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

Figura 3.17 Ejemplos de iniciación de la descohesión intergranular (microgrietas o microvacíos)

Nota. Descohesión de granos bajo la acción directa del esfuerzo normal aplicado (superior); descohesión en límite de grano por deslizamientos internos de los granos (inferior izquierda); descohesión en límite de grano por difusión de átomos fragilizantes (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Con lo anterior, el mecanismo del agrietamiento intergranular, que se puede dar en materiales metálicos policristalinos, se resume en: (1) fragilización de los límites de grano del material, a través de alguno de los procesos antes descritos; (2) aplicación del esfuerzo; (3) en algunos casos puede haber flujo plástico previo por movimiento de las dislocaciones ( figura 3.17, inferior izquierda); (4) iniciación de la descohesión intergranular, es decir, formación de microgrietas o microvacíos (también pueden ser grietas submicrométricas); (5) crecimiento inestable de grietas por descohesión intergranular, ya que se presenta menor resistencia respecto a la del crecimiento inestable por clivaje (producto de la fragilización).

A nivel microscópico, las superficies por fractura frágil intergranular mostrarán el contorno de los granos que recorrió la grieta ( figura 3.18, izquierda), y en algunos casos se encontrarán microhuecos o microvacíos en los contornos de dichos granos, que podrán estar relacionados con alguno de los mecanismos de inicio del agrietamiento en cada grano, como: fractura de partículas de segunda fase, apilamiento de dislocaciones, descohesión de límite de grano, descohesión por deslizamientos internos en granos adyacentes o difusión de elementos químicos fragilizantes ( figura 3.18, derecha). A estos microhuecos o microvacíos se les suele llamar cavitación en límite de grano, y su presencia es mucho más común cuando hay una mayor participación de la deformación plástica cerca a los límites de grano durante el proceso de fractura, lo que se puede dar en fracturas súbitas mixtas ( figura 3.40, inferior).

Figura 3.18 Imágenes de MEB de fracturas súbitas frágiles intergranulares

Nota. Contornos de los granos en la superficie de fractura (izquierda); presencia de microhuecos o microvacíos en los límites de los granos, formados por el inicio de alguno de los mecanismos de fractura intergranular, lo que se conoce como “cavitación en límite de grano” (derecha).

Fuente: elaboración propia.

En los materiales cerámicos policristalinos, como no hay capacidad de deformación plástica, no siempre se espera que una fractura súbita frágil “normal” deba ser por clivaje, ya que es posible que los límites de grano sean intrínsecamente más débiles para algunos de estos materiales. Por lo tanto, la fractura súbita frágil intergranular no se asociaría necesariamente a un fenómeno previo de fragilización.

La formación de una fractura súbita frágil se favorece si: (1) el material del cual está hecha la pieza es intrínsecamente frágil; por ejemplo, materiales cerámicos, polímeros termoestables, algunos elastómeros o metales de alta dureza, o metales que han experimentado algún proceso de fragilización por precipitación de partículas de segunda fase o segregación de elementos químicos fragilizantes; (2) se tiene un estado triaxial de tensiones o de deformación plana, bien sea por la forma en que se aplica la carga, o por la presencia de entallas en la geometría de la pieza, lo cual limita la ductilidad del material; (3) la pieza es grande o gruesa y por lo tanto favorece la formación de un estado triaxial de tensiones; (4) la temperatura es baja para el material, lo que favorece su comportamiento frágil; por ejemplo, en metales por debajo de la temperatura de transición dúctil-frágil o en polímeros termoplásticos por debajo de la temperatura de transición vítrea; (5) si la velocidad de aplicación de la carga es alta, es decir, un impacto, lo que limita la ductilidad del material.

A simple vista, las fracturas súbitas frágiles de elementos mecánicos no mostrarán deformación plástica o distorsión notable de las piezas en su conjunto o cerca de las zonas de fractura ( figura 3.19, superior izquierda); sin embargo, es necesario recordar que sí hay deformación plástica a escala nanométrica o micrométrica, sobre todo concentrada en la superficie de fractura (asociada al clivaje o la descohesión intergranular), que para ser detectada requiere instrumentación especial.

La textura apreciable a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico, de las superficies de fractura en materiales cristalinos (metales y cerámicos no amorfos) será granular ( figura 3.19, superior derecha e inferiores). En el caso de polímeros, cerámicos amorfos o materiales cristalinos de tamaño de grano muy fino (por ejemplo, con diámetros de granos del orden de un micrómetro o menores), la textura será plana ( figura 3.22, izquierda). Piezas fracturadas por clivaje de materiales amorfos mostrarán superficies de fractura, regiones y marcas en ellas, como las mostradas en las figuras 3.16y 3.22(derecha).

Las marcas radiales, las de río y las Ratchet tienden a formar un patrón paralelo, cuando la fractura se forma, por ejemplo, a flexión o tracción en una pieza tipo platina (ancha y delgada), lo cual indica que el frente de grieta parte del lado de tracción y se mueve hacia el lado opuesto. El lado de origen se podrá ubicar donde se encuentren las marcas Ratchet ( figura 3.19, superior derecha). Las mismas marcas pueden formar un patrón de roseta o estrella, y esto se da bajo cargas de tracción, torsión o flexión en piezas generalmente redondas, aunque también se pueden presentar en piezas tipo platina; el origen del agrietamiento se encuentra en la zona donde convergen las marcas ( figuras 3.19, inferior derecha y 3.20). Las mismas marcas de dirección de propagación pueden formar un patrón de “V” de sargento o de Chevron, lo cual se presenta generalmente en piezas tipo platina bajo carga de flexión o tracción; sin embargo, también se pueden presentar en piezas redondas. Aquí al igual que en el caso anterior, el origen del agrietamiento se encontrará hacia la zona en que apuntan las marcas ( figuras 3.19, inferior izquierda y 3.21).

Figura 3.19 Superficies de fracturas súbitas frágiles

Nota. Asiento para válvula construido en un cermet (carburos de tungsteno en matriz de cobalto), el cual experimentó fracturas múltiples del tipo súbitas frágiles ante un impacto. Nótese la ausencia de deformación plástica de la pieza en su conjunto y de cada uno de los fragmentos (superior izquierda); superficie de fractura súbita frágil de un metal donde se nota la textura granular y la presencia de una marca ratchet y varias radiales en patrón paralelo (superior derecha); superficie de fractura súbita frágil de un metal, donde se tiene el patrón de marcas radiales tipo chevron o “V” de sargento (inferior izquierda); superficie de fractura súbita frágil de un eje de acero, con un patrón de marcas radiales en forma de roseta (inferior derecha). Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las fracturas.