Édgar Espejo Mora - Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos

Cuando se presentan cargas excesivas de contacto entre dos cuerpos, se pueden generar esfuerzos hertzianos que sobrepasen la resistencia a la deformación plástica local por aplastamiento (σaplicado > σaplastamiento), lo cual desemboca en fallas por aplastamiento o indentación ( figura 2.15(d)). Bajo carga de flexión se pueden generar doblados por deformación plástica ( figura 2.15(e)) cuando el esfuerzo sobrepase el límite elástico a flexión (σaplicado > σE flexión), el cual es en general mayor que el límite elástico a tracción; si es un momento torsor el que sobrecarga la pieza, se tendrá deformación permanente por rotación ( figura 2.15(f)), una vez el esfuerzo cortante sobrepase el límite elástico cortante (τaplicado > τE). Bajo la acción directa de un esfuerzo cortante, se puede generar deformación plástica cizallante ( figura 2.15(g)) cuando el esfuerzo aplicado sobrepase el límite elástico cortante (τaplicado > τE).

Figura 2.15 Aspecto de piezas que experimentaron deformación plástica

Nota. a) Tornillo con alargamiento y acuellamiento producido por una carga de tracción, que sobrepasó su límite elástico; (b) tijera de tren de aterrizaje de aeronave que falló por pandeo, al disminuirse la resistencia del material a consecuencia de un incendio; (c) viga de una grúa que falló por pandeo de lámina en el lado de compresión, producto de una sobrecarga a flexión; (d) pista interior de rodamiento, la cual presentó indentación o falla por aplastamiento por parte de los elementos rodantes, producto de una sobrecarga radial. Las flechas rojas indican la dirección de aplicación de la carga y las negras las zonas deformadas.

Fuente: elaboración propia.

Para poder observar evidencias del mecanismo de deslizamiento que ocurre dentro de los cristales metálicos, se debe preparar metalográficamente una cara del material por analizar previo a la deformación plástica. Una vez deformada esta probeta, se observará con la ayuda del microscopio óptico o electrónico en el interior de los granos, una serie de líneas o bandas dependiendo de su ancho, las cuales se deben a diferencias de elevación en la superficie pulida de la probeta. Estas líneas o bandas de deslizamiento no son más que la unión de muchos escalones de deformación debidos a este mecanismo. Las líneas de deslizamiento cambiarán de orientación al pasar de un grano a otro. En la figura 2.16se puede observar el aspecto de las bandas de deslizamiento dentro de varios granos, cuando se observan al microscopio. Las líneas o bandas de deslizamiento no se observarán en probetas que se pulan y ataquen posteriormente a la deformación, ya que el pulimento elimina los escalones; luego, en piezas que hayan fallado por deformación plástica mediante deslizamiento este mecanismo solo se podrá evidenciar en el análisis de fallas, por encontrar los granos alargados en su conjunto, o evidencias del endurecimiento por deformación plástica, etcétera.

Figura 2.15 Aspecto de piezas que experimentaron deformación plástica (continuación)

Nota. (e) Tornillo con doblado producido por una sobrecarga a flexión; (f) eje con distorsión por rotación, debida a una sobrecarga a torsión; (g) platina con cizallamiento a partir de agujero, producido por una sobrecarga aplicada por el cuerpo de un tornillo. Las flechas rojas indican la dirección de aplicación de la carga y las negras las zonas deformadas.

Fuente: elaboración propia.

Figura 2.16 Esquema del aspecto de las líneas de deslizamiento en un metal policristalino

Nota. Preparado metalográficamente antes de deformarse plásticamente (izquierda); imagen de probeta de acero ASTM A36, que se sometió al procedimiento descrito bajo carga de tracción a temperatura ambiente, donde se pueden observar las líneas de deslizamiento, las cuales son paralelas en cada grano a las líneas rojas (derecha).

Fuente: elaboración propia.

El mecanismo de deformación plástica en metales por maclaje, contrariamente al deslizamiento, sí se puede observar en probetas pulidas y atacadas con posterioridad a la deformación, ya que la diferencia de orientación cristalográfica entre las zonas no deformadas y la zona maclada hace que los planos de macla sean revelados por el ataque químico. En la figura 2.17se muestra el aspecto que presentarían granos con maclas, al ser observados al microscopio óptico o electrónico.

Figura 2.17 Aspecto de granos con maclas

Nota. Esquema del aspecto metalográfico del maclaje en un metal policristalino (izquierda); imagen de probeta de acero ASTM A36, que se deformó plásticamente mediante carga de impacto, donde se pueden observar las maclas en cada grano (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Cuando se formen bandas de corte dentro de un metal, estas actuarán como zonas de inestabilidad plástica, ya que concentrarán la deformación en su interior. Ante inspección metalográfica se notará que dentro de la banda los granos estarán alargados, mientras que fuera de esta no mostrarán gran distorsión ( figura 2.18, superior izquierda). Si dentro de la banda de corte se genera en muy corto tiempo una gran cantidad de calor, se podrá tener transformación microestructural local; afinándose el tamaño de grano o formándose estructuras fuera de equilibrio de elevada dureza y fragilidad, en este caso se tiene una banda de corte adiabática ( figura 2.18, superior derecha). Si la pieza deformada no presenta zonas de inestabilidad plástica, sino que la deformación se da de manera homogénea en todo el volumen afectado (flujo plástico), se encontrará en inspección metalográfica que todos los granos se habrán alargado en la dirección de la deformación principal ( figura 2.18, inferior). Dentro de cada grano en el flujo plástico generalizado, se tendrá la participación del deslizamiento o el maclaje. Para que se note el alargamiento de los granos en sección metalográfica, se requieren altos porcentajes de deformación generalizados o localizados en la pieza, por ejemplo, mayores al 25 %. En el diseño mecánico es común que se use el esfuerzo de fluencia (σF) en lugar del límite elástico, como el criterio para el inicio de deformaciones plásticas, esto es debido a que este esfuerzo es más sencillo de determinar a partir de los ensayos de material, además los dos esfuerzos tienen valores muy cercanos entre sí.

Figura 2.18 Secciones metalográficas de probetas de acero AISI 1045 en estado recocido, que se sometieron a carga de impacto

Nota. Zona con banda de corte, donde la deformación se concentra en los granos ubicados en la banda (superior izquierda); zona con banda de corte adiabática, donde el calentamiento asociado con la deformación provocó transformación microestructural dentro de la banda, generándose martensita no revenida de grano fino (superior derecha); zona con flujo plástico generalizado, donde todos los granos se alargaron en la dirección de deformación (inferior). Las flechas rojas indican la dirección de los esfuerzos cortantes. Todas las secciones se encuentran atacadas con nital al 3 %.