (centro); fractura súbita dúctil por formación y coalescencia de microvacíos bajo esfuerzo cortante (derecha). En los esquemas central y derecho se sugiere deformación previa de los granos antes de la fractura; además, los microhuecos quedan inclinados en el caso de formarse bajo cortante puro.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.28 Ejemplos de formación de microvacíos dentro de un grano metálico

Nota. A partir de la descohesión alrededor de una partícula de segunda fase (superior izquierda); a partir de la fractura previa por clivaje de una partícula de segunda fase (superior derecha); a partir de un microporo (inferior izquierda); a partir de un apilamiento de dislocaciones (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Una superficie de fractura formada por microvacíos en un metal, mostrará microhuecos claramente definidos al observarse bajo una técnica como la MEB, donde si estos microhuecos se formaron principalmente alrededor de partículas de segunda fase o inclusiones, será posible observar fragmentos de estas en su interior (figura 3.29, foto izquierda). En aquellos casos donde la formación de los microhuecos no estuvo asociada a partículas de segunda fase o inclusiones, sino a apilamiento de dislocaciones, por ejemplo, solo se observará el microhueco (figura 3.29, central). En general, a escala microscópica no se forman marcas de dirección de crecimiento o de posición del frente de grieta, como ocurre con el clivaje.

Figura 3.29 Imágenes de MEB de metales que fallaron por formación y coalescencia de microvacíos

Nota. Superficie de fractura de duraluminio, donde se puede notar que en el interior de los microhuecos se encuentran fragmentos de las partículas de segunda fase a partir de las cuales se formaron, que en este caso son compuestos intermetálicos (izquierda); superficie de fractura de un acero ferrítico acicular, donde la formación de la mayoría de los microhuecos no estuvo asociada a partículas de segunda fase o inclusiones, sino probablemente a apilamientos de dislocaciones, por lo que no hay presencia generalizada de partículas en el interior de los microhuecos (central); superficie de fractura de un acero 5160 bonificado, donde se pueden ver grandes microhuecos asociados a inclusiones y microhuecos más finos nucleados en carburos de revenido (derecha).

Fuente: elaboración propia.

El tamaño del microhueco o microvacío generado es en general proporcional al tamaño de la inclusión o partícula de segunda fase, alrededor de la cual se formó, si este fue el caso. Cuando se tienen varios tamaños de inclusiones o partículas de segunda fase en el metal, los primeros microvacíos se forman alrededor de las más grandes (generalmente las inclusiones), y a altos porcentajes de deformación aparecen los microvacíos asociados a las partículas más pequeñas (generalmente las de segunda fase) (figura 3.29, derecha).

Ya que la formación de microvacíos está fuertemente asociada a la presencia de partículas de segunda fase, inclusiones o discontinuidades previas, se puede inferir que en un metal ideal (continuo, homogéneo e isotrópico), la formación de los microvacíos se elimina, y la fractura dúctil, por ejemplo, de una pieza a tracción, se da por acuellamiento hasta llegar a un punto (un átomo). El metal ideal no existe, pero se logra un comportamiento similar si los metales reales se calientan lo suficiente (sin superar la temperatura equicohesiva), de modo tal que se incrementa la plasticidad, debido a la mayor movilidad de las dislocaciones y vacancias, lo que en últimas hace que sea difícil nuclear microvacíos, haciendo que el deslizamiento sea casi ilimitado (a esto se le llama superplasticidad); claro está que la resistencia de la pieza será baja.

Los microvacíos, después de formados, siguen su crecimiento con la deformación plástica que se está experimentando en la matriz metálica de los alrededores, y la superficie de fractura se genera a través de dos mecanismos básicos: (1) coalescencia de microvacíos, donde microhuecos cercanos se encuentran y unen mientras crecen; y (2) a través de bandas de corte, las cuales se forman entre microvacíos alejados de gran tamaño, que vía la concentración de esfuerzo que producen, nuclean unas zonas de deslizamiento localizado llamadas bandas de corte. Dentro de la banda de corte se pueden formar otros microvacíos, asociados a partículas de segunda fase más pequeñas. La formación de bandas de corte generalmente produce superficies de fractura zigzagueantes, mientras que la coalescencia pura produce una sola superficie de fractura (figura 3.30).

Figura 3.30 Crecimiento de grieta por coalescencia de microvacíos (izquierda); crecimiento de grieta por conexión de microvacíos a través de bandas de corte (derecha)

Fuente: elaboración propia.

Al igual que como se mencionó en el caso del clivaje y la fractura intergranular, aunque exista a escala macro una dirección de crecimiento de grieta, ello no necesariamente implica que a escala micro en frente de grieta ello se cumpla de manera estricta. Lo anterior se debe a que en el campo de concentración de esfuerzo que hay en el frente de grieta, pueden caber varias zonas sobrecargadas que estén nucleando microvacíos; por lo tanto, allí pueden coalescer y formar una grieta, la cual puede crecer en dirección contraria a la grieta principal hasta que se encuentran (figura 3.30, izquierda).

La formación y coalescencia de microvacíos se puede dar bajo los modos de carga I, II, III o por combinaciones entre ellos, es decir, el plano de fractura puede ser perpendicular a la dirección del esfuerzo normal máximo o coplanar con la dirección del cortante máximo. Los microhuecos que se aprecian sobre la superficie de fractura podrán ser circulares o elípticos, dependiendo de las combinaciones de modos de carga aplicados. Los microhuecos redondos sugieren cargas de tracción y/o flexión (modo I), mientras que los microhuecos elípticos indican cortante puro o torsión (modos II y III), o combinación de estos con tensión o flexión. Bajo flexión pura también se pueden formar microhuecos elípticos, sin embargo, estos no serán tan alargados como los presentes con los modos II y III. Cuando la fractura se forma por modos de carga II, III o combinación entre ellos, donde puede haber presencia también de compresión, o si la fractura se desarrolla a través de bandas de corte, es común que las superficies de fractura se dañen por la fricción entre las dos partes, lo cual puede borrar la presencia de los microhuecos, dejando una textura muy parecida a la del desgaste adhesivo (figura 3.31), comparese con la figura 4.4.

Figura 3.31 Imágenes de MEB de metales fracturados por formación y coalescencia de microvacíos

Nota. Microhuecos redondeados, lo cual indica predominio del modo de carga I (izquierda); microhuecos ovales o elípticos, lo que indica modos de carga II o III, con o sin combinación con el modo I (centro); superficie plana producto del aplastamiento por frotamiento de los microhuecos, que indica carga tipo II o III, generalmente puros o combinados con compresión (derecha), o fractura a través de bandas de corte. Las flechas indican el sentido del esfuerzo cortante.

Fuente: elaboración propia.