Читать книгу Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos - Édgar Espejo Mora - Страница 33

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).