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

En las zonas de origen de los agrietamientos por fatiga, será común encontrar las marcas Ratchet, cada una de las cuales separa dos grietas de fatiga independientes. Es importante notar que los orígenes de los agrietamientos por fatiga no están en las marcas Ratchet, sino entre ellas ( figura 3.49, inferior izquierda). Si no se encuentran marcas Ratchet en la zona de origen de agrietamiento, ello indica que se tuvo un solo origen de grieta de fatiga ( figura 3.49, superior derecha y central izquierda).

Marcas radiales y de río también pueden estar presentes en las zonas de propagación estable de las grietas, y generalmente están asociadas a cambios en el estado de esfuerzos, que generan bifurcaciones y reorientaciones de las superficies de fatiga ( figura 3.49, inferior derecha). Estas marcas tenderán a aparecer en piezas grandes, o de geometría compleja, o cerca de la transición entre las zonas de propagación estable y de fractura final, es decir, en la etapa III de propagación.

Como regla general, en las superficies de fractura por fatiga de alto ciclaje se encontrará que la rugosidad irá en continuo incremento, desde el origen hacia la zona de fractura final ( figura 3.49, inferior derecha), lo cual ayuda a establecer las regiones de origen de los agrietamientos, si no se tienen marcas Ratchet, de río, radiales o de playa que lo permitan. De igual manera, las zonas de origen al ser más antiguas, es posible que presenten coloraciones oscuras producto de la corrosión u oxidación, mientras que las últimas zonas en formarse durante la propagación serán de un brillo metálico más acentuado ( figura 3.56, central derecha).

Las superficies de fractura por fatiga de bajo ciclaje tienden a no mostrar un límite claro entre la zona de propagación estable de grieta en servicio y la zona de fractura final. Sus texturas tienden a ser fibrosas en el caso de materiales dúctiles ( figura 3.50, superior derecha) y granulares para materiales frágiles. En las texturas fibrosas se podrán encontrar marcas de playa ( figura 3.50, inferior), y en menor medida marcas radiales o de río. Debido a estas características, a veces es difícil distinguir entre una fractura súbita y una por fatiga de bajo ciclaje.

Figura 3.52 Tipos de fracturas finales en fatiga

Nota. Fractura súbita frágil con textura granular (superior izquierda); fractura súbita dúctil con textura fibrosa (superior derecha); fractura súbita dúctil formando labio de corte con textura fibrosa (inferior). Se pueden tener zonas de crecimiento estable en servicio, pequeñas o grandes respecto a la zona de fractura final. Las flechas amarillas indican la dirección del agrietamiento.

Fuente: elaboración propia.

El tamaño relativo entre la zona de propagación estable de grieta y la zona de fractura final puede dar indicios sobre el nivel del esfuerzo experimentado respecto a la resistencia de la pieza, si se tiene certeza de que durante la propagación de grieta el nivel de carga se mantuvo aproximadamente igual. Una zona de propagación estable pequeña ( figura 3.52, superior izquierda) sugiere que la carga de fatiga era muy elevada respecto a la resistencia de la pieza, ya que con pocos ciclos se generó fractura final, mientras que una zona de propagación estable grande ( figura 3.52, superior derecha), sugiere un nivel de carga de fatiga baja. En este último caso surge una pregunta obvia: ¿si la carga de fatiga era baja, por qué se fatigó la pieza? La respuesta no es sencilla, pero es común encontrar que en los casos en que se presenta esta situación, ello se debe a que en la zona de inicio del agrietamiento había algún concentrador de esfuerzo severo o un daño mecánico previo. Esto facilita la nucleación del agrietamiento, y el rango de esfuerzos aplicado, aunque es bajo, es de todas maneras suficiente para propagar las grietas. Además de lo anterior, se debe tener presente que el tamaño relativo entre las dos zonas, no solo depende de la solicitación, sino también de la tenacidad de fractura de la pieza.

En la figura 3.53se resume, a manera de ejemplo, para ejes sometidos a flexión unidireccional, la influencia que el nivel de esfuerzo y su concentrador tienen en: (a) el tamaño relativo entre la zona de propagación estable y la zona de fractura final; (b) el número de orígenes del agrietamiento y, por lo tanto, de marcas Ratchet. En esta figura también se ilustra que cerca de cada origen de grieta, las marcas de playa tienden a ser elípticas o circulares, y el origen se encuentra hacia la zona cóncava de la marca. Una vez las grietas se unen para formar un solo frente de grieta, este puede generar marcas de playa ya no tan cóncavas, rectas o incluso convexas; cerca de la zona de fractura final, las marcas de playa generadas pueden ahora ser convexas respecto a los orígenes, o lo mismo cóncavas respecto a la fractura final.

Figura 3.53 Influencia del rango de esfuerzos aplicados y el nivel de concentración de esfuerzos presente en el tamaño de la zona de propagación de grietas en servicio y el número de orígenes de fatiga para un eje sometido a flexión unidireccional

Fuente: elaboración propia.

Además de la posibilidad de tener varios orígenes de grieta en una superficie de fatiga, también es probable que se tengan varias grietas paralelas de fatiga, es decir, un agrietamiento múltiple ( figura 3.54). Esto se favorece cuando se tiene un rango de esfuerzos aplicados alto y una zona amplia de la pieza sometida a este, es decir, no hay una zona especialmente cargada, sino varias (ausencia de concentradores de esfuerzo o presencia de varios que generan el mismo nivel de concentración).

Cuando no exista certeza de que el valor de la carga de fatiga se mantuvo constante durante el proceso de agrietamiento, no es tan fácil sacar conclusiones sobre el nivel de carga que experimentó la pieza, a partir del tamaño relativo de las zonas de propagación estable y de fractura final, ya que en muchos diseños mecánicos (por ejemplo, en puentes metálicos), es común que al agrietarse por fatiga un elemento estructural, otro denominado redundante asuma la carga que el agrietado está dejando de soportar, es decir, el elemento producto de su agrietamiento pierde carga. En este caso tendremos una zona de propagación estable grande y de fractura final pequeña, pero no por esto debemos asumir que la carga de fatiga era nominalmente baja, ya que de entrada sabemos que durante el origen del agrietamiento la carga era probablemente alta.

Figura 3.54 Agrietamiento múltiple de eje en fatiga bajo torsión (las grietas están resaltadas con partículas magnéticas)

Nota. Obsérvese el patrón en forma de “X” que tienen las grietas cerca de su origen.

Fuente: elaboración propia.

Dependiendo del tipo de material (dúctil o frágil), del tamaño y la geometría de la pieza, y del tamaño relativo de la zona de fractura final, se podrá encontrar una fractura final súbita frágil ( figura 3.52, superior izquierda) o súbita dúctil (tipo fibrosa o tipo labio de corte) ( figura 3.52, superior derecha e inferior).

La trayectoria de las grietas de fatiga durante su propagación es similar a la de las fracturas súbitas frágiles, donde en general se sigue una trayectoria perpendicular al máximo esfuerzo de tracción local generado por los diferentes modos de carga; sin embargo, existen dos particularidades: (a) para el caso de tracción, en piezas delgadas, materiales tenaces y altas velocidades de propagación (etapa III), o en fatiga de bajo ciclaje, se podrá tener una trayectoria de propagación a 45o respecto al normal máximo, donde dicha propagación se dará bajo la acción combinada de un esfuerzo normal y el cortante máximo; (b) para el caso de torsión, es posible que las grietas durante su nucleación y las fases iniciales del crecimiento (etapa I) sean colineales con el cortante máximo, haciendo transición posteriormente a la perpendicular al esfuerzo de tracción ( figuras 3.55y 3.56, ver también la figura 3.24). El caso (b) descrito en este párrafo se ve favorecido si hay, por ejemplo, inclusiones no metálicas orientadas con el cortante máximo, o si además del torsor hay esfuerzos de contacto superficial por deslizamiento.