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

Fuente: elaboración propia.

Al igual que como se mencionó en el caso del clivaje y la fractura intergranular, aunque exista a escala macro una dirección de crecimiento de grieta, ello no necesariamente implica que a escala micro en frente de grieta ello se cumpla de manera estricta. Lo anterior se debe a que en el campo de concentración de esfuerzo que hay en el frente de grieta, pueden caber varias zonas sobrecargadas que estén nucleando microvacíos; por lo tanto, allí pueden coalescer y formar una grieta, la cual puede crecer en dirección contraria a la grieta principal hasta que se encuentran ( figura 3.30, izquierda).

La formación y coalescencia de microvacíos se puede dar bajo los modos de carga I, II, III o por combinaciones entre ellos, es decir, el plano de fractura puede ser perpendicular a la dirección del esfuerzo normal máximo o coplanar con la dirección del cortante máximo. Los microhuecos que se aprecian sobre la superficie de fractura podrán ser circulares o elípticos, dependiendo de las combinaciones de modos de carga aplicados. Los microhuecos redondos sugieren cargas de tracción y/o flexión (modo I), mientras que los microhuecos elípticos indican cortante puro o torsión (modos II y III), o combinación de estos con tensión o flexión. Bajo flexión pura también se pueden formar microhuecos elípticos, sin embargo, estos no serán tan alargados como los presentes con los modos II y III. Cuando la fractura se forma por modos de carga II, III o combinación entre ellos, donde puede haber presencia también de compresión, o si la fractura se desarrolla a través de bandas de corte, es común que las superficies de fractura se dañen por la fricción entre las dos partes, lo cual puede borrar la presencia de los microhuecos, dejando una textura muy parecida a la del desgaste adhesivo ( figura 3.31), comparese con la figura 4.4.

Figura 3.31 Imágenes de MEB de metales fracturados por formación y coalescencia de microvacíos

Nota. Microhuecos redondeados, lo cual indica predominio del modo de carga I (izquierda); microhuecos ovales o elípticos, lo que indica modos de carga II o III, con o sin combinación con el modo I (centro); superficie plana producto del aplastamiento por frotamiento de los microhuecos, que indica carga tipo II o III, generalmente puros o combinados con compresión (derecha), o fractura a través de bandas de corte. Las flechas indican el sentido del esfuerzo cortante.

Fuente: elaboración propia.

La formación de una fractura súbita dúctil se favorece si: (1) el material del cual está hecha la pieza es intrínsecamente dúctil, por ejemplo, materiales metálicos de baja dureza, polímeros termoplásticos o metales no fragilizados en límite de grano; (2) hay un estado de esfuerzo plano, lo cual facilita el comportamiento dúctil del material; (3) la pieza es pequeña o delgada y, por lo tanto, favorece un estado de esfuerzo plano; (4) la temperatura es alta para el material, lo que favorece su comportamiento dúctil; por ejemplo, en metales por encima de la temperatura de transición dúctil-frágil o en polímeros termoplásticos por encima de la temperatura de transición vítrea; (5) si la velocidad de aplicación de la carga es lenta, es decir, una carga cuasiestática, lo que no limita la ductilidad del material.

Cuando una superficie de fractura dúctil no tenga marcas de dirección de propagación o de posición del frente de grieta, es indicio de que en toda el área de fractura se nuclearon y coalescieron microhuecos, de una manera más o menos homogénea, por lo tanto, no hay orígenes de grieta especialmente identificables; a este tipo de fractura dúctil se le llama colapso plástico. En otros casos, las superficies de fractura dúctil pueden insinuar marcas radiales o de posición de frente de grieta (costillas o playas). No es común observar marcas Ratchet o de río.

A simple vista, las fracturas dúctiles de elementos mecánicos mostrarán deformación plástica o distorsión notable de las piezas en su conjunto o cerca de las zonas de fractura ( figuras 3.32y 3.33, fotos de la izquierda). En el caso particular de la fractura bajo torsión, la deformación consistirá en rotación de la superficie de la pieza. Las texturas apreciables a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico de las superficies de fractura en metales, serán la fibrosa, la tersa y la tersa con frotamiento.

Cuando se presenta una fractura a tracción habrá acuellamiento de la pieza y en la superficie de fractura se tendrá una zona central de textura fibrosa, la cual es la primera en formarse y tiene una orientación perpendicular al esfuerzo de tracción. En esta zona fibrosa no habrá ningún origen particular de grietas, ya que aquí hay colapso plástico; alrededor de la zona fibrosa se tendrá otra zona con textura tersa, cuya orientación seguirá la del esfuerzo cortante máximo, es decir, 45o aproximadamente respecto al eje de la pieza ( figura 3.32, fotos superiores). Esta zona de textura tersa es la última en formarse y tiene su origen en la zona fibrosa, comúnmente se le conoce como labio de corte. Este labio de corte se forma con dichas características, ya que consiste en el colapso de un anillo cuyo material es de espesor delgado, dentro del cual predomina la condición de esfuerzo plano, donde los materiales dúctiles desgarran siguiendo la dirección del cortante máximo.

En algunos casos con materiales no tan dúctiles, pero que siguen conservando dicho comportamiento, como puede ser el caso de un acero bonificado con 35 RC, en las piezas sometidas a tracción puede que se presente una subdivisión de la zona fibrosa, donde se tendrá en el centro una zona fibrosa como la que se describió en el párrafo anterior y alrededor de ella otra muy rugosa con marcas radiales ( figura 3.32, fotos centrales). La zona fibrosa con marcas radiales se forma porque la grieta crece anularmente a alta velocidad cerca a la límite para el material, lo cual recuerda lo descrito para la región Hackle típica de fractura por clivaje en materiales amorfos.

Figura 3.32 Fracturas dúctiles

Nota. Fractura dúctil a tensión de un alambrón: presencia de acuellamiento en la zona de fractura (superior izquierda), con zonas fibrosas y labio de corte en la superficie de fractura (superior derecha), la formación de la zona fibrosa precedió a la del labio de corte. Fractura dúctil a tensión de un espárrago: presencia de acuellamiento en la zona de fractura (central izquierda), con zona fibrosa central y zona de marcas radiales en la superficie de fractura (central derecha), la formación de la zona fibrosa precedió a la de marcas radiales. Fractura dúctil a flexión de un esparrago: presencia de doblado en la zona de fractura (inferior izquierda), con zonas fibrosa central y labio de corte en la superficie de fractura (inferior derecha), en la zona fibrosa los microhuecos formaron un patrón en forma de marcas de costilla, que permite localizar la zona de origen de la fractura. Las flechas rojas indican la dirección de propagación de las fracturas.

Fuente: elaboración propia.

Cuando se presenta una fractura a flexión habrá doblado de la pieza y en la superficie de fractura se tendrá una zona central de textura fibrosa (perpendicular a los esfuerzos normales), que podrá estar rodeada de un labio de corte de textura tersa, o dicho labio podrá estar solo presente en la región que originalmente estaba a compresión por la carga flectora. En la zona fibrosa podrán aparecer marcas de posición del frente de grieta (marcas de costilla) o marcas radiales, que son arreglos de microvacíos, con las cuales se podrá deducir la orientación del momento flector; el labio de corte será la última zona en formarse ( figura 3.32, fotos inferiores).