R. Mussini; E. Quagliata

Transcripción

1 R. Mussini; E. Quagliata RESUMEN: INTRODUCCION: A pesar de los cuidados tomados durante las etapas de diseño, fabricación, instalación y operación de componentes estructurales metálicos, los mismos fallan. Muchas de estas fallas involucran un alto impacto económico y en algunos casos pérdidas humanas. La ocurrencia de las mismas es de tal frecuencia, que el construido un importante tópico de estudio. Esto último es el objeto de la tecnología del análisis de fallas. En muchas circunstancias, las fallas involucran procesos de fractura. El análisis de las superficies de fractura o análisis fractográfico, en muchos casos suministra valiosa información acerca de las causas de falla. Uno de los principales aportes en este sentido ha sido realizado por Zapffe en 1944, quien fue el primero en desarrollar un dispositivo para poder estudiar las características de las superficies de fractura a nivel microscópico. La aplicación del análisis fractográfico a componentes metálicos ha sido mayormente difundida durante el análisis de fallas de componentes en ingeniería mecánica. No obstante, este mismo tipo de análisis puede ser también utilizado durante el estudio de fallas de componentes en obras de ingeniería civil. El objetivo del presente trabajo consiste en resaltar algunos aspectos del análisis fractográfico, a efectos de que los mismos puedan ser utilizados durante el estudio de fallas de componentes en obras de ingeniería civil. Antecedentes Los metales fallan en muchos diferentes sentidos. Determinar la(s) causa(s) de la falla es de vital importancia para poder prevenir la recurrencia de la misma. Una de las fuentes más importantes de información relacionada con la causa de la falla es la superficie de fractura. Esta superficie constituye un registro detallado de la historia de la falla del componente. Ella contiene por ejemplo, evidencia de la historia de cargas, efectos del medio y características del material.

2 A temperaturas inferiores a 0,3T M (T M es la temperatura absoluta de fusión del metal) tienen lugar dos tipos básicos de fractura, los que pueden ser clasificadas como: a) fractura instantánea: ocurre en el momento de aplicación de la carga, sin necesidad de que exista una acumulación progresiva de daño en el material previa al evento de fractura. b) fractura progresiva: involucra tensiones variables y acumulación progresiva de daño en el material. Adicionalmente, las fracturas instantáneas pueden ser clasificadas desde un punto de vista energético, es decir en función de la cantidad de energía necesaria para su propagación: Fractura frágil (baja energía de propagación): la tensión excede la resistencia dinámica del material. Fractura dúctil (alta energía de propagación): la tensión excede la resistencia estática del material (sobrecarga). Es usual confundir los términos mecanismo de falla y causa de falla. Por ejemplo, cuando la fractura en un componente es identificada como de fatiga, la fatiga aquí constituye el mecanismo de falla y no la causa. La causa que activó este mecanismo, podría ser una elevada tensión a nivel local en la zona de la fractura debido a la existencia de un concentrador de tensiones. El aumento local de tensión debido a la presencia del concentrador de tensiones, pudo haber sido subestimado durante la etapa de diseño. Esto último constituye lo que usualmente es designado como causa subyacente. Es importante notar que si bien el objetivo del análisis de fallas no es determinar propiamente el mecanismo de falla, éste tiene que ser previamente conocido para llegar a dilucidar las causas. En el ejemplo anterior, fue necesario determinar el mecanismo de falla para luego poder identificar las causas que activan este mecanismo. METODOLOGIA Daño de especimenes de fractura Las superficies de fractura son delicadas y están sometidas a daño mecánico y al daño asistido por el características microestructurales. Generalmente esto no es tenido cuenta, por lo cual al realizar un análisis fractográfico puede existir pérdida de información y/o interpretaciones erróneas debido a daños introducidos durante el manejo inadecuado de las superficies de fractura. Consecuentemente, los especimenes para realizar análisis fractográfico deben ser cuidadosamente manipulados durante todas las etapas del mismo. En la Fig. 1 se muestran las operaciones prohibidas durante el manejo de superficies de fractura.

3 Fig. 1 Operaciones prohibidas durante el manejo de las superficies de fractura (Brooks, 1993). Tanto el daño mecánico como el daño químico pueden ocurrir durante o después del evento de fractura. El daño mecánico tiene carácter irreversible. Sólo se realizarán aquí algunos breves comentarios acerca del daño químico que tiene lugar después del evento de fractura. Este tipo de daño es el resultado de las condiciones del medio. El aire húmedo es considerado agresivo para muchas aleaciones base hierro y causará oxidación de las superficies de fractura del acero en un breve período de tiempo. Preservación A menos que la fractura sea evaluada inmediatamente después de que se produjo, ella debe ser preservada lo antes posible para prevenir el ataque del medio. Muchos procedimientos se han sugeridos para la preservación, sin embargo la mayoría de ellos se vuelven impracticables debido a que en general las fracturas tienen lugar en condiciones de campo. En estos casos, es aconsejable recubrir la fractura con aceite o preferiblemente con grasa lubricante, en ambos casos sin ningún uso previo de los mismos. Inspección de superficies de fractura En análisis de fallas es aconsejable inspeccionar primeramente en forma global el componente fracturado a efectos de identificar el sistema de cargas actuante en el mismo. Esto contribuirá a ubicar el sitio (o los sitios) del inicio de la fractura. Una vez hecho esto, se deben localizar las áreas que se consideren más El origen frecuentemente contiene pistas de la causa de fractura, por lo que el análisis de este, a bajas y

4 altas magnificaciones, es de vital importancia para un exitoso análisis de falla. Cuando el tamaño de la parte fallada lo permita, el examen visual puede ser realizado con un esteromicroscopio. En general, este tipo de equipamiento cuenta con un sistema de iluminación oblicua La inspección visual se vuelve necesaria para poder revelar concentradores de tensión, imperfecciones del material, soldaduras y otros detalles estructurales que puedan haber contribuido a la fisuración. Por último, a través del análisis macroscópico (o macrofractografía) también se puede clasificar a las fracturas instantáneas en cuanto a la ductilidad relativa de las mismas. Es importante notar que, desde el punto de vista macroscópico y microscópico, las fracturas instantáneas de componentes estructurales, generalmente no son puramente frágiles o puramente consisten en una mezcla de ambos tipos, donde alguno de ellos resulta predominante. Las etapas de iniciación y propagación de la fractura producen ciertas marcas características sobre la superficie de la misma. Estas características fueron identificadas por los primeros investigadores sobre probetas fracturadas, al realizar diversos tipos de ensayos en condiciones de laboratorio. Las probetas eran sistemáticamente ensayadas sometiéndolas a diferentes tipos de condiciones de tensión, temperatura y velocidad de deformación. Por ejemplo, al realizar el ensayo de impacto Charpy se somete a una probeta entallada a condiciones de flexión dinámica, Fig. 2. En estas condiciones, se desarrolla en la axial. Fig. 2 Ensayo de impacto Charpy, (ASTM- E 23). El resultado de este ensayo indica el valor de la energía necesaria para la formación y propagación de una fisura, cuyo origen se encuentra situado en la raíz de la entalla. O sea, donde el estado de tensiones es triaxial. Al estudiar la influencia de la temperatura en el valor de energía medido, los primeros investigadores

5 verificaron que en metales con estructura cristalina BCC y HCP, la energía absorbida decrece bruscamente con la temperatura, Fig. 3. Fig. 3 Efecto de la temperatura en el valor de energía de impacto en acero al bajo carbono (BCC), (Felkins et. al., 1998). Adicionalmente, también fueron identificadas dos diferentes tipos de superficies sobre la fractura de las probetas. Las mismas fueron designadas como fractura dúctil o de corte (shear fracture) y fractura frágil (brittle fracture). El área correspondiente a la superficie de fractura de corte disminuye con el descenso de la temperatura, Fig. 4. Consecuentemente, también se producirá un incremento del área de la superficie de fractura frágil para bajas temperaturas de ensayo.

6 Fig. 4 Efecto de la temperatura en el área de fractura correspondiente a fractura de corte en acero al bajo carbono (BCC), (Felkins et. al., 1998). Este mismo tipo de características encontradas sobre las superficies de fractura de probetas de impacto Charpy son utilizadas por el analista durante el análisis fractográfico de componentes estructurales para clasificar a las fracturas instantáneas, desde el punto de vista macroscópico, como frágiles (baja energía de propagación) o dúctiles (alta energía de propagación).

7 La Fig. 5 muestra el aspecto macroscópico de las superficies de fractura de probetas de impacto de un mismo acero, ensayado a diferentes temperaturas. En la parte inferior de dicha figura se muestra el aspecto microscópico de las probetas D y B tal como se observa en el microscopio electrónico de barrido (SEM) a 400X.

8 Fig. 5 Aspecto macroscópico y microscópico de probetas de impacto Charpy de acero ensayadas a diferentes temperaturas, (Metals Handbook,Vol 12, 1987). A temperaturas superiores a 10 C, puede apreciarse una mayor cantidad de deformación plástica puesta s del aumento de la expansión lateral de las probetas en las proximidades de la cara opuesta a la que contiene la entalla. Es decir el origen de la fractura, ubicado en la raíz de la entalla, presenta menor cantidad de deformación plástica, mientras que la mayor cantidad de deformación plástica. Esta última consideración es algunas veces utilizada por el analista durante el análisis fractográfico para localizar el origen de la fractura. Para el caso de fracturas instantáneas dúctiles o de sobrecarga y para el caso de fracturas progresivas de fatiga, relaciones similares a las anteriormente descritas entre características de las fracturas de probetas de ensayo y fracturas de componentes son utilizadas. Obviamente los estados tensionales en componentes, suelen ser más complejos que los existentes en probetas de laboratorio, esto conduce a significativas alteraciones de las características observadas sobre las superficies de fractura. Tales alteraciones no se encuentran comprendidas dentro del objetivo del presente trabajo. En el Apéndice I se presenta un resumen de las características encontradas en las superficies de fracturas instantáneas y de fatiga a diferentes escalas de observación. En la parte inferior del mismo, se indican posibles factores que contribuyen al desarrollo de los tipos de fractura antes mencionados. Estos factores pueden servir de orientación para la determinación de las causas de falla durante el análisis. CONCLUSIONES: La fractografía, constituye una valiosa herramienta para el análisis de fallas que involucran procesos de fractura. Dichos procesos, pueden tener lugar en estructuras metálicas en obras de ingeniería civil. El resultado del análisis de falla conducirá a la determinación de las causas que la generaron. El conocimiento de las causas, contribuye significativamente a evitar la recurrencia de las fallas, a través de mejoramientos en el diseño, fabricación y operación de estructuras metálicas.

9 APENDICE I, (Metals Handbook,Vol 11, 1986)

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11 REFERENCIAS Brooks, C. and Choudhury, A.; Metallurgical Failure Análisis, McGraw-Hill, Metals Handbook, 9 th Ed., Vol.11, Failure Analysis and Prevention, ASM, Metals Handbook, 9 th Ed., Vol.12, Fractography, ASM, Felkins, K., Leighly, H., Jankovic, A.; The Royal Mail Ship Titanic: Did a Metallurgical Failure Cause a Night to Remember?, JOM Vol. 50, TMS, 1998.