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

A la escala de las dimensiones de una pieza mecánica, es común que se hable de fracturas con presencia de deformación plástica o distorsión visible de la pieza, y fracturas sin ella ( figura 3.10). Tanto las fracturas súbitas como las progresivas pueden presentar deformación plástica visible a simple vista antes de la fractura. Dicha deformación se presenta comúnmente en fracturas súbitas dúctiles, por fatiga de bajo ciclaje, por fluencia lenta y por fatiga termomecánica.

Figura 3.10 Fracturas con y sin deformación de pieza

Nota: espárrago que presentó fractura súbita dúctil a tensión, obsérvese el acuellamiento por deformación plástica que experimentó antes de la fractura (izquierda); elemento estructural aeronáutico con fracturas por fatiga de alto ciclaje, donde no hay deformación visible de ninguno de los fragmentos. Nótese que si las piezas se unen completamente la geometría del elemento se aproxima bastante a la original (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Una pieza hecha en un determinado material, generalmente muestra un mayor grado de deformación plástica previa a la fractura, si esta es de tipo súbita, que si la misma pieza falla por varias de las fracturas progresivas. Por esta razón, es común que muchas de las fracturas progresivas tengan o hayan tenido en el pasado nombres relacionados con el término fragilización, ya que este da a entender que el material está mostrando un comportamiento más frágil del que se esperaría. Hoy en día este término se conserva para aquellas fracturas progresivas que efectivamente por procesos difusivos, de segregación o precipitación de partículas de segunda fase, están generando merma en la ductilidad del material, y, por tanto, favoreciendo un agrietamiento intergranular, y el término ya no se usa para fallas relacionadas con fatiga, fluencia lenta o agrietamiento por cooperación entre carga y medio corrosivo.

Estas fracturas se forman en un solo ciclo de carga de una pieza y las solicitaciones que las originan son completamente mecánicas, es decir, se forman bajo la acción pura de los esfuerzos. Las velocidades de crecimiento de grieta son grandes: 6 m/s (dúctiles) a 103 m/s (frágiles) [6]. Si la carga se aplica lentamente, de manera que se dé tiempo al material para responder con deformación, se habla de carga cuasiestática, pero si la carga se aplica rápidamente, la capacidad de deformación queda restringida y se habla de una carga del tipo impacto ( figura 3.11).

Figura 3.11 Tipos de esfuerzo que originan fracturas súbitas versus tiempo

Fuente: elaboración propia.

Para que se forme una fractura súbita, el esfuerzo aplicado debe superar la resistencia última del elemento al modo de carga que actúa en este (tracción, compresión, cortante, flexión o torsión). Por ello, a estos modos de fractura se les suele llamar fracturas por sobrecarga. Dicha resistencia depende de la geometría del elemento, pero es aún más dependiente de la resistencia del material, la cual se puede obtener a partir de un ensayo normalizado como el de tracción. Por lo anterior, una fractura súbita se considera que se forma si el esfuerzo equivalente real aplicado a un elemento mecánico (σ aplicado) se hace tan grande que iguala la resistencia real a tracción del material (σU).

Estas fracturas se dividen en las súbitas frágiles, las súbitas dúctiles y las súbitas mixtas. Los factores principales que inciden en la formación de un tipo de fractura o de otro son, a saber: la naturaleza súbita o dúctil del material, el estado de esfuerzos (tipo de carga y si se tiene estado de deformación plana o de esfuerzo plano), el tamaño de la pieza, la temperatura y la velocidad de aplicación de la carga. Hay que recordar que el juzgar si una pieza es grande o pequeña, o si la temperatura de trabajo o la velocidad de aplicación de la carga es alta o baja, depende del material del cual esté construida la pieza analizada; por ejemplo, una temperatura de trabajo de 200 oC no es alta para un acero maraging, pero sí lo es para un duraluminio 2024 T6. Además de las fracturas frágiles, dúctiles y mixtas, también se pueden incluir dentro del grupo de las fracturas súbitas, aquellas producidas por mecanismos progresivos, que por su elevada velocidad de propagación se puedan considerar súbitas. Es el caso de algunos agrietamientos debido a la fragilización por contacto con metales en estado líquido (numeral 3.13), donde si la velocidad de agrietamiento es muy elevada (0,1-1 m/s) [7], se suele hablar de fracturas súbitas cuasifrágiles, para diferenciarlas de las fracturas súbitas frágiles, donde las velocidades de propagación son del orden de 103 m/s.

El clivaje es un mecanismo de fractura súbita frágil que consiste, idealmente, en la escisión, separación o descohesión (ruptura de enlaces químicos) de la pieza a lo largo de un plano que es normal a la dirección del máximo esfuerzo normal local, donde además la deformación plástica que precede a la fractura es inexistente. En los materiales reales, sin embargo, se presentan desviaciones de esta idealización, ya que la superficie de fractura no es perfectamente plana, hay deformación a pequeña escala que precede a la fractura y puede que no siempre se siga la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal, como se describe en los siguientes párrafos.

Un cristal como el que se presenta en los metales o cerámicos no amorfos, muestra anisotropía en la resistencia al clivaje, ya que hay direcciones dentro de un cristal que son de menor resistencia que otras, y esas direcciones cristalinas de menor resistencia son diferentes para cada sistema cristalino (CCC, CC, HC u otro). Por lo anterior, en un material policristalino cuando se presente el clivaje, cada grano fracturará en un plano de menor resistencia, cuya orientación será distinta de un grano a otro, sin embargo, a escala macroscópica, se podrá ver que en promedio el plano de fractura seguirá la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal ( figura 3.12, izquierda y central); esto origina la formación de una textura granular cuando se observa una superficie de fractura de este tipo.

Los sistemas cristalinos de metales que tengan un alto número de sistemas de deslizamiento bien distribuidos en el espacio, como es el caso de la estructura CCC, difícilmente presentan clivaje, es decir, favorecen el deslizamiento y, por lo tanto, el comportamiento dúctil. Entre menos sistemas de deslizamiento posea una estructura cristalina, se favorece más la aparición del clivaje, lo cual ocurre en metales CC y HC.

Figura 3.12 Fractura súbita frágil

Nota. Esquema de la sección metalográfica de un material policristalino (izquierda); fractura súbita frágil por clivaje, donde cada grano cliva en una dirección diferente. Obsérvese que la dirección global de la fractura es perpendicular al esfuerzo normal máximo (centro); fractura súbita frágil intergranular, donde la grieta bordea los granos, en este caso también la dirección global de la grieta es perpendicular al máximo esfuerzo normal (derecha).