Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos. Édgar Espejo Mora
Estas fracturas se forman en un solo ciclo de carga de una pieza y las solicitaciones que las originan son completamente mecánicas, es decir, se forman bajo la acción pura de los esfuerzos. Las velocidades de crecimiento de grieta son grandes: 6 m/s (dúctiles) a 103 m/s (frágiles) [6]. Si la carga se aplica lentamente, de manera que se dé tiempo al material para responder con deformación, se habla de carga cuasiestática, pero si la carga se aplica rápidamente, la capacidad de deformación queda restringida y se habla de una carga del tipo impacto (figura 3.11).
Figura 3.11 Tipos de esfuerzo que originan fracturas súbitas versus tiempo
Fuente: elaboración propia.
Para que se forme una fractura súbita, el esfuerzo aplicado debe superar la resistencia última del elemento al modo de carga que actúa en este (tracción, compresión, cortante, flexión o torsión). Por ello, a estos modos de fractura se les suele llamar fracturas por sobrecarga. Dicha resistencia depende de la geometría del elemento, pero es aún más dependiente de la resistencia del material, la cual se puede obtener a partir de un ensayo normalizado como el de tracción. Por lo anterior, una fractura súbita se considera que se forma si el esfuerzo equivalente real aplicado a un elemento mecánico (σ aplicado) se hace tan grande que iguala la resistencia real a tracción del material (σU).
Estas fracturas se dividen en las súbitas frágiles, las súbitas dúctiles y las súbitas mixtas. Los factores principales que inciden en la formación de un tipo de fractura o de otro son, a saber: la naturaleza súbita o dúctil del material, el estado de esfuerzos (tipo de carga y si se tiene estado de deformación plana o de esfuerzo plano), el tamaño de la pieza, la temperatura y la velocidad de aplicación de la carga. Hay que recordar que el juzgar si una pieza es grande o pequeña, o si la temperatura de trabajo o la velocidad de aplicación de la carga es alta o baja, depende del material del cual esté construida la pieza analizada; por ejemplo, una temperatura de trabajo de 200 oC no es alta para un acero maraging, pero sí lo es para un duraluminio 2024 T6. Además de las fracturas frágiles, dúctiles y mixtas, también se pueden incluir dentro del grupo de las fracturas súbitas, aquellas producidas por mecanismos progresivos, que por su elevada velocidad de propagación se puedan considerar súbitas. Es el caso de algunos agrietamientos debido a la fragilización por contacto con metales en estado líquido (numeral 3.13), donde si la velocidad de agrietamiento es muy elevada (0,1-1 m/s) [7], se suele hablar de fracturas súbitas cuasifrágiles, para diferenciarlas de las fracturas súbitas frágiles, donde las velocidades de propagación son del orden de 103 m/s.
3.5.1 Mecanismo de la fractura súbita frágil por clivaje
El clivaje es un mecanismo de fractura súbita frágil que consiste, idealmente, en la escisión, separación o descohesión (ruptura de enlaces químicos) de la pieza a lo largo de un plano que es normal a la dirección del máximo esfuerzo normal local, donde además la deformación plástica que precede a la fractura es inexistente. En los materiales reales, sin embargo, se presentan desviaciones de esta idealización, ya que la superficie de fractura no es perfectamente plana, hay deformación a pequeña escala que precede a la fractura y puede que no siempre se siga la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal, como se describe en los siguientes párrafos.
Un cristal como el que se presenta en los metales o cerámicos no amorfos, muestra anisotropía en la resistencia al clivaje, ya que hay direcciones dentro de un cristal que son de menor resistencia que otras, y esas direcciones cristalinas de menor resistencia son diferentes para cada sistema cristalino (CCC, CC, HC u otro). Por lo anterior, en un material policristalino cuando se presente el clivaje, cada grano fracturará en un plano de menor resistencia, cuya orientación será distinta de un grano a otro, sin embargo, a escala macroscópica, se podrá ver que en promedio el plano de fractura seguirá la dirección perpendicular al máximo esfuerzo normal (figura 3.12, izquierda y central); esto origina la formación de una textura granular cuando se observa una superficie de fractura de este tipo.
Los sistemas cristalinos de metales que tengan un alto número de sistemas de deslizamiento bien distribuidos en el espacio, como es el caso de la estructura CCC, difícilmente presentan clivaje, es decir, favorecen el deslizamiento y, por lo tanto, el comportamiento dúctil. Entre menos sistemas de deslizamiento posea una estructura cristalina, se favorece más la aparición del clivaje, lo cual ocurre en metales CC y HC.
Figura 3.12 Fractura súbita frágil
Nota. Esquema de la sección metalográfica de un material policristalino (izquierda); fractura súbita frágil por clivaje, donde cada grano cliva en una dirección diferente. Obsérvese que la dirección global de la fractura es perpendicular al esfuerzo normal máximo (centro); fractura súbita frágil intergranular, donde la grieta bordea los granos, en este caso también la dirección global de la grieta es perpendicular al máximo esfuerzo normal (derecha).
Fuente: elaboración propia.
Dentro de cada grano la superficie de fractura por clivaje idealmente debería ser plana (descohesión a lo largo del plano cristalino de menor resistencia), sin embargo, ello no se da, por la presencia de marcas como las radiales o las de río. El origen de estas marcas está relacionado con las no homogeneidades presentes dentro del grano (partículas de segunda fase, zonas de apilamiento de dislocaciones, cruce de maclas, cambios de velocidad de la grieta, etcétera), lo que hace que dentro en un grano se puedan generar varias grietas o planos de fractura, bien sea cuando inicia el agrietamiento del grano o en la propagación de las grietas. La cinética de propagación de las grietas dentro de un grano, también puede promover la generación de nuevas marcas de río o radiales, ya que si la fuerza conductora de grieta es muy grande y la velocidad de crecimiento de las grietas ha llegado a su límite, este exceso de energía promoverá la bifurcación de las grietas, generando por lo tanto nuevos planos y con ello nuevas marcas (la formación de las nuevas marcas radiales o de río puede generar también la formación de una marca de posición del frente de grieta) (figura 3.13).
El origen del agrietamiento dentro de un plano de clivaje de un grano, se da mediante la formación de microgrietas en zonas de menor resistencia local y/o altos esfuerzos locales (concentración de esfuerzos), como pueden ser: (1) fractura por clivaje previo de partículas duras de segunda fase o impurezas ubicadas en límite de grano (por ejemplo carburos en aceros); (2) zonas de alta energía por cruce de maclas previas o intersección de una macla con un límite grano; (3) zonas de alta energía generadas en apilamiento de dislocaciones por deslizamiento previo contra límites de grano o partículas de segunda fase; (4) zonas de alta energía por apilamiento de dislocaciones, generadas por deslizamientos internos en granos adyacentes curvos, etcétera (figura 3.14). Nótese que todas estas posibilidades de formación de las microgrietas iniciales requieren que haya deformación plástica previa, la cual, al darse a escala tan pequeña, no se refleja en distorsión visible de la pieza macroscópicamente.
Figura 3.13 Imágenes de MEB de granos de ferrita clivados en un acero de bajo carbono
Nota. Se pueden ver marcas de río, algunas radiales y una de posición del frente de grieta (asociada a una masiva aparición de marcas de río por aceleración de la grieta). Las flechas azules indican sitios de origen del agrietamiento y las flechas rojas direcciones de crecimiento de las grietas. En la imagen de la izquierda se puede ver que el clivaje de un grano se originó en una cavidad, dejada probablemente por la fractura de una inclusión o un carburo. En la imagen de la derecha los dos orígenes señalados, probablemente