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

Nota. Superficie fibrosa perpendicular a la dirección del esfuerzo de tracción, en pieza gruesa (izquierda); superficie fibrosa central perpendicular a la dirección del esfuerzo de tracción y labios de corte laterales con textura plana, formado 45o respecto al esfuerzo normal, en pieza de espesor intermedio (central); superficie a 45o siguiendo el cortante máximo con textura tersa, en pieza delgada (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Las fracturas súbitas mixtas se forman por condiciones intermedias entre las que favorecen a las fracturas frágiles y a las fracturas dúctiles, como son: (1) un material intermedio entre dúctil y frágil, por ejemplo, un metal de dureza media o un metal fragilizado en límite de grano que promueva fractura intergranular con microvacíos; (2) un estado de esfuerzos intermedio entre esfuerzo plano y deformación plana; (3) un tamaño de pieza o espesor de esta intermedio entre grande y pequeño; (4) una temperatura ubicada en la zona de transición dúctil-frágil del material; (5) una velocidad de aplicación de carga intermedia entre impacto y cuasiestática.

Las fracturas mixtas mostrarán características de deformación, marcas en la superficie de fractura, textura y mecanismos de fractura combinados, entre los típicos de las fracturas dúctiles y los de las frágiles. No existen criterios unificados que permitan establecer una clara división entre fracturas dúctiles y fracturas frágiles. Piénsese en el siguiente caso: si se encuentra una fractura donde una pieza metálica no muestre a escala macro distorsión visible o deformación, pero a escala micro, mediante observación con estereoscopio y MEB, se advierte formación de microvacíos, ¿cómo debe clasificarse esta fractura?, ¿frágil, por la no presencia de deformación de la pieza, o dúctil, por la presencia de los microhuecos?, y ¿qué tal si además se halla que los microhuecos están en algunas zonas de las superficies de fractura y en otras hay clivaje? La respuesta no es sencilla, algunos analistas podrán responder: a escala macro es una fractura frágil y a escala micro será dúctil si el porcentaje en área ocupada por los microvacíos supera el del clivaje. En este texto fracturas súbitas que presenten situaciones como esta o similares son las que llamaremos súbitas mixtas.

Bajo inspección a simple vista, con lupas o estereoscopio, se podrán encontrar marcas de dirección de crecimiento de grietas (Ratchet, radiales o de río) o marcas de posición del frente de grieta. En cuanto a la textura se encontrará que será granular si predomina el micromecanismo de descohesión intergranular y/o el de clivaje, o fibrosa si son los microvacíos los que predominan ( figura 3.39).

Figura 3.39 Superficie de fractura súbita mixta

Nota. Superficie de fractura súbita mixta de un acero bonificado, donde predomina una textura central granular con marcas radiales y en los bordes hay un labio de corte con textura tersa (izquierda); superficie de fractura súbita mixta de un acero bonificado, donde se combinan en la región central la textura fibrosa y la granular, y en los bordes se tiene un labio de corte con textura tersa (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Algunos ejemplos de casos de fracturas mixtas son, a saber:

1. Fracturas macroscópicamente dúctiles, en cuya superficie haya participación de micromecanismos frágiles (intergranular y/o clivaje). Puede ser el caso de materiales con heterogeneidades estructurales, donde globalmente muestran una alta elongación, pero al formarse la fractura, esta se ve influida por la presencia de fases frágiles.

2. Fracturas macroscópicamente frágiles, en cuya superficie de fractura haya participación de micromecanismos dúctiles (microhuecos), lo cual es común que se presente con piezas de material dúctil, pero con concentradores de esfuerzo severos que promueven un estado de deformación plana que limita la ductilidad de la pieza.

3. Combinación de clivaje y microvacíos en una superficie de fractura, esto corresponde a uno de los tipos de cuasiclivaje, el cual se puede presentar por ejemplo en aceros de medio carbono bonificados de durezas intermedias a altas, 45 RC y superiores, figura 3.40(superior izquierda).

4. Combinación de intergranulary microvacíos en una superficie defractura, lo que sugiere que hay presencia parcial de elementos químicos o partículas fragilizantes en límites degrano, figura3.40(superiorderecha).

Figura 3.40 Imágenes de MEB de superficies de fractura súbitas mixtas en aceros bonificados

Nota. Cuasiclivaje, donde se presenta una mezcla de clivaje con formación de microvacíos (superior izquierda); mezcla de zonas donde granos fracturan transgranularmente por microvacíos y otras donde hay descohesión intergranular (superior derecha); fractura intergranular con formación de microvacíos (inferior). En este caso se nota la textura intergranular, pero la fractura fue precedida de formación de microhuecos cerca a los límites de grano, esto también se conoce como cavitación en límite de grano.

Fuente: elaboración propia.

5. Zona central de la superficie de fractura con clivaje y/o intergranular y formación de labio de corte en los bordes con microvacíos, donde este labio se puede formar al final de la propagación de las grietas frágiles, y el remanente del material, por ser delgado, ingresa a la condición de esfuerzo plano, facilitando el comportamiento dúctil. El aspecto de una fractura como esta es similar al que se muestra en la figura 3.38(central), solo que en la zona central no habrá textura fibrosa, sino granular.

6. Textura granular con presencia de microhuecos en límite de grano, donde, por ejemplo, se tiene segregación de fases fragilizantes cerca al límite de grano (no necesariamente en el propio límite), lo que facilita el flujo y la formación de microvacíos alrededor de los precipitados, que al crecer y encontrarse con los límites de grano generan fractura; otra posibilidad es tener cerca al límite de grano las zonas conocidas como zonas libres de precipitados (ZLP), en donde hay una alta concentración de matriz metálica dúctil, la cual nuclea microvacíos desde este límite; por su aspecto, es común que se refieran a estas fracturas como las formadas por cavitación en límite de grano ( figura 3.40, inferior).

En la referencia [8] el lector encontrará una ampliación sobre los mecanismos y fractografía de las fracturas súbitas.

Estas son fracturas que para formarse requieren varios ciclos de carga ( figura 3.41), donde ninguno de los picos de dichos ciclos sobrepasa en valor a la resistencia última de la pieza; las solicitaciones en este caso son completamente mecánicas, es decir, bajo la acción pura de los esfuerzos. La onda de esfuerzo aplicada oscila entre un σmínimo y un σmáximo, a partir de los cuales se define la razón de carga de la onda R = σmínimo /σmáximo. La fatiga se puede definir como un fenómeno de nucleación y crecimiento estable de grietas, producto de cambios inducidos en el material por la acción de cargas cíclicas o fluctuantes. La generación de dichos cambios en el material bajo los ciclos de carga y su relación con el agrietamiento, es lo que llamamos el mecanismo de fatiga, el cual cambia de un material a otro.