Читать книгу Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos - Édgar Espejo Mora - Страница 31

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.