Читать книгу Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos - Édgar Espejo Mora - Страница 39

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.