Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos. Édgar Espejo Mora
Así pues, el mecanismo de clivaje que se puede dar en materiales metálicos policristalinos se resume en: (1) aplicación del esfuerzo, (2) deformación plástica a pequeña escala dentro de los granos mediante deslizamiento y/o maclaje, (3) formación de una microgrieta a través de alguno de los mecanismos mencionados en el párrafo anterior o similares (también pueden ser grietas submicrométricas), (4) crecimiento inestable de grietas por clivaje en los granos, a partir de las microgrietas previas.
En materiales cristalinos, aunque a escala macro exista una dirección de crecimiento de grieta, ello no necesariamente implica que a escala micro, en frente de grieta, ocurra lo mismo estrictamente. Lo anterior se debe a que en el campo de concentración de esfuerzo que hay en el frente de grieta, pueden caber varios granos que están sobrecargados; por lo tanto, algunos de ellos pueden clivar antes que el frente de grieta principal los alcance, lo cual implica que puede haber granos que tengan direcciones de clivaje contrarias a las del crecimiento de la grieta global (figura 3.15).
Figura 3.14 Ejemplos de formación de microgrietas a partir de las cuales se nuclea el clivaje en los granos metálicos
Nota. Fractura por clivaje de una partícula de segunda fase o inclusión, lo que origina una microgrieta (superior izquierda); formación de microgrieta a partir del cruce de dos maclas (superior derecha); formación de microgrieta a partir de apilamiento de dislocaciones (inferior izquierda); formación de microgrieta a partir de deslizamientos internos dentro de granos adyacentes curvos (inferior derecha).
Fuente: elaboración propia.
Figura 3.15 Avance de fractura por clivaje en material policristalino
Nota. Esquema que ilustra que antes de llegar el frente de grieta a un grano, este puede que ya haya clivado (imagen izquierda, flechas azules). En relación con lo anterior, es posible encontrar granos que clivan en direcciones opuestas (foto derecha, las flechas amarillas indican la dirección de clivado de cada grano).
Fuente: elaboración propia.
En polímeros y cerámicos amorfos, la fractura por clivaje tiende a ser más plana que la que se forma en materiales policristalinos, y sigue la dirección perpendicular a la del máximo esfuerzo normal de tracción; sin embargo, también se presentan desviaciones de la planitud por la presencia de marcas radiales y de río. En estos materiales, el origen del agrietamiento por clivaje también se da en zonas de menor resistencia local y/o altos esfuerzo locales, asociados a partículas de segunda fase o impurezas, o por formación de zonas de alta energía debido a flujo plástico a pequeña escala por apilamiento de dislocaciones (cerámicos) o deslizamiento o rotación entre moléculas (polímeros).
Una superficie de fractura por clivaje de una pieza polimérica o cerámica amorfa, se parece mucho a la que muestra un grano clivado metálico o cerámico a nivel microscópico, es decir, una textura plana con marcas radiales y de río, y puede haber marcas de posición del frente de grieta.
En las superficies de fractura por clivaje de piezas hechas de polímeros o cerámicos amorfos, es común que se presenten tres regiones diferenciables: (1) región espejo, donde la grieta muestra una textura muy plana con ausencia de marcas radiales o de río (si no hay varios planos de origen). En esta zona la grieta acelera su velocidad de propagación, y puede aumentar aún más la velocidad, ya que no ha alcanzado el límite; (2) región de niebla o bruma, donde la grieta está próxima a alcanzar la velocidad límite de propagación en el material, pero si aún hay una fuerza conductora de grieta muy alta, ello hace que el material consuma ese exceso de energía que no puede consumir vía aceleración de la grieta, a través de la formación de nuevas superficies de grieta (marcas radiales y de río), lo que origina ese aspecto de bruma o neblina por la mayor rugosidad; (3) región Hackle, donde si aún hay una fuerza conductora de grieta muy alta, se multiplica la formación de nuevas superficies de grieta, y por lo tanto de marcas, lo que desemboca en un relieve muy rugoso con una propagación incluso caótica de las grietas; aquí la velocidad de propagación de las grietas está en el límite que permite el material (figura 3.16). Los límites entre la región espejo, la de niebla y la Hackle, son marcas de posición del frente de grieta.
Al comparar la figura 3.16 (superior izquierda), con la figura 3.13 (izquierda), se puede notar en esta última que la zona alrededor de la flecha azul sería la región espejo y alrededor de ella está la zona Hackle. Así, la textura, las marcas y las regiones que hay en un grano metálico o cerámico clivado, son en esencia las mismas de un material amorfo clivado.
Figura 3.16 Superficie de fractura de lámina de vidrio impactada
Nota. Zona de inicio de fractura donde es posible observar la región espejo, la de niebla y la Hackle (superior izquierda); detalle de una región Hackle en la misma pieza, donde hay una alta rugosidad, producto de la alta densidad de marcas radiales y de río. Nótese que las marcas tratan de formar el patrón de Chevron (superior derecha); detalle de otra zona Hackle menos rugosa, donde se ven las marcas de río y marcas Wallner, que en este caso también son marcas de posición del frente de grieta (inferior). Las flechas rojas indican la dirección de propagación.
Fuente: elaboración propia.
En materiales compuestos, ya que hay varios materiales metálicos, cerámicos o poliméricos mezclados, y en diferentes arquitecturas (matriz-partícula, matriz-fibra, multicapas, etcétera), se complica el estudio de los diferentes modos de fractura; sin embargo, en el caso del clivaje, este se presentará en los agregados o matriz intrínsecamente frágiles, y en el caso particular de la arquitectura multicapa, es posible que el plano de clivaje no siga necesariamente el plano de máximo esfuerzo normal de la pieza, sino un plano interlaminar donde el esfuerzo normal local es lo suficientemente alto, como para provocar el clivaje de un adhesivo o una matriz.
Fracturas súbitas donde se combina el clivaje con otros mecanismos (por ejemplo, con la formación de microvacíos) o fracturas progresivas donde se forman facetas similares a las del clivaje súbito, pero que difieren en morfología o planos cristalinos de propagación, se denominan cuasiclivaje.
3.5.2 Mecanismo de la fractura súbita frágil intergranular
Este es un mecanismo de fractura súbita frágil que se presenta en materiales policristalinos, donde la descohesión del material sigue los límites de grano. Lo anterior origina una textura granular en la superficie de fractura, la cual a escala macro sigue la dirección perpendicular al esfuerzo máximo local de tracción (figura 3.12, derecha). Así, la diferencia entre la fractura frágil intergranular y la de clivaje está en que la primera sigue los límites de grano y la segunda los planos de clivaje.
En los metales se presenta una temperatura crítica conocida como temperatura equicohesiva, en la cual la resistencia mecánica de los límites de grano y la interna de los granos es aproximadamente igual; dicha temperatura se ubica aproximadamente en 0,4 de la temperatura de fusión absoluta de cada metal. Por debajo de dicha temperatura, los materiales de este tipo tienden a presentar una mayor resistencia en los límites de grano versus la que tienen en el interior de los granos, debido a que estas barreras presentan mayor resistencia a fluir, por que bloquean el movimiento de las dislocaciones, que es relativamente libre en el interior de los granos. Por lo anterior, cuando un metal policristalino exhibe una fractura súbita frágil intergranular, por debajo de la temperatura equicohesiva, se considera anormal, y, por lo tanto, es probable que