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

Al comparar la figura 3.16(superior izquierda), con la figura 3.13(izquierda), se puede notar en esta última que la zona alrededor de la flecha azul sería la región espejo y alrededor de ella está la zona Hackle. Así, la textura, las marcas y las regiones que hay en un grano metálico o cerámico clivado, son en esencia las mismas de un material amorfo clivado.

Figura 3.16 Superficie de fractura de lámina de vidrio impactada

Nota. Zona de inicio de fractura donde es posible observar la región espejo, la de niebla y la Hackle (superior izquierda); detalle de una región Hackle en la misma pieza, donde hay una alta rugosidad, producto de la alta densidad de marcas radiales y de río. Nótese que las marcas tratan de formar el patrón de Chevron (superior derecha); detalle de otra zona Hackle menos rugosa, donde se ven las marcas de río y marcas Wallner, que en este caso también son marcas de posición del frente de grieta (inferior). Las flechas rojas indican la dirección de propagación.

Fuente: elaboración propia.

En materiales compuestos, ya que hay varios materiales metálicos, cerámicos o poliméricos mezclados, y en diferentes arquitecturas (matriz-partícula, matriz-fibra, multicapas, etcétera), se complica el estudio de los diferentes modos de fractura; sin embargo, en el caso del clivaje, este se presentará en los agregados o matriz intrínsecamente frágiles, y en el caso particular de la arquitectura multicapa, es posible que el plano de clivaje no siga necesariamente el plano de máximo esfuerzo normal de la pieza, sino un plano interlaminar donde el esfuerzo normal local es lo suficientemente alto, como para provocar el clivaje de un adhesivo o una matriz.

Fracturas súbitas donde se combina el clivaje con otros mecanismos (por ejemplo, con la formación de microvacíos) o fracturas progresivas donde se forman facetas similares a las del clivaje súbito, pero que difieren en morfología o planos cristalinos de propagación, se denominan cuasiclivaje.

Este es un mecanismo de fractura súbita frágil que se presenta en materiales policristalinos, donde la descohesión del material sigue los límites de grano. Lo anterior origina una textura granular en la superficie de fractura, la cual a escala macro sigue la dirección perpendicular al esfuerzo máximo local de tracción ( figura 3.12, derecha). Así, la diferencia entre la fractura frágil intergranular y la de clivaje está en que la primera sigue los límites de grano y la segunda los planos de clivaje.

En los metales se presenta una temperatura crítica conocida como temperatura equicohesiva, en la cual la resistencia mecánica de los límites de grano y la interna de los granos es aproximadamente igual; dicha temperatura se ubica aproximadamente en 0,4 de la temperatura de fusión absoluta de cada metal. Por debajo de dicha temperatura, los materiales de este tipo tienden a presentar una mayor resistencia en los límites de grano versus la que tienen en el interior de los granos, debido a que estas barreras presentan mayor resistencia a fluir, por que bloquean el movimiento de las dislocaciones, que es relativamente libre en el interior de los granos. Por lo anterior, cuando un metal policristalino exhibe una fractura súbita frágil intergranular, por debajo de la temperatura equicohesiva, se considera anormal, y, por lo tanto, es probable que esté asociada con algún fenómeno de fragilización. En materiales metálicos policristalinos correctamente procesados y en un ambiente benigno, en general no ocurre la fractura súbita intergranular (a temperatura ambiente).

Los límites de grano son zonas de alta densidad de imperfecciones cristalinas (vacancias y dislocaciones), de alta difusividad de elementos químicos, de alta velocidad de nucleación y crecimiento de nuevas fases y de alta absorbancia de elementos químicos desde el medio que rodea una pieza, lo cual facilita algunos procesos que pueden hacer que por debajo de la temperatura equicohesiva, los límites de grano muestren una menor resistencia que la del clivaje de los granos. Dentro de tales procesos se encuentran: (1) segregación de elementos químicos fragilizantes hacia los límites de grano durante la fabricación (proceso de fabricación, tratamiento térmico, soldadura, etcétera) o durante la operación; (2) precipitación durante la fabricación o la operación, de partículas o capas de materiales de segunda fase frágiles en límites grano; (3) generación de gradientes de composición química cerca de los límites de grano durante la fabricación o la operación (segregación); (4) clivaje de partículas frágiles de segunda fase en límite grano; (5) difusión de elementos químicos fragilizantes desde el medio ambiente, a través de los límites de grano; (6) presencia de un tamaño de grano grueso, lo cual favorece la ocurrencia de la fractura intergranular sobre el clivaje. Cuando los procesos de fragilización de los límites de grano se desarrollan en servicio, hacen parte de los mecanismos denominados de degradación microestructural en servicio.

En aceros algunos de los procesos fragilizantes más conocidos son: (1) segregación en ciclos de tratamiento térmico o termoquímico hacia límites de grano de la austenita original, de elementos químicos fragilizantes de los grupos IV a VI de la tabla periódica, tales como el silicio, el germanio, el estaño, el fósforo, el arsénico, el antimonio, el azufre, el selenio y el telurio; (2) formación de carburos discontinuos o continuos en límite de grano de la austenita original, en aceros bonificados o recocidos de alto carbono; (3) formación de películas de carburo en límites de grano, por divorcio eutectoide en aceros de bajo carbono; (4) formación de nitruros en límites de grano de la austenita original de aceros nitrurados; (5) formación de AlN en límites de grano de la austenita original, cuando se enfrían lentamente desde 1300 oC o desde fusión; (6) sensibilización de aceros inoxidables austeníticos por precipitación de carburos de cromo en límites de grano; (7) fragilización de aceros maraging por precipitación en límites de grano de la austenita original, de carburos o carbonitruros de titanio, cuando se calientan por encima de 1095 oC y se enfrían lentamente; (8) precipitación de sulfuro de manganeso en límites de grano, por sobrecalentamiento durante trabajo en caliente o soldadura (entre 1200 y 1300 oC); (9) fragilización por difusión en límites de grano de la austenita original, de elementos como el mercurio, el galio, el cadmio, el zinc, el indio y el litio, cuando están en estado líquido y en contacto con el acero (fragilización por metales en estado líquido o sólido); (10) fragilización por difusión o ataque con hidrógeno; (11) corrosión previa intergranular.

Otros ejemplos de procesos de fragilización en otras aleaciones son: (1) fragilización en molibdeno por difusión en límites de grano de oxígeno, nitrógeno o carbono; (2) fragilización de aleaciones de cobre por segregación hacia límites de grano de antimonio o por precipitación de partículas de óxido de cobre; (3) fragilización por difusión y/o ataque del hidrógeno en la mayoría de aleaciones metálicas; (4) formación de zonas libres de precipitado (ZLP), cerca de los límites de grano, durante procedimientos erróneos de envejecimiento.

El inicio de la descohesión intergranular en metales que han sufrido alguno de los procesos de fragilización antes descritos, puede darse, entre otros, a través de los siguientes fenómenos: (1) descohesión o ruptura a tracción de enlaces entre átomos ubicados en límites de grano; (2) movimiento de dislocaciones en corte entre granos adyacentes, que finalmente generan descohesión intergranular; (3) por difusión de los átomos fragilizantes a zonas que bajan la resistencia local y promueven la descohesión intergranular ( figura 3.17). El apilamiento de dislocaciones contra límites de grano, o el clivaje previo de partículas de segunda fase ubicadas en límite de grano ( figura 3.14, imágenes a la izquierda), también son sitios de inicio de la descohesión intergranular. Estos y otros procesos relacionados involucran un grado de deformación plástica aún menor que el del clivaje; por ello, la tenacidad asociada a este mecanismo de fractura es en general menor que la del clivaje.