Читать книгу Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos - Édgar Espejo Mora - Страница 44

En los metales policristalinos las grietas de fatiga se pueden nuclear, entre otros, a partir de los siguientes mecanismos: (a) por movimiento acumulativo de las dislocaciones en planos y direcciones de deslizamiento, de los granos ubicados en las zonas con superficie libre más esforzadas de la pieza. Este movimiento de dislocaciones genera en la superficie intrusiones y extrusiones, que a la larga se convierten en concentradores de esfuerzo, lo cual, aunado al endurecimiento por deformación acumulado, desencadenará descohesión y por lo tanto una microgrieta; (b) por movimiento acumulativo de dislocaciones contra límites de grano, partículas de segunda fase o maclas, generando microgrietas; (c) por fractura mediante clivaje de inclusiones o partículas de segunda fase, que generan las microgrietas iniciales (figura 3.44). Ya que los tres mecanismos requieren que halla deformación plástica previa localizada, es de esperarse que las zonas de una pieza más propensas a agrietarse por fatiga sean aquellas que mayor concentración de deformación plástica microestructural desarrollen en servicio.

Figura 3.44 Ejemplos de mecanismos de nucleación de grietas de fatiga

Nota. Formación de intrusiones y extrusiones por deslizamiento dentro de un grano en la superficie libre de la pieza (izquierda); apilamiento de dislocaciones en límite de grano interior de la pieza (derecha); clivaje de partículas de segunda fase (inferior).

Fuente: elaboración propia.

Las zonas de las piezas donde típicamente se nuclean las grietas, a partir de los mecanismos antes descritos, son, a saber: (a) regiones de daño mecánico por deformación superficial (ludimiento), a lo que comúnmente se le denomina fatiga por ludimiento o por vibrocorrosión; (b) concentradores de esfuerzo geométricos (escalones, filetes de rosca, agujeros, etcéterea); (c) concentradores de esfuerzo inducidos en manufactura (marcas de mecanizado, poros, rechupes, labios de forja, etcétera); (d) concentradores de esfuerzo microestructurales (microrechupes, inclusiones, etcétera); (e) concentradores de esfuerzo generados en servicio (golpes, desgaste abrasivo, desgaste adhesivo, corrosión, arcos eléctricos, etcétera); (f) interfaz entre capas de endurecimiento superficial y núcleo (figuras 3.45 y 3.46). También se puede tener nucleación de grietas subsuperficiales bajo la acción de esfuerzos de contacto. De ello se trata en el numeral 4.2.3.

Figura 3.45 Fractura por fatiga

Nota. Fractura por fatiga a flexión de un pin de giro de una retroexcavadora, nucleada en una zona con daño superficial por deformación mediante ludimiento (fotos superiores), a esto se le conoce como fatiga por ludimiento; fractura por fatiga a flexión nucleada en el radio de acordonamiento de un muñón de cigüeñal, es decir, en un concentrador geométrico de esfuerzos (fotos centrales); fractura por fatiga a torsión de un resorte helicoidal, nucleada en un defecto superficial de laminación, que es un concentrador de esfuerzo inducido en manufactura (fotos inferiores). Las flechas amarillas indican los orígenes del agrietamiento y las negras los sentidos de propagación.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.45 Fractura por fatiga (continuación)

Nota. Fractura por fatiga a flexión de una hoja de ballesta, nucleada desde una inclusión no metálica subsuperficial, es decir, desde un concentrador de esfuerzo microestructural (fotos superiores); fractura por corrosión fatiga a flexión de un eje, nucleada desde una picadura de corrosión generada en servicio (fotos centrales); fractura por fatiga a torsión de un eje de acero con capa de temple superficial, donde la fatiga se originó en la interfaz entre la capa y el núcleo no endurecido (fotos inferiores).

Fuente: elaboración propia.

Después de nucleadas las grietas, si el ΔKaplicado es mayor que el ΔKumbral, inicia la fase de propagación, es decir, si el tamaño de la grieta y el esfuerzo aplicado en cada ciclo son lo suficientemente grandes. Si las grietas vienen desde el proceso de fabricación, en servicio entrarán directamente a la fase de propagación si cumplen con el criterio mencionado.

Figura 3.46 Esquema que ilustra la condición para que se originen grietas de fatiga en la interfaz entre la capa endurecida y el núcleo blando de una pieza

Nota. Se requiere que la carga de flexión o torsión iguale o supere a la resistencia a la fatiga en la zona de transición.

Fuente: elaboración propia.

La fase de propagación de grietas por fatiga en metales se puede dar a través de alguno de los siguientes mecanismos: (a) fatiga cristalográfica, donde las grietas se propagan a través de los granos, siguiendo planos cristalinos específicos; aquí el crecimiento de la grieta es precedido por deformación plástica intragranular en el frente de grieta; (b) crecimiento transgranular perpendicular al esfuerzo normal máximo; en este caso no hay dirección cristalográfica específica de crecimiento (lo que lo diferencia de la fatiga cristalográfica), y el crecimiento en cada ciclo se encuentra precedido de deformación plástica intragranular; (c) crecimiento cíclico intergranular, cuando se da un avance cíclico de las grietas bordeando los granos; (d) clivaje cíclico, donde las grietas crecen intragranularmente en los planos de clivaje; (e) crecimiento mediante formación y coalescencia de microvacíos; de igual manera a los anteriores, se da de manera cíclica (figura 3.47).

En algunos metales de alta ductilidad, se pueden formar estriaciones de fatiga cuando se tenga fatiga cristalográfica o crecimiento transgranular (figura 3.47, fotos superior y central a la izquierda). En la fatiga transgranular es posible que se forme un patrón de marcas radiales que permite conocer la dirección de crecimiento de las grietas (figura 3.47, superior derecha). Cuando se tenga clivaje cíclico, las marcas de río permitirán conocer la dirección de crecimiento (figura 3.47, inferior izquierda). En las fatigas intergranular y por formación y coalescencia de microvacíos, no es tan común encontrar marcas de dirección de propagación o de posición del frente de grieta a nivel microscópico, por lo que se deberá recurrir a la inspección macro y otras fuentes de información, como tipo y sentido de aplicación de la carga, para conocer las direcciones de propagación.

Figura 3.47 Mecanismos de la fatiga

Nota. Fatiga cristalográfica en duraluminio 7075 T6 (superior izquierda), donde dentro de cada grano la trayectoria de las grietas sigue una familia de planos específicos; fatiga transgranular en acero AISI 5160 bonificado con 40 RC (superior derecha). Nótese que la textura no está tan influenciada por los granos como en el caso de la fatiga cristalográfica; (c) fatiga transgranular de acero de bajo carbono donde se tiene presencia de estrías (centro izquierda); (d) fatiga intergranular en acero AISI 5160 bonificado con 50 RC (centro derecha); grano clivado por fatiga en acero AISI 1040 recocido (inferior izquierda); fatiga de bajo ciclaje por formación y coalescencia de microvacíos en acero recocido AISI 1040 (inferior derecha). Las flechas amarillas indican el sentido de propagación de las grietas.

Fuente: elaboración propia.

Los mecanismos de propagación que presentan mayores grados de deformación plástica en cabeza de grieta son, a saber: crecimiento por formación y coalescencia de microvacíos, crecimiento transgranular perpendicular al esfuerzo normal máximo y crecimiento por fatiga cristalográfica. Los que menor grado de deformación plástica asociada tienen son: el crecimiento por clivaje cíclico y el crecimiento cíclico intergranular. Todos estos mecanismos de crecimiento siguen en promedio la perpendicular al máximo esfuerzo normal local.

Para explicar el crecimiento de grieta en la fatiga cristalográfica o en la transgranular, se puede recurrir al modelo del deslizamiento cruzado, que se esquematiza en la figura 3.48. En el caso de las fatigas por clivaje e intergranular, el crecimiento de grieta se adjudica a la descohesión (ruptura de enlaces). Para el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos, se sigue la misma lógica del crecimiento de grieta, descrito cuando se trató en la fractura súbita dúctil.

Figura 3.48 Modelo del avance de grieta a través del deslizamiento cruzado, aplicable a la fatiga cristalográfica o a la transgranular

Nota. (a) Grieta original, (b) primer deslizamiento en frente de grieta bajo tracción, (c) segundo deslizamiento cruzado en frente de grieta bajo tracción, (d) abombamiento de la grieta después del ciclo de tracción, (e) primer deslizamiento bajo compresión o descarga, (f) segundo deslizamiento cruzado bajo compresión o descarga. En este modelo tanto el ciclo de tracción como el de compresión o descarga producen crecimiento efectivo de la grieta [11].

En general, en la fatiga de alto ciclaje, los aceros ferríticos y martensíticos tienden a propagar las grietas de fatiga, mediante el crecimiento transgranular en las etapas I, II y III (figura 3.43). Algunas veces, en la etapa I hay participación del crecimiento intergranular cíclico o del clivaje cíclico, y en la etapa III participación también de la formación y coalescencia cíclica de microvacíos. En estos materiales no es tan común la participación de la fatiga cristalográfica, debido a la alta energía de apilamiento del material que favorece los deslizamientos cruzados, lo que facilita el crecimiento transgranular (asociado a la estructura CC). Si se presenta la fatiga cristalográfica (generalmente en aceros de bajo carbono), aparecerá especialmente en la etapa I de propagación, notándose como un zigzagueo de la trayectoria cerca al origen y a 45o, abarcando de 2 a 5 granos de longitud (figura 3.59, derecha). El crecimiento intergranular cíclico puede favorecerse por la presencia de fenómenos de fragilización en límite grano, como los que se describieron en la fractura súbita frágil de este tipo; el crecimiento por clivaje cíclico se ve favorecido por temperaturas bajas; el crecimiento por formación de microvacíos cíclico se acentúa a bajas durezas y especialmente al final de la etapa II y en la etapa III de propagación.

En aceros austeníticos y duraluminios predomina también el crecimiento transgranular, sin embargo, en la etapa I de propagación también es importante la participación de la fatiga cristalográfica. En varias de las aleaciones base cobalto y base níquel, es común que se tenga fatiga cristalográfica tanto en la etapa I como en la II de propagación, debido a que estos materiales tienen baja energía de apilamiento, lo que no favorece los deslizamientos cruzados intragranulares.

Lo mencionado en los párrafos anteriores respecto a la nucleación y la propagación de las grietas, aplica para la fatiga de alto ciclaje. En el caso de la fatiga de bajo ciclaje, los principales mecanismos de nucleación y propagación de grietas son: (a) formación y coalescencia de microvacíos intragranulares, (b) la descohesión intergranular y (c) el clivaje de granos individuales. La ocurrencia de un mecanismo u otro dependerá de la ductilidad del material.

La vida a fatiga de bajo ciclaje no resulta muy influenciada por el tamaño de grano de un metal, mientras que la de alto ciclaje sí; se nota que a menor tamaño de grano la resistencia y la vida a fatiga aumentan. Esto se debe a que el tamaño de grano fino al restringir más la deformación plástica, retarda el desarrollo del daño que precede al agrietamiento.

Las aleaciones metálicas endurecibles por deformación plástica muestran un incremento en la resistencia a fatiga con el porcentaje de deformación; pero aleaciones endurecicles por temple-revenido o temple-envejecimiento no muestran un efecto tan benéfico del endurecimiento por deformación.

La fractura final de la pieza fatigada, dependiendo del tamaño de la zona remanente y de la tenacidad de fractura del material, podrá ser súbita dúctil, súbita frágil o súbita mixta; en estas zonas se presentan los mecanismos, marcas, texturas y orientaciones de fractura descritos en el numeral 3.5.

En las fatigas mecánicas (solo dependientes de los ciclos de esfuerzo), no existe una influencia muy marcada de la frecuencia de la onda de esfuerzo en la resistencia a fatiga o en la cinética de propagación de las grietas [12]; esto a los valores típicos de aplicación de frecuencias en maquinaria (500 a 10.000 ciclos por minuto). Sin embargo, a muy bajas frecuencias la resistencia a la fatiga puede disminuir, ya que hay mayor tiempo para que la pieza se deforme plásticamente por cada ciclo, y a muy altas frecuencias puede aumentar marcadamente la resistencia, debido a que, por el corto tiempo de cada ciclo, no se alcanza a generar suficiente daño por deformación plástica.