Читать книгу Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos - Édgar Espejo Mora - Страница 45

La formación de una fractura por fatiga en metales se presenta si: (1) hay una carga variable en el tiempo; (2) el rango de intensidad de esfuerzo aplicado supera al rango de intensidad de esfuerzos umbral del material (ΔKaplicado > ΔKumbral), lo cual se relaciona con que el pico de la onda de esfuerzo aplicada (σmáximo) sea mayor a la resistencia límite de fatiga corregida de la pieza (σmáximo > σF AT C), para la razón de carga de la onda de esfuerzo aplicada (R). Si las condiciones anteriores no se cumplen, ello implica que las microgrietas formadas en la nucleación no se propagarán, es decir, tenderán a permanecer en condición estable. La vida a fatiga de una pieza se verá seriamente acortada si hay daño mecánico previo por deformación superficial o concentradores severos de esfuerzo: (a) en la geometría de la pieza, (b) inducidos por el proceso de fabricación, (c) de tipo microestructural o (d) generados en servicio, por golpes, desgaste o corrosión.

A simple vista, las fracturas por fatiga de alto ciclaje de elementos mecánicos no mostrarán deformación plástica o distorsión notable de las piezas, en su conjunto o cerca de las zonas de fractura; sin embargo, en fracturas por fatiga de bajo ciclaje, ello sí podrá estar presente si se trata de un material dúctil (figuras 3.49 y 3.50, imágenes superiores izquierdas). No obstante lo anterior, en las fatigas de alto ciclaje, si se presenta fractura final súbita dúctil, es posible que en dicha zona esté presente la deformación macroscópica de la pieza.

En general, las superficies de las fracturas por fatiga de alto ciclaje se caracterizan por presentar dos zonas claramente diferenciadas: (1) zona de propagación estable de grietas en servicio, en la cual a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico, se encontrará una textura tersa o granular; (2) zona de fractura final, donde la pieza agrietada no pudo seguir soportando la carga, y por lo tanto, ocurrió una fractura de manera súbita (crecimiento inestable de grietas) (figura 3.49, superior derecha).

Bajo inspección visual a ojo desnudo, con lupas o estereoscopio, la textura predominante en las superficies de propagación estable de grieta por fatiga de alto ciclaje de metales será la tersa (figura 3.51, superior izquierda). La textura tersa es consecuencia del predominio del mecanismo de fatiga transgranular. Si el mecanismo predominante es la fatiga cristalográfica, la textura visible será una combinación de la tersa y la granular, ya que dentro de cada grano habrá planos preferentes de propagación de las grietas de fatiga (figura 3.51, superior derecha). Cuando predominen los mecanismos de clivaje o agrietamiento intergranular, la textura predominante será la granular (figura 3.51, central izquierda). En la fatiga de bajo ciclaje, donde predomine el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos, la textura encontrada será la fibrosa (figura 3.51, central derecha). Todas estas texturas podrán presentar frotamiento total o parcial, es decir, daño de las superficies de fatiga por roce entre las dos caras de grieta (figura 3.51, inferior), lo cual se favorece cuando halla inversión total de carga (tracción-compresión) o cuando se combinen los modos de carga I y II o I y III.

El límite entre la zona de propagación estable de grieta y la zona de fractura final es una marca de playa, cuya geometría indica la forma que tenía el frente de grieta, inmediatamente antes de presentarse la fractura final (figura 3.49, superior derecha). Esta marca se forma por el contraste visual que se produce entre las texturas de la zona de propagación estable y las de la zona de fractura final.

Figura 3.49 Fracturas por fatiga de alto ciclaje

Nota. Muñón de cigüeñal fatigado a torsión, donde se puede notar que no hay deformación plástica de la pieza (superior izquierda); zonas típicas de una superficie de fractura por fatiga (superior derecha). Nótese que no hay marcas de playa intermedias; fractura por corrosión fatiga a flexión de un eje, donde hay una marca de playa intermedia (central izquierda); fractura por fatiga a flexión de un cigüeñal, donde se presentaron varias marcas de playa intermedias (central derecha); orígenes múltiples de fatiga separados por marcas ratchet (inferior izquierda); presencia de marcas de río en superficie de fractura por fatiga de un cigüeñal. Nótese que la aparición de las marcas coincide con un cambio en la orientación de la superficie de fractura (inferior derecha). Las flechas amarillas indican la dirección del crecimiento de las grietas.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.50 Fracturas por fatiga de bajo ciclaje

Nota. Tornillo de acero martensítico fatigado a bajo ciclaje en 32 ciclos, aplicando un 95 % del esfuerzo último. Nótese que hay deformación del elemento alrededor de la zona de fractura (superior izquierda); superficie de fractura por fatiga del tornillo, donde se nota su textura fibrosa (superior derecha); superficie de fractura por fatiga de bajo ciclaje, de un elemento estructural hecho en duraluminio 7075 T6, donde hay textura fibrosa y presencia de marcas de playa (inferior). Las flechas amarillas indican la dirección del crecimiento de las grietas.

Fuente: elaboración propia.

Lo más común en piezas mecánicas que fallan por fatiga es que tengan varias marcas de playa en la zona de propagación estable de grietas, las cuales se forman generalmente por: (1) corrosión u oxidación en el frente de grieta, producto de la acción del aire o del lubricante de la máquina durante un periodo de detención de la pieza; (2) cambios en el rango de intensidad de esfuerzos aplicados, que producen cambios en la cinética de crecimiento y en la rugosidad; (3) cambios en el estado de esfuerzos que originen variaciones en la orientación de la superficie de grieta; (4) cambios en la frecuencia de los ciclos de carga aplicados, que llevan a variaciones en la cinética del crecimiento. En las imágenes superior derecha, central izquierda y central derecha de la figura 3.49, se puede ver la apariencia que tiene una fractura por fatiga sin marcas de playa intermedias, la de una fractura con una marca de playa intermedia y la de una fractura con varias marcas de playa intermedias, respectivamente.

Figura 3.51 Texturas en las zonas de propagación estable de grietas por fatiga

Nota. Tersa en fatiga transgranular de acero bonificado 8640 con 40 RC (superior izquierda); combinación de tersa y granular en fatiga cristalográfica de duraluminio 7075 T6 (superior derecha); granular en fatiga intergranular de acero 5160 bonificado a 50 RC (central izquierda); fibrosa en fatiga de bajo ciclaje por formación y coalescencia de microvacíos, en duraluminio 7075 T6 (central derecha); tersa con frotamiento por roce entre las caras de grieta, en acero inoxidable AISI 410 (inferior). Las flechas amarillas indican la dirección de crecimiento de las grietas.

Fuente: elaboración propia.

En el caso de una fractura por fatiga en la cual solo se encuentre la marca de playa, que separa las zonas de propagación estable y de fractura final (figura 3.49, superior derecha), se puede afirmar que las condiciones ambientales, de nivel de esfuerzos y de orientación de estos, no cambiaron durante todo el proceso de crecimiento en servicio de la grieta de fatiga, es decir, esta pieza probablemente no tuvo detenciones prolongadas durante su funcionamiento (operación continua a ciclos de carga constantes).

El eje de la figura 3.49 (central izquierda) corresponde a un eje perteneciente a una bomba de extracción de crudo en pozo, equipo que operó en varios pozos diferentes antes de la falla. Su superficie de propagación estable mostró claramente una marca de playa intermedia, con lo cual se pudo deducir que el eje nucleó e inició su agrietamiento en el penúltimo pozo en que operó, ya que dicha marca de playa probablemente se formó por acción corrosiva, mientras el eje estuvo almacenado antes de ingresar al último pozo.

El cigüeñal de la figura 3.49 (central derecha) trabajó en el motor de un helicóptero; en este caso se encontraron quince marcas de playa claramente definidas, lo que para el helicóptero implicó que desde al menos quince vuelos anteriores, el cigüeñal ya se encontrara agrietado. Además, las marcas de playa se formaron por la acción corrosiva del aceite lubricante del motor durante los largos periodos detención del helicóptero.

En las zonas de origen de los agrietamientos por fatiga, será común encontrar las marcas Ratchet, cada una de las cuales separa dos grietas de fatiga independientes. Es importante notar que los orígenes de los agrietamientos por fatiga no están en las marcas Ratchet, sino entre ellas (figura 3.49, inferior izquierda). Si no se encuentran marcas Ratchet en la zona de origen de agrietamiento, ello indica que se tuvo un solo origen de grieta de fatiga (figura 3.49, superior derecha y central izquierda).

Marcas radiales y de río también pueden estar presentes en las zonas de propagación estable de las grietas, y generalmente están asociadas a cambios en el estado de esfuerzos, que generan bifurcaciones y reorientaciones de las superficies de fatiga (figura 3.49, inferior derecha). Estas marcas tenderán a aparecer en piezas grandes, o de geometría compleja, o cerca de la transición entre las zonas de propagación estable y de fractura final, es decir, en la etapa III de propagación.

Como regla general, en las superficies de fractura por fatiga de alto ciclaje se encontrará que la rugosidad irá en continuo incremento, desde el origen hacia la zona de fractura final (figura 3.49, inferior derecha), lo cual ayuda a establecer las regiones de origen de los agrietamientos, si no se tienen marcas Ratchet, de río, radiales o de playa que lo permitan. De igual manera, las zonas de origen al ser más antiguas, es posible que presenten coloraciones oscuras producto de la corrosión u oxidación, mientras que las últimas zonas en formarse durante la propagación serán de un brillo metálico más acentuado (figura 3.56, central derecha).

Las superficies de fractura por fatiga de bajo ciclaje tienden a no mostrar un límite claro entre la zona de propagación estable de grieta en servicio y la zona de fractura final. Sus texturas tienden a ser fibrosas en el caso de materiales dúctiles (figura 3.50, superior derecha) y granulares para materiales frágiles. En las texturas fibrosas se podrán encontrar marcas de playa (figura 3.50, inferior), y en menor medida marcas radiales o de río. Debido a estas características, a veces es difícil distinguir entre una fractura súbita y una por fatiga de bajo ciclaje.

Figura 3.52 Tipos de fracturas finales en fatiga

Nota. Fractura súbita frágil con textura granular (superior izquierda); fractura súbita dúctil con textura fibrosa (superior derecha); fractura súbita dúctil formando labio de corte con textura fibrosa (inferior). Se pueden tener zonas de crecimiento estable en servicio, pequeñas o grandes respecto a la zona de fractura final. Las flechas amarillas indican la dirección del agrietamiento.

Fuente: elaboración propia.

El tamaño relativo entre la zona de propagación estable de grieta y la zona de fractura final puede dar indicios sobre el nivel del esfuerzo experimentado respecto a la resistencia de la pieza, si se tiene certeza de que durante la propagación de grieta el nivel de carga se mantuvo aproximadamente igual. Una zona de propagación estable pequeña (figura 3.52, superior izquierda) sugiere que la carga de fatiga era muy elevada respecto a la resistencia de la pieza, ya que con pocos ciclos se generó fractura final, mientras que una zona de propagación estable grande (figura 3.52, superior derecha), sugiere un nivel de carga de fatiga baja. En este último caso surge una pregunta obvia: ¿si la carga de fatiga era baja, por qué se fatigó la pieza? La respuesta no es sencilla, pero es común encontrar que en los casos en que se presenta esta situación, ello se debe a que en la zona de inicio del agrietamiento había algún concentrador de esfuerzo severo o un daño mecánico previo. Esto facilita la nucleación del agrietamiento, y el rango de esfuerzos aplicado, aunque es bajo, es de todas maneras suficiente para propagar las grietas. Además de lo anterior, se debe tener presente que el tamaño relativo entre las dos zonas, no solo depende de la solicitación, sino también de la tenacidad de fractura de la pieza.

En la figura 3.53 se resume, a manera de ejemplo, para ejes sometidos a flexión unidireccional, la influencia que el nivel de esfuerzo y su concentrador tienen en: (a) el tamaño relativo entre la zona de propagación estable y la zona de fractura final; (b) el número de orígenes del agrietamiento y, por lo tanto, de marcas Ratchet. En esta figura también se ilustra que cerca de cada origen de grieta, las marcas de playa tienden a ser elípticas o circulares, y el origen se encuentra hacia la zona cóncava de la marca. Una vez las grietas se unen para formar un solo frente de grieta, este puede generar marcas de playa ya no tan cóncavas, rectas o incluso convexas; cerca de la zona de fractura final, las marcas de playa generadas pueden ahora ser convexas respecto a los orígenes, o lo mismo cóncavas respecto a la fractura final.

Figura 3.53 Influencia del rango de esfuerzos aplicados y el nivel de concentración de esfuerzos presente en el tamaño de la zona de propagación de grietas en servicio y el número de orígenes de fatiga para un eje sometido a flexión unidireccional

Fuente: elaboración propia.

Además de la posibilidad de tener varios orígenes de grieta en una superficie de fatiga, también es probable que se tengan varias grietas paralelas de fatiga, es decir, un agrietamiento múltiple (figura 3.54). Esto se favorece cuando se tiene un rango de esfuerzos aplicados alto y una zona amplia de la pieza sometida a este, es decir, no hay una zona especialmente cargada, sino varias (ausencia de concentradores de esfuerzo o presencia de varios que generan el mismo nivel de concentración).

Cuando no exista certeza de que el valor de la carga de fatiga se mantuvo constante durante el proceso de agrietamiento, no es tan fácil sacar conclusiones sobre el nivel de carga que experimentó la pieza, a partir del tamaño relativo de las zonas de propagación estable y de fractura final, ya que en muchos diseños mecánicos (por ejemplo, en puentes metálicos), es común que al agrietarse por fatiga un elemento estructural, otro denominado redundante asuma la carga que el agrietado está dejando de soportar, es decir, el elemento producto de su agrietamiento pierde carga. En este caso tendremos una zona de propagación estable grande y de fractura final pequeña, pero no por esto debemos asumir que la carga de fatiga era nominalmente baja, ya que de entrada sabemos que durante el origen del agrietamiento la carga era probablemente alta.

Figura 3.54 Agrietamiento múltiple de eje en fatiga bajo torsión (las grietas están resaltadas con partículas magnéticas)

Nota. Obsérvese el patrón en forma de “X” que tienen las grietas cerca de su origen.

Fuente: elaboración propia.

Dependiendo del tipo de material (dúctil o frágil), del tamaño y la geometría de la pieza, y del tamaño relativo de la zona de fractura final, se podrá encontrar una fractura final súbita frágil (figura 3.52, superior izquierda) o súbita dúctil (tipo fibrosa o tipo labio de corte) (figura 3.52, superior derecha e inferior).

La trayectoria de las grietas de fatiga durante su propagación es similar a la de las fracturas súbitas frágiles, donde en general se sigue una trayectoria perpendicular al máximo esfuerzo de tracción local generado por los diferentes modos de carga; sin embargo, existen dos particularidades: (a) para el caso de tracción, en piezas delgadas, materiales tenaces y altas velocidades de propagación (etapa III), o en fatiga de bajo ciclaje, se podrá tener una trayectoria de propagación a 45o respecto al normal máximo, donde dicha propagación se dará bajo la acción combinada de un esfuerzo normal y el cortante máximo; (b) para el caso de torsión, es posible que las grietas durante su nucleación y las fases iniciales del crecimiento (etapa I) sean colineales con el cortante máximo, haciendo transición posteriormente a la perpendicular al esfuerzo de tracción (figuras 3.55 y 3.56, ver también la figura 3.24). El caso (b) descrito en este párrafo se ve favorecido si hay, por ejemplo, inclusiones no metálicas orientadas con el cortante máximo, o si además del torsor hay esfuerzos de contacto superficial por deslizamiento.

Figura 3.55 Orientación de las superficies de fractura por fatiga en función del tipo de carga aplicada

Nota. (a) Tracción, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (b) tracción, trayectoria a 45o bajo combinación de esfuerzo normal y cortante; (c) flexión, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (d) torsión, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (e) torsión con trayectoria inicial longitudinal; (f) torsión con trayectoria inicial circunferencial. En los últimos dos casos el agrietamiento inicial sigue al cortante máximo y cuando gira a 45o sigue la perpendicular al normal máximo.

Fuente: elaboración propia.

En las fracturas por fatiga a torsión en las zonas de origen, se podrá encontrar: (a) un patrón de agrietamiento completamente orientado a 45o respecto al esfuerzo normal (figura 3.56, central izquierda); (b) un patrón de grietas en forma de “X” (figuras 3.54 y 3.56, central derecha), o (c) un patrón escalonado (figura 3.56, inferior).

Figura 3.56 Ejemplos de orientación de las superficies de fractura por fatiga, en función del tipo de carga aplicada

Nota. Orientación transversal en fractura por fatiga de tornillo sometido a tracción (superior izquierda); orientación transversal en fractura por fatiga de eje sometido a flexión unidireccional (superior derecha); orientación a 45o en fractura por corrosión fatiga de eje sometido a torsión (central izquierda); múltiple agrietamiento a 45o en eje cigüeñal fatigado a torsión (central derecha); aspecto escalonado de superficie de fatiga a torsión de cigüeñal, donde el origen del agrietamiento fue paralelo al eje (inferior). Las flechas amarillas indican la dirección de crecimiento del agrietamiento.

Fuente: elaboración propia.

Al inspeccionar a altos aumentos las superficies de fractura por fatiga de alto ciclaje de metales, con el estereoscopio o el MEB, y complementar dicha inspección con observación de secciones metalográficas transversales a las superficies de fractura, se podrá observar que, en general, el mecanismo de fatiga transgranular deja una superficie menos rugosa que la generada por la fatiga cristalográfica, y esta a su vez menos que la que dejan la fatiga por clivaje o desprendimiento intergranular cíclico (figura 3.57). Las superficies con mayor rugosidad se obtendrán en la fatiga de bajo ciclaje, donde predomine el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos (figura 3.58). Las estriaciones de fatiga se presentan especialmente en metales de alta ductilidad y son observables con MEB (figura 3.47, superior y central izquierdas); sin embargo, en algunos materiales frágiles también podrán aparecer. En sección metalográfica no es posible detectar las estriaciones.

Figura 3.57 Imágenes de MEB y metalográficas de fatiga intergranular, cristalográfica y transgranular

Nota. Fatiga intergranular cíclica en acero 5160 bonificado con 50 RC: aspecto en MEB de los granos (superior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (superior derecha). Fatiga cristalográfica en duraluminio 2014 T6: aspecto bajo observación en estereoscopio (central izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (central derecha); nótese que en cada grano las grietas de fatiga siguen una trayectoria diferente, lo que origina la textura mixta entre granular y tersa. Fatiga transgranular en acero 5160 bonificado con 40 RC: aspecto en MEB de la superficie de fractura (inferior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (inferior derecha); nótese que la trayectoria de grieta es bastante llana, ya que no se experimentan cambios importantes de dirección al pasar de un grano a otro. Nótese también el patrón radial que se forma en la superficie de fractura deformada, lo que permite conocer la dirección de crecimiento. Las flechas amarillas indican el sentido de propagación.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.58 Fatiga de bajo ciclaje de un acero 8620 bonificado con 27 RC, mediante el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos intragranulares

Nota. Aspecto en MEB (izquierda); aspecto en sección metalográfica (derecha). Las flechas amarillas indican el sentido de propagación.

Fuente: elaboración propia.

Bajo inspección con MEB de superficies de fatiga que contengan estriaciones, será posible estimar un valor del número total de ciclos transcurridos en la propagación, a partir del conteo de las estriaciones en diferentes zonas de la superficie de fractura (cerca de los orígenes, en zonas intermedias y cerca de la zona de fractura final); sin embargo, el valor obtenido es solo una estimación, ya que el espaciamiento entre estriaciones no es constante en toda la superficie de fractura, y habrá zonas donde no se hallen estriaciones o estén borradas por el frotamiento, y hay que tener en cuenta que es posible que una sola estriación se forme en varios ciclos de carga, es decir, no necesariamente siempre se cumple que una estriación equivale a un ciclo (especialmente a bajos niveles del rango de esfuerzos aplicados). De todas maneras, este conteo le servirá al analista para estimar al menos el orden de magnitud de los ciclos transcurridos en la etapa de propagación de las grietas.

En la fatiga de alto ciclaje durante la etapa II de propagación, en muchos de los metales predomina el mecanismo de fatiga transgranular, con lo cual en sección metalográfica las grietas tenderán a ser bastante rectas, es decir, poco afectadas por la microestructura (figura 3.59, izquierda); no obstante lo anterior, es posible que en la etapa I o en la etapa III de propagación se presenten otros mecanismos; en estas zonas se presentan trayectorias más quebradas, como el ejemplo mostrado en la figura 3.59 (derecha).

En la referencia [13] el lector encontrará una ampliación sobre los mecanismos y fractografía de las fracturas por fatiga.

Figura 3.59 Secciones metalográficas

Nota. Trayectoria de grieta aproximadamente recta por fatiga transgranular (en etapas I y II), en duraluminio 7075 T6 (izquierda); trayectoria zigzagueante por fatiga cristalográfica en etapa I de propagación y posterior trayectoria recta por fatiga transgranular en la etapa II, en un acero 5120 recocido.

Fuente: elaboración propia.