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

Las marcas de interacción con ondas de deformación o marcas Wallner se forman cuando durante la propagación en una grieta inestable, interfieren con el frente de grieta ondas de deformación producidas por: (1) el propio fenómeno de agrietamiento, que al reflejarse contra superficies libres retornan al área de grieta, o (2) por cargas aplicadas a alta velocidad (impactos). Estas ondas al interferir con el frente de grieta, hacen que esta se propague, generando con ello pequeñas oscilaciones a cada lado de la dirección principal, dejando marcas que son muy parecidas en su forma a las de playa o de costilla ( figura 3.6, inferior izquierda). Estas marcas es común encontrarlas en fracturas súbitas frágiles por clivaje, de materiales poliméricos o cerámicos amorfos. Las marcas por su forma pueden llegar a confundirse con marcas de posición del frente de grieta, sin embargo, en general estas marcas no coinciden con la posición de todo el frente de grieta en un instante de tiempo, solo lo hacen si se forman cuando todo el frente de grieta es alcanzado por un máximo de una onda de deformación al mismo tiempo. No obstante lo anterior, es posible localizar la zona de origen del agrietamiento, ya que esta se encontrará siguiendo la dirección del lado cóncavo de las marcas ( figura 3.4, marcas verdes).

Las marcas de cambio de material se forman cuando en la propagación de las grietas dentro de una pieza continua, estas pasan, por ejemplo, de una zona de alta dureza a una de baja o viceversa, o cuando hay un cambio efectivo de composición química del material. Lo anterior es común que se dé en piezas con tratamientos superficiales, depósitos o zonas soldadas. En un material metálico como regla general se notará que la textura de la superficie de grieta será más rugosa en las zonas de baja dureza que en las de alta dureza, ello debido a que las zonas de baja dureza podrán tener mayor participación de mecanismos de fractura dúctiles (formación de microvacíos), los cuales, por el flujo plástico asociado, dejan una superficie más distorsionada que en las zonas de alta dureza, donde podrán predominar mecanismos de fractura frágil (clivaje o intergranular) ( figura 3.6, inferior derecha).

Cuando se hace la inspección visual a ojo desnudo, con lupas o estereoscopio de las superficies de fractura, se debe poner atención además de las marcas presentes en estas, a la textura que en general se encuentra en dicha superficie (entre las marcas). La textura hace referencia al aspecto visual que tiene una superficie y que es consecuencia de su topografía (rugosidad).

Figura 3.7 Texturas típicas de las superficies de fractura súbitas en materiales

Nota. Textura granular por fractura frágil de metal (superior izquierda); textura fibrosa por fractura dúctil de metal (superior derecha); textura tersa por fractura dúctil a desgarre de metal (inferior izquierda); textura plana por fractura frágil por clivaje de acrílico (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Las fracturas súbitas en los materiales generalmente presentan cuatro tipos de texturas: (1) la granular, (2) la fibrosa, (3) la tersa o (4) la plana ( figura 3.7). La textura granular recibe su nombre debido a que muestra un aspecto similar al de granos de arena y tiende a ser brillante en metales; la textura fibrosa es en general más opaca (en metales) y rugosa que la granular, y recibe su nombre porque recuerda la textura de la madera fracturada; la textura tersa es poco rugosa y en metales puede llegar a ser brillante (en este caso producto del frotamiento entre las superficies de fractura, figura 3.33, fotos derechas); y la textura plana es la que en inspección visual se aproxima más al concepto de planitud. Las fracturas progresivas muestran las mismas cuatro texturas mencionadas, solo que en general tienden a ser más opacas y pueden estar cubiertas de residuos, los cuales algunas veces deben ser retirados primero para poder observar la textura con claridad ( figura 3.8).

Figura 3.8 Texturas típicas de las superficies de fractura progresivas en materiales

Nota. Textura tersa de metal fatigado a alto ciclaje (superior izquierda); textura fibrosa de metal fatigado a bajo ciclaje (superior derecha); textura granular de ZAC de acero soldado, producto del agrietamiento por hidrógeno (inferior izquierda); textura plana de PVC con agrietamiento inducido por el ambiente, debido a plastificación por adsorción de un solvente orgánico (inferior derecha). En todos estos casos las superficies fueron limpiadas para retirar residuos orgánicos y productos de la corrosión.

Fuente: elaboración propia.

La textura granular de las fracturas se forma en materiales policristalinos, tengan o no la capacidad de presentar deformación plástica, aunque se hace más notoria esta textura si se tiene un comportamiento frágil. Las texturas fibrosa y tersa están íntimamente relacionadas con la capacidad de deformación plástica del material, pudiendo ser este cristalino o no. La textura plana se presenta en materiales amorfos que tengan poca capacidad de deformación plástica.

Por lo anterior, en las fracturas las texturas granular, fibrosa y tersa serán comunes en metales, ya que su estructura típicamente policristalina hace que en fracturas frágiles las grietas revelen una textura granular, y debido a su capacidad de deformación plástica se favorece la formación de las texturas fibrosa y tersa en las fracturas dúctiles. Los cerámicos, al tener un comportamiento eminentemente frágil, favorecen la formación en sus fracturas de la textura granular (si son cristalinos) y la plana (si son amorfos), y en polímeros, al no tenerse la estructura cristalina y en algunos casos poseerse la capacidad de deformación plástica, es común que se encuentren las texturas fibrosa, tersa y plana.

Las trayectorias de propagación de las grietas dentro de los materiales cristalinos están fuertemente influenciadas por la estructura granular (tamaño, forma y orientación de los granos), teniéndose por tanto dos tipos principales de trayectoria de las grietas a nivel microscópico: (1) trayectoria intergranular, cuando las grietas se propagan siguiendo los límites de grano del material, y (2) trayectoria transgranular, cuando las grietas se propagan atravesando los granos ( figura 3.9). Las texturas granulares de las superficies de fractura pueden formarse a partir de trayectorias de propagación de las grietas tanto inter como transgranulares. Las texturas fibrosa y tersa típicamente se forman a partir de trayectorias de propagación de grietas transgranulares.

Figura 3.9 Secciones metalográficas transversales a grietas

Nota. Acero AISI 4140 bonificado que muestra agrietamiento intergranular por hidrógeno, en una zona afectada por el calor de una junta soldada, donde la grieta sigue los límites de grano de la austenita original (izquierda); misma pieza con agrietamiento transgranular por fatiga, que nucleó a partir del agrietamiento intergranular inicial (derecha).

Fuente: elaboración propia.

El que se presente una trayectoria de grieta inter o transgranular lo condiciona el hecho de que las grietas se propagan por las zonas más débiles de un material, siendo estas en algunos casos los límites de grano (genera trayectoria intergranular) y, en otros, el interior de los granos (genera trayectoria transgranular). El área desarrollada de la superficie de una grieta intergranular es en general mayor que el área de una transgranular (para el mismo material), sin embargo, ello no implica que la energía consumida en el agrietamiento (tenacidad) sea también mayor, lo cual se debe a que en general las trayectorias transgranulares están asociadas también a un alto trabajo de deformación plástica previa al paso de la grieta, mientras que en el agrietamiento intergranular, por lo común, el trabajo de deformación plástica es mucho menor.