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

Nota. Formación de microvacíos en límites de grano, producto del deslizamiento intergranular (superior izquierda); detalle de la globulización del carburo de hierro por la alta temperatura, en el mismo tubo de la imagen anterior (superior derecha); detalle de una zona del tubo anterior, donde los microvacíos están coalesciendo para formar grietas perpendiculares al esfuerzo principal de tracción (inferior); las flechas azules indican la orientación de dicho esfuerzo. Ataques químicos realizados con nital al 3 %.

Fuente: elaboración propia.

[ 1] ASM International, ASM Handbook, Vol. 11, 4th printing 2007, ASM International, Materials Park-Ohio. p. 1045-1057.

[ 2] Meyers, M. and Chawla, K. Mechanical Behavior of Materials, 1st Ed. 2009, Cambridge University Press, Cambridge-UK, Chapter 2: Elasticity and Viscoelasticity.

[ 3] Harris, M. And Piersol, G. Harris’ Shock and Vibration Handbook, 5th Ed. 2002, McGraw-Hill, New York, Chapter 2: Basic Vibration Theory.

[ 4] Dieter, G. Mechanical Metallurgy, SI Metric Ed. 1988, McGraw-Hill, Singapure. pp. 114-117.

[ 5] Ibid., p. 133.

[ 6] Ibid., Chapters 3 (Elements of the Theory of Plasticity), 4 (Plastic Deformation of Single Crystals), 5 (Dislocation Theory) and 6 (Strengthening Mechanisms).

[ 7] Hertzberg, R., Vinci, R. and Hertzberg, J. Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, 5th Ed. 2012, Wiley. Chapters 2 (Yielding and Plastic Flow) and 3 (Controlling Strenght).

[ 8] Wenbing, H. Polymer Physics, 1st Ed. 2013, Springer Verlag. Chapter 6: Polymer Deformation.

[ 9] ASM International, op. cit., p. 729.

[ 10] Dieter, G., op. cit., Chapter 13: Creep and Stress Rupture.

[ 11] Meyers M. and Chawla K., op. cit., Chapter 13: Creep and Superplasticity.

Las fallas por fractura son una familia de modos de falla, en los cuales un elemento mecánico se disgrega en dos o más fragmentos, lo cual ocurre como consecuencia de la generación y posterior propagación de grietas en la pieza bajo la acción de las cargas que experimenta. Todas las fallas de este tipo constan de las siguientes etapas: (1) nucleación de una o varias grietas, (2) propagación de la grieta o las grietas y (3) fractura del elemento. La etapa (1) y el inicio de la etapa (2) se enmarcan dentro de la fase latente de estos modos de falla, mientras que la mayoría de la etapa (2) y la etapa (3) corresponden a la fase manifiesta. Cuando estos modos de falla se encuentran en etapa (2) hablamos de agrietamiento y cuando alcanzan la etapa (3) hablamos de fractura. Si el modo de falla es detectado en la etapa (2), se trata generalmente de una falla no catastrófica, pero cuando alcanza la etapa (3), la anulación de la operatividad del elemento por la fragmentación implica una falla catastrófica.

Si las tres etapas generales de evolución de una falla por fractura ocurren en un lapso tan corto como un ciclo de trabajo de la máquina (un ciclo de carga), lo cual equivale a decir que las grietas se propagan a una velocidad tan alta como 0,2 a 0,4 de la velocidad del sonido en el material [1], u otras veces más lento, tomando segundos o minutos (10–3 - 10–1 m/s), ahí hablamos de una fractura súbita. Ese tipo de crecimiento de grietas a alta velocidad lo llamamos crecimiento inestable de grieta. Cuando las etapas (1) y (2) de una falla por fractura se dan durante muchos ciclos de carga de la pieza o un largo periodo de trabajo de esta, lo que implica velocidades de propagación de grietas tan bajas como por ejemplo 1 mm/mes o 1 mm/día, allí tenemos una fractura progresiva. Debido a la velocidad de propagación tan lenta de las grietas en las fracturas progresivas, es posible detectar y monitorear su crecimiento en servicio con el equipo apropiado y el personal entrenado para ello, de tal manera que se puede realizar una parada de mantenimiento programada que permita corregir el problema antes que se produzca la fractura o falla catastrófica, lo cual no es posible hacer en las fracturas súbitas. El crecimiento lento de las grietas en las fracturas progresivas se conoce como crecimiento estable de grieta.

La fractografía o análisis de piezas fracturadas es una disciplina de la ciencia de los materiales, en la cual se estudian los aspectos topográficos característicos que cada modo de falla por fractura deja en las superficies de fractura formadas. A partir de este conocimiento y de la observación de la superficie de fractura de una pieza fallada, es posible inferir el modo de falla que la formó. Cuando se habla de observar una superficie de fractura de una pieza fallada, se hace referencia a la inspección visual a ojo desnudo, con ayuda de lupas, con ayuda de un estereoscopio o con ayuda de un microscopio electrónico de barrido; además, se incluye la observación metalográfica, plastográfica o ceramográfica transversal a la superficie de fractura, de tal modo que se pueda observar la trayectoria y topografía dejada por las grietas, además de su relación con la microestructura. Dentro del estudio fractográfico también es importante observar la presencia o ausencia de deformación plástica alrededor de las zonas de fractura de las piezas, y relacionar todo lo observado con el tipo de cargas que se experimentaron, el medio de trabajo en el cual se operó y la temperatura de operación, entre otras variables. Se recomienda realizar la lectura [2] sobre la mecánica de la fractura; la lectura [3] sobre el diseño mecánico; la lectura [4] sobre plasticidad, dislocaciones y mecanismos de endurecimiento de metales, y la lectura [5] sobre fundamentos de la corrosión, esto para refrescar conceptos básicos que se necesitarán a lo largo de la lectura del capítulo.

A partir de la clasificación básica entre fracturas súbitas y progresivas, se puede agrupar la mayoría de los modos de falla por fractura más comunes en metales, de la manera en que se muestra en la figura 3.1, donde las fracturas súbitas se clasifican de acuerdo a si predomina un comportamiento frágil o dúctil en el proceso de falla, o si es mixto entre los dos; las fracturas progresivas se dividen de acuerdo a si son los ciclos de carga los principales responsables de la nucleación y propagación de las grietas, o si lo es el paso del tiempo, o si son mixtas (dependientes de los ciclos de carga y del tiempo).

En las fracturas por fatiga los ciclos de carga son los responsables de la nucleación y el crecimiento de las grietas (en este caso se habla de fatiga mecánica), si además un medio corrosivo ayuda a esa nucleación y/o crecimiento, se habla de corrosión fatiga. Se habla de fatiga térmica o corrosión fatiga térmica, si los ciclos de carga son consecuencia de cambios cíclicos de temperatura (ciclos de dilatación y contracción restringidos por apoyos). En la fluencia lenta se da una deformación plástica y finalmente un agrietamiento progresivo en el tiempo, el cual es activado por una alta temperatura bajo carga para el material que lo experimenta (ver numeral 2.2.4), mientras que en los fenómenos de fragilización el agrietamiento es asistido por un proceso difusivo de elementos químicos fragilizantes dentro del material cargado, donde dichos elementos pueden estar presentes en su composición química o ser aportados por el medio ambiente. En el agrietamiento por corrosión esfuerzo este se genera por la acción de un medio corrosivo en un material que está sometido a un cierto nivel de esfuerzo, sin que haya ciclos de carga (para diferenciarse de la corrosión fatiga). La fatiga termomecánica es un proceso de deformación y agrietamiento donde cooperan la fluencia lenta y la fatiga (mecánica y/o térmica), siendo común que además se tenga cooperación de la corrosión (oxidación a alta temperatura).