Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos. Édgar Espejo Mora
cuales estos dos mecanismos de deformación plástica se presentan en cada uno de los granos de una manera restringida, debido a la acción de los granos circundantes.
En el proceso de deformación plástica de una aleación de ingeniería, el deslizamiento y el maclaje se presentarán juntos antecediéndose el uno al otro. El maclaje podrá ocurrir primero que el deslizamiento, cuando no se encuentre un sistema de deslizamiento apropiadamente orientado respecto a la carga, empezando el deslizamiento cuando el maclaje haya reorientado parte de la estructura apropiadamente. El maclaje podrá seguir al deslizamiento cuando este último haya generado un nivel deendurecimiento tal que selimite a sí mismo.
El comportamiento de metales policristalinos ante la deformación plástica se enuentra fuertemente influenciado por la presencia de los siguientes factores: (a) límites de grano, (b) límites de subgranos en el interior de los granos, (c) átomos en solución sólida y (d) dispersión de partículas de segunda fase.
Cuando una región de un grano rota por la acción simultánea de varios sistemas de deslizamiento, para acomodarse a la deformación aplicada, se dice que este presenta una banda de deformación, pero si esta rotación se presenta en muchos granos adyacentes dentro de una aleación de ingeniería, se le denomina a esta región banda de corte. Las bandas de deformación y de corte son zonas localizadas dentro de un cristal o un policristal, respectivamente, que han experimentado una mayor deformación que el material que los rodea, con lo cual en estas se tenderá a formar una orientación preferente. Estas bandas se presentarán bajo la acción de esfuerzos cortantes. En la figura 2.14 se esquematiza el aspecto que presenta al microscopio una banda de corte.
Figura 2.14 Esquematización del aspecto metalográfico de una banda de corte
Fuente: elaboración propia.
Cuando en las bandas de corte se presentan altas velocidades de deformación, las cuales pueden ser producidas por cargas de impacto, se podrá encontrar que su formación se lleva a cabo en condiciones adiabáticas; con lo cual el calentamiento localizado de la banda puede llegar a ser importante, desencadenando transformaciones microestructurales. En este caso se habla de bandas de corte adiabáticas.
Así, pues, en resumen, en las aleaciones de ingeniería la deformación plástica se presentará por la acción de los mecanismos del deslizamiento, del maclaje, de las bandas de deformación y de las bandas de corte.
En los materiales cerámicos, los monocristales covalentes por la rigidez en la posición de los electrones que intervienen en los enlaces no son susceptibles de deformar plásticamente, mientras que los monocristales iónicos sí lo pueden ser, incluso en porcentajes que pueden igualar a los metales, en los planos y direcciones de deslizamiento permitidos. A nivel de los cerámicos de ingeniería, es decir, de los policristales, los cerámicos covalentes seguirán siendo frágiles y en los cerámicos iónicos la plasticidad será severamente reducida, ya que el limitado número de sistemas de deslizamiento será en general incapaz de asegurar que, durante la deformación plástica, los granos permanezcan en contacto, por lo que se producirán grietas con mucha facilidad.
De acuerdo con lo anterior y teniendo en cuenta que los productos cerámicos en general serán policristales que tendrán tanto enlaces covalentes como iónicos, se puede asegurar que estos materiales presentarán una alta fragilidad, o lo que es lo mismo, baja o nula ductilidad.
Dentro de los materiales poliméricos, los plásticos termoplásticos se caracterizan por presentar en general niveles de deformación plástica altos, lo cual se produce fundamentalmente por deslizamiento entre moléculas y por rotación de los enlaces sencillos. En los plásticos termoestables la deformación plástica es prácticamente nula, ya que su estructura de mallas moleculares hace prácticamente imposible el deslizamiento entre moléculas, por lo que se presenta solo una pequeña rotación de enlaces sencillos. Los elastómeros, al igual que los plásticos termoestables, poseen enlaces cruzados entre las cadenas, lo cual hace que una vez cese la deformación elástica, sea baja o nula la deformación plástica, por lo que predomina de nuevo la rotación de enlaces sencillos. En las lecturas [6-8] se trata con mayor profundidad la plasticidad y el comportamiento plástico de los materiales.
2.2.3.2 Análisis de piezas deformadas plásticamente
Una pieza se deformará plásticamente cuando la carga aplicada genere un esfuerzo que sobrepase el límite elástico del material (σaplicado > σE), a una temperatura de operación dada. El límite elástico del material podrá experimentar variaciones en su valor, dependiendo del tipo de carga actuante. Es común que la deformación plástica tienda a concentrarse en ciertas zonas, una vez la pieza sea sobrecargada, estas se conocen como zonas de inestabilidad plástica.
Bajo carga de tracción, las piezas experimentan alargamiento y una zona de acuellamiento (figura 2.15 (a)) cuando el esfuerzo sobrepasa el límite elástico del material (σaplicado > σE). La zona de acuellamiento corresponde a la de inestabilidad plástica a tracción. Bajo cargas compresivas, los elementos mecánicos de baja relación de aspecto (es decir, aquellos cuya altura no es grande comparada con sus otras dos dimensiones) muestran acortamientos en la dirección de la carga y abombamientos en la dirección perpendicular a esta, cuando se sobrepasa el límite elástico del material a compresión (σaplicado > σE compresión). El límite elástico a compresión de un material es en general mayor que a tracción. Si un elemento mecánico bajo carga compresiva es esbelto, lo que significa que su altura es grande comparada con sus otras dos dimensiones, y la carga está alineada con la dirección más larga, se podrán producir fallas por deformación plástica o fractura, una vez el esfuerzo compresivo sobrepase la carga crítica de Euler o resistencia al pandeo (σaplicado > σEuler), donde el elemento se dobla lateralmente (figura 2.15 (b)). La resistencia al pandeo de Euler es de la pieza y no solo del material, ya que depende fuertemente de la sección resistente y del tipo de apoyos del elemento. Elementos tubulares pueden experimentar también fallas por pandeo, bajo cargas de flexión o torsión, cuando las láminas de sus paredes experimenten esfuerzos equivalentes de compresión que sobrepasen la resistencia de Euler (figura 2.15 (c)). En las fallas por pandeo las zonas donde se concentra el doblado corresponden a las de inestabilidad plástica.
Cuando se presentan cargas excesivas de contacto entre dos cuerpos, se pueden generar esfuerzos hertzianos que sobrepasen la resistencia a la deformación plástica local por aplastamiento (σaplicado > σaplastamiento), lo cual desemboca en fallas por aplastamiento o indentación (figura 2.15 (d)). Bajo carga de flexión se pueden generar doblados por deformación plástica (figura 2.15 (e)) cuando el esfuerzo sobrepase el límite elástico a flexión (σaplicado > σE flexión), el cual es en general mayor que el límite elástico a tracción; si es un momento torsor el que sobrecarga la pieza, se tendrá deformación permanente por rotación (figura 2.15 (f)), una vez el esfuerzo cortante sobrepase el límite elástico cortante (τaplicado > τE). Bajo la acción directa de un esfuerzo cortante, se puede generar deformación plástica cizallante (figura 2.15 (g)) cuando el esfuerzo aplicado sobrepase el límite elástico cortante (τaplicado > τE).
Figura 2.15 Aspecto de piezas que experimentaron