Читать книгу Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos - Édgar Espejo Mora - Страница 41

La formación de una fractura súbita dúctil se favorece si: (1) el material del cual está hecha la pieza es intrínsecamente dúctil, por ejemplo, materiales metálicos de baja dureza, polímeros termoplásticos o metales no fragilizados en límite de grano; (2) hay un estado de esfuerzo plano, lo cual facilita el comportamiento dúctil del material; (3) la pieza es pequeña o delgada y, por lo tanto, favorece un estado de esfuerzo plano; (4) la temperatura es alta para el material, lo que favorece su comportamiento dúctil; por ejemplo, en metales por encima de la temperatura de transición dúctil-frágil o en polímeros termoplásticos por encima de la temperatura de transición vítrea; (5) si la velocidad de aplicación de la carga es lenta, es decir, una carga cuasiestática, lo que no limita la ductilidad del material.

Cuando una superficie de fractura dúctil no tenga marcas de dirección de propagación o de posición del frente de grieta, es indicio de que en toda el área de fractura se nuclearon y coalescieron microhuecos, de una manera más o menos homogénea, por lo tanto, no hay orígenes de grieta especialmente identificables; a este tipo de fractura dúctil se le llama colapso plástico. En otros casos, las superficies de fractura dúctil pueden insinuar marcas radiales o de posición de frente de grieta (costillas o playas). No es común observar marcas Ratchet o de río.

A simple vista, las fracturas dúctiles de elementos mecánicos mostrarán deformación plástica o distorsión notable de las piezas en su conjunto o cerca de las zonas de fractura (figuras 3.32 y 3.33, fotos de la izquierda). En el caso particular de la fractura bajo torsión, la deformación consistirá en rotación de la superficie de la pieza. Las texturas apreciables a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico de las superficies de fractura en metales, serán la fibrosa, la tersa y la tersa con frotamiento.

Cuando se presenta una fractura a tracción habrá acuellamiento de la pieza y en la superficie de fractura se tendrá una zona central de textura fibrosa, la cual es la primera en formarse y tiene una orientación perpendicular al esfuerzo de tracción. En esta zona fibrosa no habrá ningún origen particular de grietas, ya que aquí hay colapso plástico; alrededor de la zona fibrosa se tendrá otra zona con textura tersa, cuya orientación seguirá la del esfuerzo cortante máximo, es decir, 45o aproximadamente respecto al eje de la pieza (figura 3.32, fotos superiores). Esta zona de textura tersa es la última en formarse y tiene su origen en la zona fibrosa, comúnmente se le conoce como labio de corte. Este labio de corte se forma con dichas características, ya que consiste en el colapso de un anillo cuyo material es de espesor delgado, dentro del cual predomina la condición de esfuerzo plano, donde los materiales dúctiles desgarran siguiendo la dirección del cortante máximo.

En algunos casos con materiales no tan dúctiles, pero que siguen conservando dicho comportamiento, como puede ser el caso de un acero bonificado con 35 RC, en las piezas sometidas a tracción puede que se presente una subdivisión de la zona fibrosa, donde se tendrá en el centro una zona fibrosa como la que se describió en el párrafo anterior y alrededor de ella otra muy rugosa con marcas radiales (figura 3.32, fotos centrales). La zona fibrosa con marcas radiales se forma porque la grieta crece anularmente a alta velocidad cerca a la límite para el material, lo cual recuerda lo descrito para la región Hackle típica de fractura por clivaje en materiales amorfos.

Figura 3.32 Fracturas dúctiles

Nota. Fractura dúctil a tensión de un alambrón: presencia de acuellamiento en la zona de fractura (superior izquierda), con zonas fibrosas y labio de corte en la superficie de fractura (superior derecha), la formación de la zona fibrosa precedió a la del labio de corte. Fractura dúctil a tensión de un espárrago: presencia de acuellamiento en la zona de fractura (central izquierda), con zona fibrosa central y zona de marcas radiales en la superficie de fractura (central derecha), la formación de la zona fibrosa precedió a la de marcas radiales. Fractura dúctil a flexión de un esparrago: presencia de doblado en la zona de fractura (inferior izquierda), con zonas fibrosa central y labio de corte en la superficie de fractura (inferior derecha), en la zona fibrosa los microhuecos formaron un patrón en forma de marcas de costilla, que permite localizar la zona de origen de la fractura. Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las fracturas.

Fuente: elaboración propia.

Cuando se presenta una fractura a flexión habrá doblado de la pieza y en la superficie de fractura se tendrá una zona central de textura fibrosa (perpendicular a los esfuerzos normales), que podrá estar rodeada de un labio de corte de textura tersa, o dicho labio podrá estar solo presente en la región que originalmente estaba a compresión por la carga flectora. En la zona fibrosa podrán aparecer marcas de posición del frente de grieta (marcas de costilla) o marcas radiales, que son arreglos de microvacíos, con las cuales se podrá deducir la orientación del momento flector; el labio de corte será la última zona en formarse (figura 3.32, fotos inferiores).

Cuando se presenta una fractura bajo cortante puro (desgarre), en la pieza se formará un labio de desgarre y en la superficie de fractura se tendrá una textura tersa, en la cual, si se presenta deslizamiento entre las partes, se generará una textura tersa con frotamiento; la superficie de desgarre estará orientada con la dirección del esfuerzo cortante aplicado (figura 3.33, fotos superiores). Las fracturas bajo carga de torsión generarán deformación por rotación de la pieza, sin que necesariamente se genere doblado o adelgazamiento en la zona de fractura. La superficie de fractura se alineará con los esfuerzos cortantes del torsor, es decir, será perpendicular al eje del momento. La textura de la superficie de fractura generalmente será tersa con frotamiento en la periferia de la pieza, y fibrosa en la zona central, la cual es la última en formarse (figura 3.33, fotos inferiores).

Figura 3.33 Fracturas dúctiles por desgarre y torsión

Nota. Fractura dúctil por desgarre de un perno: presencia de un labio de desgarre en la zona de fractura (superior izquierda), con zonas de textura tersa y tersa con frotamiento (superior derecha). El frotamiento se produce por el contacto bajo presión de las superficies de fractura formadas. Fractura dúctil a torsión de un eje: no hay reducción de área o distorsión en la zona de fractura (inferior izquierda), la deformación consistirá en rotación de la superficie del eje. Se tendrá una zona fibrosa central y una zona tersa con frotamiento periférica (inferior derecha), la zona central fibrosa es la última en formarse. Las flechas rojas indican la dirección de desgarre.

Fuente: elaboración propia

Al inspeccionar con el MEB las superficies de fractura de metales, a altos aumentos, y complementar dicha inspección con observación de secciones metalográficas transversales a las superficies de fractura, se podrán observar: (1) los microhuecos de forma circular típicos de la textura fibrosa (figura 3.34, fotos superiores); (2) los microhuecos de forma oval o elíptica comunes de la textura tersa (figura 3.34, fotos centrales); (3) la superficie deformada y desgastada por el deslizamiento en una textura tersa con frotamiento (figura 3.34, fotos inferiores). Además, en la sección metalográfica será posible detectar la deformación plástica presente en los granos (distorsión de estos).

Figura 3.34 Imágenes de MEB y metalográficas de fracturas súbitas dúctiles

Nota. Zona de textura fibrosa de una fractura dúctil: aspecto en MEB de los microhuecos circulares (superior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (superior derecha). Nótese en la superficie de fractura la presencia de los microhuecos. Zona de textura tersa de una fractura dúctil: aspecto en MEB de los microhuecos ovales o elípticos (central izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (central derecha). Nótese en la superficie de fractura que los microhuecos están inclinados en la dirección del desgarre. Zona de textura tersa con frotamiento de una fractura dúctil: aspecto en MEB del aplastamiento generado en los microhuecos por el contacto entre las dos superficies de fractura (inferior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (inferior derecha). Nótese que la superficie de fractura está deformada en el sentido del desgarre por la acción del frotamiento. Las flechas rojas indican el sentido del desgarre.

Fuente: elaboración propia.

A simple vista, es posible que en una superficie de fractura súbita dúctil se vean grandes cavidades, del orden de las décimas de milímetro o aún más grandes, las cuales generalmente estarán asociadas a grandes inclusiones, grandes discontinuidades del material (poros, rechupes, etcétera) o delaminaciones (descohesión dúctil en un plano que contiene una gran inclusión alargada) (figura 3.35). A partir de la forma de los microhuecos y la orientación que estos tienen en las dos superficies generadas en una fractura, se puede deducir el tipo de carga bajo la cual se formaron, según las reglas básicas que se muestran en la figura 3.36.

Figura 3.35 Superficie de fractura dúctil

Nota. De un acero bonificado, con grandes cavidades y delaminaciones asociadas con grandes inclusiones (izquierda); sección metalográfica en una superficie de fractura dúctil que contiene una delaminación asociada con un sulfuro en un acero bonificado (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.36 Imágenes de MEB de la morfología típica de los microhuecos en las dos superficies de fractura formadas

Nota. Redondeados bajo modo I en tracción (superior izquierda); ligeramente ovales bajo modo I en flexión (superior derecha); ovales bajo modo II de carga (inferior izquierda); ovales bajo modo III de carga (inferior derecha). Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las grietas y las formas amarillas el aspecto típico de los microhuecos.

Fuente: elaboración propia.

Los materiales de naturaleza dúctil bajo tracción o flexión fracturan, bien sea siguiendo el esfuerzo cortante máximo en piezas delgadas (45o respecto al esfuerzo de tracción normal, en modos II y/o III), o mediante una combinación de fractura perpendicular al esfuerzo normal de tracción máximo (modo I) y labios de corte laterales que siguen al cortante máximo (modos II y/o III), lo cual se da en piezas gruesas. Bajo torsión o cortante puro, la fractura sigue el cortante máximo (modos II y/o III) (figura 3.37).

Figura 3.37 Orientación de las superficies de fractura súbita dúctil, en función del tipo de carga aplicada

Nota. Tracción en pieza delgada (izquierda); tracción en pieza gruesa (centro izquierda); torsión (centro derecha); cortante puro o desgarre (derecha). Bajo flexión, el lado de tracción generado por esta carga mostrará una orientación similar a la de las dos figuras a la izquierda en función del espesor. La superficie de fractura puede ser perpendicular al máximo esfuerzo normal generado o colineal con el máximo esfuerzo cortante.

Fuente: elaboración propia.

En piezas hechas de materiales dúctiles, dependiendo de su espesor, se tendrá bajo carga de tracción o flexión: una fractura predominantemente perpendicular a la dirección del esfuerzo normal, con textura fibrosa (pieza gruesa), una formando un labio de corte a 45o siguiendo los esfuerzos cortantes máximos, con textura tersa (pieza delgada), o una mezcla de ambos (espesor intermedio) (figura 3.38). De nuevo, como se ha mencionado antes, decir pieza delgada o gruesa es relativo a cada material, y se encuentra en general que, a mayor tenacidad de fractura del material, la zona límite entre delgado y grueso se correrá a mayores valores de espesor.

Figura 3.38 Fracturas dúctiles a tracción en función del espesor

Nota. Superficie fibrosa perpendicular a la dirección del esfuerzo de tracción, en pieza gruesa (izquierda); superficie fibrosa central perpendicular a la dirección del esfuerzo de tracción y labios de corte laterales con textura plana, formado 45o respecto al esfuerzo normal, en pieza de espesor intermedio (central); superficie a 45o siguiendo el cortante máximo con textura tersa, en pieza delgada (derecha).

Fuente: elaboración propia.