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

Figura 3.1 Clasificación general de los modos de falla por fractura más comunes en metales, de acuerdo con su naturaleza súbita o progresiva

Fuente: elaboración propia.

Los mismos modos de fractura básicos mencionados se pueden reclasificar, de acuerdo con la principal fuente activadora de la nucleación y el crecimiento de las grietas, como fracturas mecánicas, cuando es solo la solicitación por esfuerzo la responsable del proceso de falla; fracturas asistidas por el ambiente (sinergia corrosión fractura), cuando además del esfuerzo se presenta una acción química por parte del medio ambiente que rodea a la pieza; fracturas asistidas por la temperatura, cuando la generación del esfuerzo y/o del agrietamiento es consecuencia de cambios de temperatura y/o de mecanismos de deformación activados a altas temperaturas; y fracturas mixtas, cuando se den combinaciones entre las anteriores ( figura 3.2).

Figura 3.2 Clasificación general de los modos de falla por fractura más comunes en metales

Nota. Efectuada de acuerdo con su origen: mecánicas, asistidas por el ambiente, asistidas por la temperatura o mixtas.

Fuente: elaboración propia.

En las superficies de fractura de los elementos mecánicos se pueden formar cuatro tipos principales de marcas: (1) marcas de dirección de propagación, (2) marcas de posición del frente de grieta, (3) marcas de interacción con ondas de deformación y (4) marcas de cambio de material — figuras 3.3, 3.4y 3.6(inferior derecha)—.

Las marcas de dirección de propagación, como su nombre lo indica, están alineadas con la dirección local de crecimiento de grieta en una superficie de fractura. Dentro de estas marcas se encuentran las radiales, las de diente de sierra o Ratchet y las de río ( figura 3.4, marcas negras). Todas estas marcas tienen en común que a través de ellas se separan dos o más superficies de grieta que están a diferente nivel ( figura 3.5, superior izquierda).

Figura 3.3 Clasificación general de las marcas que comúnmente se presentan en las superficies de fractura de los elementos mecánicos

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.4 Marcas que comúnmente se presentan en las superficies de fractura de los elementos mecánicos

Fuente: elaboración propia.

Las marcas Ratchet se forman en las zonas de origen de las fracturas, separando cada marca a dos grietas independientes adyacentes, lo cual origina la geometría de diente de sierra que las caracteriza. Mientras las grietas iniciales se propaguen en planos diferentes, las marcas Ratchet persistirán, pero una vez estas grietas se unan para formar un solo frente común de propagación la marca desaparecerá ( figura 3.5, superior derecha).

Las marcas radiales y las marcas de río se forman sobre la superficie de fractura en las zonas de propagación. Las marcas de río obtienen su nombre a partir de la forma que tienen, la cual asemeja el cauce de un río, en donde el sentido de propagación de las grietas se orienta con la misma lógica del movimiento de una corriente de agua de este tipo ( figura 3.5, fotos inferiores).

Figura 3.5 Marcas de fractura

Nota. Imagen de MEB de una superficie de fractura súbita frágil de un metal con varias marcas radiales, donde se pueden notar las diferencias de altura en la superficie que hay a lado y lado de cada marca radial (superior izquierda). Marcas Ratchet en la zona de origen de una fractura por fatiga de un metal, que se originó a partir de tres grietas independientes; nótese que una de las marcas desaparece cuando dos de las grietas originales se unen en el punto indicado por la flecha verde (superior derecha); marcas radiales en superficie de fractura súbita frágil de un metal (inferior izquierda); marcas de río en una superficie de fractura súbita frágil de una lámina de acrílico (inferior derecha). Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las fracturas.

Fuente: elaboración propia.

La formación de las marcas de río y las radiales, en una superficie de fractura, indica que en la propagación de la grieta se produce una división de esta en dos planos (marca radial) o en varios planos (marca de río), como consecuencia de heterogeneidades locales del material, alta velocidad de propagación de la grieta, cambio de estado de esfuerzos presente, etcétera. Si los planos de grieta divididos vuelven a converger las marcas desaparecerán.

Es posible al inspeccionar una superficie de fractura, establecer con buena precisión su dirección y sentido de propagación (y por lo tanto, los orígenes), a partir de las marcas Ratchet y las marcas de río, mientras que a partir de las marcas radiales solo se establece la dirección, mas no necesariamente el sentido, especialmente cuando las marcas radiales presentan patrón paralelo. En este último caso se requiere información adicional como tipo de carga que experimentó el elemento; por ejemplo, a partir de una carga flectora se puede inferir que la fractura debe originarse en el lado de tensión para un metal. Hay dos tipos de patrones de marcas radiales o de río que permiten establecer el sentido de propagación, además de la dirección: el patrón de Chevron o de “V” de sargento (marcas de Chevron) y el patrón de roseta o estrella; ambos patrones de marcas radiales o de río son comunes en fracturas súbitas frágiles y apuntan o convergen hacia las zonas de origen del agrietamiento ( figura 3.19, fotos inferiores).

Figura 3.6 Diferentes tipos de marca

Nota. Marcas de playa o costilla en una superficie de crecimiento de grieta por fatiga de un acero (superior izquierda); imagen MEB de estriaciones presentes en una superficie de fatiga de un duraluminio (superior derecha); marcas Wallner en una superficie de fractura súbita frágil de una lámina de acrílico (inferior izquierda); marca de cambio de material presente entre la capa de temple superficial y el núcleo, de un eje de acero que experimentó una fractura súbita frágil a torsión (inferior derecha). Las flechas azules indican la dirección de propagación de las fracturas.

Fuente: elaboración propia.

Las marcas de posición del frente grieta cuando se forman, indican la ubicación que en su momento tenía la cabeza de una grieta; por lo tanto, son perpendiculares a la dirección local de crecimiento y a las marcas de dirección de propagación. A este grupo pertenecen las marcas de costilla o de playa y las estriaciones. Las marcas de playa o de costilla reciben este nombre debido a su forma y se originan por cambios en la velocidad de crecimiento de la grieta, cambios en el estado de esfuerzos, por acción del medio ambiente en la cabeza de la grieta, etcétera ( figura 3.4, marcas rojas, y figura 3.6, superior izquierda). Cuando estas marcas se forman en un periodo en que la grieta no avanza, se conocen como marcas de detención. Las estriaciones son marcas que se forman con cada ciclo de crecimiento de una grieta, y, por ende, tienen espaciamiento entre ellas del orden de los micrómetros, o aún menores, lo cual solo permite que se puedan observar por una técnica como la microscopia electrónica de barrido (MEB) ( figura 3.4, marcas azules, y figura 3.6, superior derecha).