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

Figura 3.47 Mecanismos de la fatiga

Nota. Fatiga cristalográfica en duraluminio 7075 T6 (superior izquierda), donde dentro de cada grano la trayectoria de las grietas sigue una familia de planos específicos; fatiga transgranular en acero AISI 5160 bonificado con 40 RC (superior derecha). Nótese que la textura no está tan influenciada por los granos como en el caso de la fatiga cristalográfica; (c) fatiga transgranular de acero de bajo carbono donde se tiene presencia de estrías (centro izquierda); (d) fatiga intergranular en acero AISI 5160 bonificado con 50 RC (centro derecha); grano clivado por fatiga en acero AISI 1040 recocido (inferior izquierda); fatiga de bajo ciclaje por formación y coalescencia de microvacíos en acero recocido AISI 1040 (inferior derecha). Las flechas amarillas indican el sentido de propagación de las grietas.

Fuente: elaboración propia.

Los mecanismos de propagación que presentan mayores grados de deformación plástica en cabeza de grieta son, a saber: crecimiento por formación y coalescencia de microvacíos, crecimiento transgranular perpendicular al esfuerzo normal máximo y crecimiento por fatiga cristalográfica. Los que menor grado de deformación plástica asociada tienen son: el crecimiento por clivaje cíclico y el crecimiento cíclico intergranular. Todos estos mecanismos de crecimiento siguen en promedio la perpendicular al máximo esfuerzo normal local.

Para explicar el crecimiento de grieta en la fatiga cristalográfica o en la transgranular, se puede recurrir al modelo del deslizamiento cruzado, que se esquematiza en la figura 3.48. En el caso de las fatigas por clivaje e intergranular, el crecimiento de grieta se adjudica a la descohesión (ruptura de enlaces). Para el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos, se sigue la misma lógica del crecimiento de grieta, descrito cuando se trató en la fractura súbita dúctil.

Figura 3.48 Modelo del avance de grieta a través del deslizamiento cruzado, aplicable a la fatiga cristalográfica o a la transgranular

Nota. (a) Grieta original, (b) primer deslizamiento en frente de grieta bajo tracción, (c) segundo deslizamiento cruzado en frente de grieta bajo tracción, (d) abombamiento de la grieta después del ciclo de tracción, (e) primer deslizamiento bajo compresión o descarga, (f) segundo deslizamiento cruzado bajo compresión o descarga. En este modelo tanto el ciclo de tracción como el de compresión o descarga producen crecimiento efectivo de la grieta [11].

En general, en la fatiga de alto ciclaje, los aceros ferríticos y martensíticos tienden a propagar las grietas de fatiga, mediante el crecimiento transgranular en las etapas I, II y III ( figura 3.43). Algunas veces, en la etapa I hay participación del crecimiento intergranular cíclico o del clivaje cíclico, y en la etapa III participación también de la formación y coalescencia cíclica de microvacíos. En estos materiales no es tan común la participación de la fatiga cristalográfica, debido a la alta energía de apilamiento del material que favorece los deslizamientos cruzados, lo que facilita el crecimiento transgranular (asociado a la estructura CC). Si se presenta la fatiga cristalográfica (generalmente en aceros de bajo carbono), aparecerá especialmente en la etapa I de propagación, notándose como un zigzagueo de la trayectoria cerca al origen y a 45o, abarcando de 2 a 5 granos de longitud ( figura 3.59, derecha). El crecimiento intergranular cíclico puede favorecerse por la presencia de fenómenos de fragilización en límite grano, como los que se describieron en la fractura súbita frágil de este tipo; el crecimiento por clivaje cíclico se ve favorecido por temperaturas bajas; el crecimiento por formación de microvacíos cíclico se acentúa a bajas durezas y especialmente al final de la etapa II y en la etapa III de propagación.

En aceros austeníticos y duraluminios predomina también el crecimiento transgranular, sin embargo, en la etapa I de propagación también es importante la participación de la fatiga cristalográfica. En varias de las aleaciones base cobalto y base níquel, es común que se tenga fatiga cristalográfica tanto en la etapa I como en la II de propagación, debido a que estos materiales tienen baja energía de apilamiento, lo que no favorece los deslizamientos cruzados intragranulares.

Lo mencionado en los párrafos anteriores respecto a la nucleación y la propagación de las grietas, aplica para la fatiga de alto ciclaje. En el caso de la fatiga de bajo ciclaje, los principales mecanismos de nucleación y propagación de grietas son: (a) formación y coalescencia de microvacíos intragranulares, (b) la descohesión intergranular y (c) el clivaje de granos individuales. La ocurrencia de un mecanismo u otro dependerá de la ductilidad del material.

La vida a fatiga de bajo ciclaje no resulta muy influenciada por el tamaño de grano de un metal, mientras que la de alto ciclaje sí; se nota que a menor tamaño de grano la resistencia y la vida a fatiga aumentan. Esto se debe a que el tamaño de grano fino al restringir más la deformación plástica, retarda el desarrollo del daño que precede al agrietamiento.

Las aleaciones metálicas endurecibles por deformación plástica muestran un incremento en la resistencia a fatiga con el porcentaje de deformación; pero aleaciones endurecicles por temple-revenido o temple-envejecimiento no muestran un efecto tan benéfico del endurecimiento por deformación.

La fractura final de la pieza fatigada, dependiendo del tamaño de la zona remanente y de la tenacidad de fractura del material, podrá ser súbita dúctil, súbita frágil o súbita mixta; en estas zonas se presentan los mecanismos, marcas, texturas y orientaciones de fractura descritos en el numeral 3.5.

En las fatigas mecánicas (solo dependientes de los ciclos de esfuerzo), no existe una influencia muy marcada de la frecuencia de la onda de esfuerzo en la resistencia a fatiga o en la cinética de propagación de las grietas [12]; esto a los valores típicos de aplicación de frecuencias en maquinaria (500 a 10.000 ciclos por minuto). Sin embargo, a muy bajas frecuencias la resistencia a la fatiga puede disminuir, ya que hay mayor tiempo para que la pieza se deforme plásticamente por cada ciclo, y a muy altas frecuencias puede aumentar marcadamente la resistencia, debido a que, por el corto tiempo de cada ciclo, no se alcanza a generar suficiente daño por deformación plástica.

La formación de una fractura por fatiga en metales se presenta si: (1) hay una carga variable en el tiempo; (2) el rango de intensidad de esfuerzo aplicado supera al rango de intensidad de esfuerzos umbral del material (ΔKaplicado > ΔKumbral), lo cual se relaciona con que el pico de la onda de esfuerzo aplicada (σmáximo) sea mayor a la resistencia límite de fatiga corregida de la pieza (σmáximo > σF AT C), para la razón de carga de la onda de esfuerzo aplicada (R). Si las condiciones anteriores no se cumplen, ello implica que las microgrietas formadas en la nucleación no se propagarán, es decir, tenderán a permanecer en condición estable. La vida a fatiga de una pieza se verá seriamente acortada si hay daño mecánico previo por deformación superficial o concentradores severos de esfuerzo: (a) en la geometría de la pieza, (b) inducidos por el proceso de fabricación, (c) de tipo microestructural o (d) generados en servicio, por golpes, desgaste o corrosión.