Tipo de fracturas mecánicas en los materiales (página 2)

Partes: 1, 2

Para el caso de los análisis microfractográficos,
corresponde a una falla típica dúctil. En este caso
se trata de un detalle de una barra de acero microaleado
de 1 pulgada de diámetro en donde se aprecian micro
hoyuelos ovalados.

Microfractografía de barra
de acero microaleado

Las fotografías demuestran detalles de una falla
frágil de una barra de acero termotratado de 7/8 de
pulgada de diámetro. En la primera fotografía
se observan en las zonas L y cerca de I, micro hoyuelos ovalados
con silicatos en su interior (esta composición fue
determinada por medio de la energía dispersiva por
rayos X ). En
la segunda fotografía se observa en una fractura
intergranular observada en el Microscopio
Electrónico de Barrido producida muy probablemente por
fragilidad por hidrógeno.

Microfractografía de barra
de acero termotratado

La Figura 6 (con la Figura 7
interpuesta) es un ejemplo de fallas de fatiga por doblez. Las
fallas de fatiga por flexión pueden ser identificadas por
una superficie de fractura a un ángulo, que se
encontrará a cierto ángulo que no sea a 90° del
eje del cuerpo de varilla. El ejemplo a la izquierda
ilustra una fractura provocada pro una flexión de radio largo o
arco gradual en el cuerpo de la varilla (el ejemplo a la
izquierda en el Figura 7). La superficie de la fractura tiene un
aspecto normal pero cuenta con un ángulo ligero cuando se
compara con el eje del cuerpo de la varilla. El ejemplo del medio
es un doblez de radio corto (ejemplo a la derecha en la Figura
7). La superficie de la fractura está a un ángulo
mayor del eje del cuerpo de la varilla con una parte
pequeña de fatiga y una parte grande de desgarramiento por
tensión.

FRACTURA

Es la separación de un sólido bajo
tensión en dos o más piezas. En general, la
fractura metálica puede clasificarse en dúctil y
frágil. La fractura dúctil ocurre después de
una intensa deformación plástica y se caracteriza
por una lenta propagación de la grieta. La fractura
frágil se produce a lo largo de planos
cristalográficos llamados planos de fractura y tiene una
rápida propagación de la grieta.

Energía de fractura por
impacto para un acero al carbono

Mecanismos de fractura

Clivaje: Fracturas típicas en
policristales.

Fractura trasngranular

Las grietas propagan cortando los granos.

Fractura intergranular

Las grietas propagan a lo largo de las fronteras de
grano.

FRACTURA DÚCTIL

Esta fractura ocurre bajo una intensa deformación
plástica.

Fractura dúctil

La fractura dúctil comienza con la
formación de un cuello y la formación de cavidades
dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se
fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se
propaga hacia la superficie en dirección perpendicular a la tensión
aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta cambia su
dirección a 45° con respecto al eje de tensión
y resulta una fractura de cono y embudo.

FRACTURA FRÁGIL

La fractura frágil tiene lugar sin una apreciable
deformación y debido a una rápida
propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo
de planos cristalográficos específicos denominados
planos de fractura que son perpendiculares a la tensión
aplicada.

La mayoría de las fracturas frágiles son
transgranulares o sea que se propagan a través de los
granos. Pero si los límites de
grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la
fractura se propague intergranularmente. Las bajas temperaturas y
las altas deformaciones favorecen la fractura
frágil.

Superficies dejadas por diferentes
tipos de fractura. a) Fractura dúctil,

b) Fractura moderadamente
dúctil, c) Fractura frágil sin deformación
plástica

TENACIDAD Y PRUEBAS DE
IMPACTO

La tenacidad es una medida de la cantidad de
energía que un material puede absorber antes de fracturar.
Evalúa la habilidad de un material de soportar un impacto
sin fracturarse.

Esta propiedad se
valora mediante una prueba sencilla en una máquina de
ensayos de
impacto. Hay dos métodos
diferentes para evaluar esta propiedad. Se denominan ensayos de
Charpy y ensayo de
Izod. La diferencia entre los dos radica en la forma como se
posiciona la muestra. La probeta que se utiliza para ambos
ensayos es una barra de sección transversal cuadrada
dentro de la cual se ha realizado una talla en forma de
V.

Esta probeta se sostiene mediante mordazas paralelas que
se localizan de forma horizontal en el ensayo tipo
Charpy y de forma vertical en el ensayo tipo Izod. Se lanza un
pesado péndulo desde una altura h conocida, este
péndulo golpea la muestra al descender y la fractura. Si
se conoce la masa del péndulo y la diferencia entre la
altura final e inicial, se puede calcular la energía
absorbida por la fractura.

El ensayo de impacto genera datos
útiles cuantitativos en cuanto a la resistencia del
material al impacto. Sin embargo, no proporcionan datos adecuados
para el diseño
de secciones de materiales que
contengan grietas o defectos. Este tipo de datos se obtiene desde
la disciplina de
la Mecánica de la Fractura, en la cual se
realizan estudios teóricos y experimentales de la fractura
de materiales estructurales que contienen grietas o defectos
preexistentes.

Ensayo de
tenacidad.

La fractura de un material comienza en el lugar donde la
concentración de tensión es lo más grande
posible, como lo es la punta de una grieta. Supóngase una
muestra de forma de placa bajo tensión uniaxial que
contiene una grieta en el borde o en su interior. La
tensión en la grieta es mayor en la punta de la
grieta.

La intensidad de la tensión en la punta de la
grieta es dependiente tanto de la tensión

Aplicada como de la longitud de la grieta.

Tenacidad de Materiales
Ingenieriles

INFLUENCIA DE LA
TEMPERATURA

En general, el aumento de temperatura
favorece la deformación plástica (el deslizamiento
de dislocaciones es más fácil), y las bajas
temperaturas favorecen la fractura.

Tensión de fluencia (movimiento
de dislocaciones) disminuye al aumentar la
temperatura.
Resistencia a fractura (enlaces) casi independiente
de la temperatura.

FATIGA

Muchas aplicaciones industriales llevan asociada una
carga cíclica en lugar de estática y
en ese caso, los materiales se romperán a tensiones mucho
menores que aquellas que puede soportar la pieza bajo la
aplicación de una única tensión
estática. La fatiga es el fenómeno general de fallo
del material tras varios ciclos de aplicación de una
tensión menor a la de rotura.

Definición: rotura por fatiga se da como
consecuencia de esfuerzos repetidos y variables
debiéndose a un desmemizamiento de la estructura
cristalina, con el consiguiente deslizamiento progresivo de los
cristales, con producción de calor.

El aspecto de las piezas rotas por fatiga presentan en
su superficie de rotura dos zonas características que
son:

-
Una zona lisa, de estructura finísima y brillante: la
rotura por fatiga se da después de un periodo
relativamente largo.

-
Una zona de cristales grandes, o de estructura fibrosa: cuando
la rotura por fatiga se da instantáneamente debido a la
disminución de sección.

Las circunstancias que influyen en la rotura por fatiga
de un material metálico son:

-
Estado de la
superficie: el estado de
esta tiene gran importancia sobre la rotura por
fatiga.

-
Variaciones de sección: el límite de fatiga se
reduce por los cambios bruscos de sección no acordados
con radios amplios, entalladuras de cualquier otra clase.

-
Temperatura: en casi todos los materiales metálicos el
aumento de temperatura por encima de cierto valor,
disminuye el límite de fatiga.

-
Tratamientos térmicos: las termones internas provocadas
por tratamientos térmicos, crean localización de
esfuerzos que pueden originar fisuras.

-
Homogeneidad de la estructura cristalina: cuando la estructura
no es homogénea puede suceder que los cristales
más pequeñas, se acuñen entre las
más grandes, originando fisuras y la consiguiente
disminución de seccion.

-
Corrosión: cuando la corrosión
existe no tiene tanto problema., pero si va actuando, cada
punto de corrosión se convierte como si fuera una
entalle rebajando notablemente el límite de
fatiga.

Un esquema de la máquina típica para
realizar un ensayo de
fatiga se muestra en la figura. Aquí la probeta
está sujeta a tensiones de compresión y
extensión alternas de igual magnitud mientras se rota. Se
cuenta el número de ciclos que soporta la muestra antes de
fallar y se realiza una gráfica Tensión vrs
número de ciclos ( en escala
logarítmica)

Ensayo de fatiga

Para los materiales ferrosos, la perdida de resistencia
con el número de ciclos alcanza un límite
denominado Resistencia a la fatiga ó
Límite de vida a fatiga. Los materiales no
férreos no tienen un límite tan marcado, aunque la
velocidad de
pérdida de resistencia disminuye con el número de
ciclos y en este caso se escoge un número de ciclos tal
como para establecer el límite.

La resistencia a la fatiga es como la cuarta parte o la
mitad de la resistencia a la tracción.

Curvas de fatiga

FLUENCIA

Cuando se realiza el ensayo de tensión –
deformación a temperatura ambiente, se
observa que el comportamiento
elástico de la deformación se puede definir
mediante la ley de Hooke y no
cambia con la temperatura. Si este ensayo se realiza a
temperatura elevada se observa que la deformación aumenta
de forma gradual con el tiempo.
Inicialmente se presenta una deformación elástica
instantánea y luego una deformación
plástica. La fluencia se puede definir como la
deformación plástica que tiene lugar a temperatura
elevada bajo una carga constante y durante un periodo largo de
tiempo.

Ensayo de
fluencia

En la figura se observa una curva típica de
termofluencia de un metal donde se destacan varias etapas en el
comportamiento del metal ante el ensayo. Inicialmente ocurre una
deformación elástica instantánea 0.
Seguidamente la muestra exhibe una primera fluencia en la cual la
velocidad de fluencia disminuye con el tiempo. La pendiente de la
curva (de/dt = e ) se designa como velocidad de
termofluencia. Después ocurre un segundo estado el
cual la velocidad se hace esencialmente constante y se define por
tanto como termofluencia de estado estacionario. Este es
el parámetro de diseño que se considera para
aplicaciones de larga vida. Finalmente ocurre un tercer estado en
el cual la velocidad de termofluencia aumenta rápidamente
con el tiempo hasta que se fractura.

Perno
Fracturado

La muestra corresponde a un perno fracturado. El perno
presenta recubrimiento de zinc, la falla se localizó a la
altura del hilo número 13, empezando a contar desde la
cabeza. Este corresponde al primer hilo de trabajo del
perno, dado que hasta este punto se apretó la tuerca. La
superficie de fractura presenta formación de óxidos
férricos y ferrosos.

Fotografía
1

Vista Superior de la superficie de fractura. Se observa
una falla de tipo dúctil con topología de baja a media rugosidad,
típica de falla por sobrecarga en tensión y un poco
de torsión. Las flechas muestran múltiples frentes
de propagación de grietas a lo largo de la raíz del
hilo de la rosca.

Fotografía
2

Vista en Perspectiva. Puede verse la deformación
típica de copa y cono para falla dúctil en el
diámetro mayor, acompañada de estrías
"chevrons" que indican el lugar desde donde se propagan las
grietas. El sector 1 muestra el primer plano de
propagación de falla, a velocidad media. El sector 2, por
su baja rugosidad, indica una rápida propagación de
las grietas. En el sector 3, se puede observar una alta rugosidad
en el material libre de corrosión, que falló por
sobrecarga en tensión al final.

Fotografía
3

Detalle de la raíz del filete en el hilo
decimotercero mostrando que no existió un concentrador de
esfuerzos adicional a la misma raíz. La diferencia de
colores en las
superficies de fractura evidencia la diferencia de velocidades de
propagación de grietas.

Fotografía
4

Se observan las superficies de fractura del segundo
fragmento de perno analizado. Es interesante ver como se
propagaron las grietas desde toda la longitud de la raíz
del hilo de la rosca hacia el interior, generando dos planos
paralelos de fractura a la altura del hilo No. 13.

Estudio
macroscópico

Mediante el estudio macroscópico óptico de
baja amplificación (máximo 20x) es posible
determinar las características básicas de la falla
que se Este analizando. La figura (1) muestra la sección
transversal de los cables. El cable consiste de seis torones de
acero conformados cada uno por 19 alambres de tres
diámetros diferentes y un centro (o alma)
polimérico blando.

Figura 1: Sección transversal de
los cables

La figura (2) (izquierda) muestra la zona fracturada del
cable 1. Note que la fractura de este cable se produjo en una
zona intermedia del cable a unos 20 cm del acople.

Mientras que la figura (2) (derecha) muestra la zona
fracturada del cable 2. En este caso,

a diferencia del cable 1, la falla se produce en la zona
de acople.

Figura 2: Cable 1 (izquierda). Cable 2
(derecha)

En la figura (3) se puede observar uno de los alambres
fracturados del cable 1. Este tipo de falla fue encontrado
típicamente en los diferentes filamentos de este cable.
Este tipo de fractura, denominada copa y cono, es
comúnmente encontrada en metales
dúctiles sometidos a cargas excesivas.

Figura 3: Fractura típica de los
filamentos del cable

En la figura (4) (izquierda) se muestran tres de los
torones fracturados del cable 2. Note que dichos alambres
presentan ruptura perpendicular al eje longitudinal. En la figura
(4) (derecha), por otra parte, se puede apreciar la zona
fracturada de dichos alambres. Es importante resaltar que en esta
zona la falla se presenta sin reducción de área,
opuesto al caso del cable 1 (figura 3). Este tipo de fractura
ocurre comúnmente en materiales frágiles o
dúctiles expuestos a cargas repetitivas de
fatiga.

Figura 4: Fractura de cable 2

Un examen microscópico a mayor
amplificación de una de las zonas fracturadas del cable 2
se presenta en la figura (5). En esta figura es importante notar
la zona estriada a la izquierda del alambre. Este tipo de
marcas,
llamadas marcas de playa, son generalmente asociadas a fallas
ocasionadas por cargas cíclicas causantes de fatiga en el
material.