Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos. Édgar Espejo Mora
Los límites de grano son zonas de alta densidad de imperfecciones cristalinas (vacancias y dislocaciones), de alta difusividad de elementos químicos, de alta velocidad de nucleación y crecimiento de nuevas fases y de alta absorbancia de elementos químicos desde el medio que rodea una pieza, lo cual facilita algunos procesos que pueden hacer que por debajo de la temperatura equicohesiva, los límites de grano muestren una menor resistencia que la del clivaje de los granos. Dentro de tales procesos se encuentran: (1) segregación de elementos químicos fragilizantes hacia los límites de grano durante la fabricación (proceso de fabricación, tratamiento térmico, soldadura, etcétera) o durante la operación; (2) precipitación durante la fabricación o la operación, de partículas o capas de materiales de segunda fase frágiles en límites grano; (3) generación de gradientes de composición química cerca de los límites de grano durante la fabricación o la operación (segregación); (4) clivaje de partículas frágiles de segunda fase en límite grano; (5) difusión de elementos químicos fragilizantes desde el medio ambiente, a través de los límites de grano; (6) presencia de un tamaño de grano grueso, lo cual favorece la ocurrencia de la fractura intergranular sobre el clivaje. Cuando los procesos de fragilización de los límites de grano se desarrollan en servicio, hacen parte de los mecanismos denominados de degradación microestructural en servicio.
En aceros algunos de los procesos fragilizantes más conocidos son: (1) segregación en ciclos de tratamiento térmico o termoquímico hacia límites de grano de la austenita original, de elementos químicos fragilizantes de los grupos IV a VI de la tabla periódica, tales como el silicio, el germanio, el estaño, el fósforo, el arsénico, el antimonio, el azufre, el selenio y el telurio; (2) formación de carburos discontinuos o continuos en límite de grano de la austenita original, en aceros bonificados o recocidos de alto carbono; (3) formación de películas de carburo en límites de grano, por divorcio eutectoide en aceros de bajo carbono; (4) formación de nitruros en límites de grano de la austenita original de aceros nitrurados; (5) formación de AlN en límites de grano de la austenita original, cuando se enfrían lentamente desde 1300 oC o desde fusión; (6) sensibilización de aceros inoxidables austeníticos por precipitación de carburos de cromo en límites de grano; (7) fragilización de aceros maraging por precipitación en límites de grano de la austenita original, de carburos o carbonitruros de titanio, cuando se calientan por encima de 1095 oC y se enfrían lentamente; (8) precipitación de sulfuro de manganeso en límites de grano, por sobrecalentamiento durante trabajo en caliente o soldadura (entre 1200 y 1300 oC); (9) fragilización por difusión en límites de grano de la austenita original, de elementos como el mercurio, el galio, el cadmio, el zinc, el indio y el litio, cuando están en estado líquido y en contacto con el acero (fragilización por metales en estado líquido o sólido); (10) fragilización por difusión o ataque con hidrógeno; (11) corrosión previa intergranular.
Otros ejemplos de procesos de fragilización en otras aleaciones son: (1) fragilización en molibdeno por difusión en límites de grano de oxígeno, nitrógeno o carbono; (2) fragilización de aleaciones de cobre por segregación hacia límites de grano de antimonio o por precipitación de partículas de óxido de cobre; (3) fragilización por difusión y/o ataque del hidrógeno en la mayoría de aleaciones metálicas; (4) formación de zonas libres de precipitado (ZLP), cerca de los límites de grano, durante procedimientos erróneos de envejecimiento.
El inicio de la descohesión intergranular en metales que han sufrido alguno de los procesos de fragilización antes descritos, puede darse, entre otros, a través de los siguientes fenómenos: (1) descohesión o ruptura a tracción de enlaces entre átomos ubicados en límites de grano; (2) movimiento de dislocaciones en corte entre granos adyacentes, que finalmente generan descohesión intergranular; (3) por difusión de los átomos fragilizantes a zonas que bajan la resistencia local y promueven la descohesión intergranular (figura 3.17). El apilamiento de dislocaciones contra límites de grano, o el clivaje previo de partículas de segunda fase ubicadas en límite de grano (figura 3.14, imágenes a la izquierda), también son sitios de inicio de la descohesión intergranular. Estos y otros procesos relacionados involucran un grado de deformación plástica aún menor que el del clivaje; por ello, la tenacidad asociada a este mecanismo de fractura es en general menor que la del clivaje.
Figura 3.17 Ejemplos de iniciación de la descohesión intergranular (microgrietas o microvacíos)
Nota. Descohesión de granos bajo la acción directa del esfuerzo normal aplicado (superior); descohesión en límite de grano por deslizamientos internos de los granos (inferior izquierda); descohesión en límite de grano por difusión de átomos fragilizantes (inferior derecha).
Fuente: elaboración propia.
Con lo anterior, el mecanismo del agrietamiento intergranular, que se puede dar en materiales metálicos policristalinos, se resume en: (1) fragilización de los límites de grano del material, a través de alguno de los procesos antes descritos; (2) aplicación del esfuerzo; (3) en algunos casos puede haber flujo plástico previo por movimiento de las dislocaciones (figura 3.17, inferior izquierda); (4) iniciación de la descohesión intergranular, es decir, formación de microgrietas o microvacíos (también pueden ser grietas submicrométricas); (5) crecimiento inestable de grietas por descohesión intergranular, ya que se presenta menor resistencia respecto a la del crecimiento inestable por clivaje (producto de la fragilización).
A nivel microscópico, las superficies por fractura frágil intergranular mostrarán el contorno de los granos que recorrió la grieta (figura 3.18, izquierda), y en algunos casos se encontrarán microhuecos o microvacíos en los contornos de dichos granos, que podrán estar relacionados con alguno de los mecanismos de inicio del agrietamiento en cada grano, como: fractura de partículas de segunda fase, apilamiento de dislocaciones, descohesión de límite de grano, descohesión por deslizamientos internos en granos adyacentes o difusión de elementos químicos fragilizantes (figura 3.18, derecha). A estos microhuecos o microvacíos se les suele llamar cavitación en límite de grano, y su presencia es mucho más común cuando hay una mayor participación de la deformación plástica cerca a los límites de grano durante el proceso de fractura, lo que se puede dar en fracturas súbitas mixtas (figura 3.40, inferior).
Figura 3.18 Imágenes de MEB de fracturas súbitas frágiles intergranulares
Nota. Contornos de los granos en la superficie de fractura (izquierda); presencia de microhuecos o microvacíos en los límites de los granos, formados por el inicio de alguno de los mecanismos de fractura intergranular, lo que se conoce como “cavitación en límite de grano” (derecha).
Fuente: elaboración propia.
En los materiales cerámicos policristalinos, como no hay capacidad de deformación plástica, no siempre se espera que una fractura súbita frágil “normal” deba ser por clivaje, ya que es posible que los límites de grano sean intrínsecamente más débiles para algunos de estos materiales. Por lo tanto, la fractura súbita frágil intergranular no se asociaría necesariamente a un fenómeno previo de fragilización.
3.5.3 Fractografía de las fracturas súbitas frágiles
La formación de una fractura súbita frágil se favorece si: (1) el material del cual está hecha la pieza es intrínsecamente frágil; por ejemplo, materiales cerámicos, polímeros termoestables, algunos elastómeros o metales de alta dureza, o metales que han experimentado algún proceso de fragilización por precipitación de partículas de segunda fase o