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

Figura 3.55 Orientación de las superficies de fractura por fatiga en función del tipo de carga aplicada

Nota. (a) Tracción, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (b) tracción, trayectoria a 45o bajo combinación de esfuerzo normal y cortante; (c) flexión, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (d) torsión, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (e) torsión con trayectoria inicial longitudinal; (f) torsión con trayectoria inicial circunferencial. En los últimos dos casos el agrietamiento inicial sigue al cortante máximo y cuando gira a 45o sigue la perpendicular al normal máximo.

Fuente: elaboración propia.

En las fracturas por fatiga a torsión en las zonas de origen, se podrá encontrar: (a) un patrón de agrietamiento completamente orientado a 45o respecto al esfuerzo normal ( figura 3.56, central izquierda); (b) un patrón de grietas en forma de “X” ( figuras 3.54y 3.56, central derecha), o (c) un patrón escalonado ( figura 3.56, inferior).

Figura 3.56 Ejemplos de orientación de las superficies de fractura por fatiga, en función del tipo de carga aplicada

Nota. Orientación transversal en fractura por fatiga de tornillo sometido a tracción (superior izquierda); orientación transversal en fractura por fatiga de eje sometido a flexión unidireccional (superior derecha); orientación a 45o en fractura por corrosión fatiga de eje sometido a torsión (central izquierda); múltiple agrietamiento a 45o en eje cigüeñal fatigado a torsión (central derecha); aspecto escalonado de superficie de fatiga a torsión de cigüeñal, donde el origen del agrietamiento fue paralelo al eje (inferior). Las flechas amarillas indican la dirección de crecimiento del agrietamiento.

Fuente: elaboración propia.

Al inspeccionar a altos aumentos las superficies de fractura por fatiga de alto ciclaje de metales, con el estereoscopio o el MEB, y complementar dicha inspección con observación de secciones metalográficas transversales a las superficies de fractura, se podrá observar que, en general, el mecanismo de fatiga transgranular deja una superficie menos rugosa que la generada por la fatiga cristalográfica, y esta a su vez menos que la que dejan la fatiga por clivaje o desprendimiento intergranular cíclico ( figura 3.57). Las superficies con mayor rugosidad se obtendrán en la fatiga de bajo ciclaje, donde predomine el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos ( figura 3.58). Las estriaciones de fatiga se presentan especialmente en metales de alta ductilidad y son observables con MEB ( figura 3.47, superior y central izquierdas); sin embargo, en algunos materiales frágiles también podrán aparecer. En sección metalográfica no es posible detectar las estriaciones.

Figura 3.57 Imágenes de MEB y metalográficas de fatiga intergranular, cristalográfica y transgranular

Nota. Fatiga intergranular cíclica en acero 5160 bonificado con 50 RC: aspecto en MEB de los granos (superior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (superior derecha). Fatiga cristalográfica en duraluminio 2014 T6: aspecto bajo observación en estereoscopio (central izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (central derecha); nótese que en cada grano las grietas de fatiga siguen una trayectoria diferente, lo que origina la textura mixta entre granular y tersa. Fatiga transgranular en acero 5160 bonificado con 40 RC: aspecto en MEB de la superficie de fractura (inferior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (inferior derecha); nótese que la trayectoria de grieta es bastante llana, ya que no se experimentan cambios importantes de dirección al pasar de un grano a otro. Nótese también el patrón radial que se forma en la superficie de fractura deformada, lo que permite conocer la dirección de crecimiento. Las flechas amarillas indican el sentido de propagación.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.58 Fatiga de bajo ciclaje de un acero 8620 bonificado con 27 RC, mediante el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos intragranulares

Nota. Aspecto en MEB (izquierda); aspecto en sección metalográfica (derecha). Las flechas amarillas indican el sentido de propagación.

Fuente: elaboración propia.

Bajo inspección con MEB de superficies de fatiga que contengan estriaciones, será posible estimar un valor del número total de ciclos transcurridos en la propagación, a partir del conteo de las estriaciones en diferentes zonas de la superficie de fractura (cerca de los orígenes, en zonas intermedias y cerca de la zona de fractura final); sin embargo, el valor obtenido es solo una estimación, ya que el espaciamiento entre estriaciones no es constante en toda la superficie de fractura, y habrá zonas donde no se hallen estriaciones o estén borradas por el frotamiento, y hay que tener en cuenta que es posible que una sola estriación se forme en varios ciclos de carga, es decir, no necesariamente siempre se cumple que una estriación equivale a un ciclo (especialmente a bajos niveles del rango de esfuerzos aplicados). De todas maneras, este conteo le servirá al analista para estimar al menos el orden de magnitud de los ciclos transcurridos en la etapa de propagación de las grietas.

En la fatiga de alto ciclaje durante la etapa II de propagación, en muchos de los metales predomina el mecanismo de fatiga transgranular, con lo cual en sección metalográfica las grietas tenderán a ser bastante rectas, es decir, poco afectadas por la microestructura ( figura 3.59, izquierda); no obstante lo anterior, es posible que en la etapa I o en la etapa III de propagación se presenten otros mecanismos; en estas zonas se presentan trayectorias más quebradas, como el ejemplo mostrado en la figura 3.59(derecha).

En la referencia [13] el lector encontrará una ampliación sobre los mecanismos y fractografía de las fracturas por fatiga.

Figura 3.59 Secciones metalográficas

Nota. Trayectoria de grieta aproximadamente recta por fatiga transgranular (en etapas I y II), en duraluminio 7075 T6 (izquierda); trayectoria zigzagueante por fatiga cristalográfica en etapa I de propagación y posterior trayectoria recta por fatiga transgranular en la etapa II, en un acero 5120 recocido.

Fuente: elaboración propia.

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