1.4 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LA INFLUENCIA DE LA PRESENCIA DE DISCONTINUIDADES GEOMETRICAS

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1 1-12 Modos de Falla en Componentes Estructurales 1.4 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE LA INFLUENCIA DE LA PRESENCIA DE DISCONTINUIDADES GEOMETRICAS Si bien la presencia de discontinuidades en un elemento estructural puede reconocer diversos orígenes, nos interesan en particular aquellas introducidas por los procesos de soldadura. En este sentido, se acepta en general que la influencia que una soldadura tiene sobre un elemento estructural se manifiesta a través de los siguiente factores: Introducción de discontinuidades geométricas Introducción de estructuras metalúrgicas frágiles Introducción de tensiones residuales locales del orden del valor de la tensión de fluencia del material base Producción de estructuras monolíticas que proveen un camino continuo para el avance de la fisura. Los tres primeros factores constituyen discontinuidades de distinta naturaleza que muchas veces son ignoradas en el proceso de diseño del elemento o componente, pero que pueden tener una influencia decisiva sobre los modos de falla por fatiga, corrosión y fractura rápida. La naturaleza de las discontinuidades introducidas por una soldadura puede entonces ser clasificada como geométrica, metalúrgica o mecánica. Obsérvese que las discontinuidades de naturaleza geométrica son las que en general se procura poner de manifiesto mediante las técnicas convencionales de ensayos no destructivos, y a las que en general asociamos con el término defecto. No obstante, es la interacción entre la triple naturaleza de las discontinuidades introducidas por la soldadura con las variables que caracterizan las condiciones de servicio lo que determina la significación de un determinado defecto sobre el comportamiento del componente. Las condiciones de servicio pueden ser caracterizadas a través de las siguientes variables: Modo de aplicación de las cargas (estáticas, dinámicas. Cíclicas, impulsivas, etc.) Temperatura Naturaleza del medio ambiente (ácido, alcalino, oxidante, inerte, etc.) De manera esquemática, resulta: Es decir: Naturaleza de la Discontinuidad Variables que caracterizan las condiciones de servicio Significación de la discontinuidad

2 Geométrica Metalúrgica Mecánica Modos de Falla en Componentes Estructurales 1-13 Modo de aplicación de las cargas Temperatura Naturaleza del medio Significación de la discontinuidad Es fácil ver que las múltiples relaciones sugeridas por el esquema anterior constituyen un sistema de complejidad apreciable, por lo que puede decirse que éste es aún en buena medida un capítulo todavía abierto de la ingeniería. De todos modos es mucho lo que se ha avanzado en la comprensión de los fenómenos que tienen lugar cuando una dada discontinuidad es expuesta a determinadas condiciones de servicio. En tal sentido, es conveniente explorar algunas de las relaciones indicadas mas arriba. Comenzaremos analizando el comportamiento de una discontinuidad geométrica bajo distintos modos de aplicación de las cargas. Antes de comenzar a efectuar este análisis, es conveniente hacer una clasificación de las discontinuidades geométricas en planares y no planares o volumétricas. Como veremos, esta clasificación no es útil sólo desde un punto de vista conceptual sino también relevante desde un punto de vista práctico. Significación de las discontinuidades sobre el comportamiento en servicio. Una de las preguntas que primero surgen cuando una soldadura contiene una discontinuidad geométrica, es en qué medida la presencia de la misma afecta la capacidad portante de la unión soldada. Experiencias de laboratorio nos enseñan que la resistencia a la rotura de una soldadura que contiene defectos no planares o volumétricos disminuye en proporción directa a la reducción de la sección neta resistente. La Diapositiva 6 reproduce algunos de los resultados experimentales obtenidos midiendo la disminución de la tensión de rotura en uniones soldadas con distintos electrodos y conteniendo defectos volumétricos que reducen la sección resistente neta en diversas proporciones. Puede observarse que la disminución de resistencia es proporcional a la reducción de área resistente neta independientemente del electrodo usado o de la forma y distribución del defecto volumétrico considerado. Esto significa que si tenemos digamos una porosidad que disminuye en un 5% la sección neta resistente de la soldadura, la capacidad portante de la unión se verá afectada en la misma proporción, es decir en un 5%. Este es un resultado general válido para cualquier tipo de defecto volumétrico (no planar) y para cualquier tipo de material de aporte. Lo precedente constituye un resultado sumamente importante ya que nos dice que mientras nos limitemos a defectos volumétricos, el único efecto de su presencia es una disminución en la capacidad de carga de la unión igual a la reducción de sección neta que tal presencia produzca. En general, como veremos oportunamente, los códigos de práctica suelen limitar por razones de buena práctica

3 1-14 Modos de Falla en Componentes Estructurales ( workmanship ), la cantidad de defectos volumétricos, P.Ej. poros e inclusiones de escoria, mucho antes de que afecten significativamente la sección resistente, y por ende la capacidad de carga de la unión. Si en lugar de discontinuidades no planares o volumétricas consideramos ahora el efecto de discontinuidades planares, su efecto sobre la tensión de rotura de la unión que las contiene difiere de manera marcada de la situación anterior. De hecho, si las dimensiones del defecto planar (P.Ej la longitud de fisura), fuese suficientemente grande, la tensión de rotura puede hacerse inferior a la tensión de fluencia del material e incluso inferior a la tensión necesaria para producir la deformación plástica de los ligamentos o sección neta remanentes. Esto significa que cuando hay un defecto planar, la rotura de la unión soldada puede producirse con tensiones esencialmente elásticas. La Diapositiva 7 muestra esquemáticamente que, a partir de una cierta longitud de defecto, la caída en resistencia de una pieza conteniendo un defecto planar, por ejemplo una fisura, es mucho más rápida que la disminución de sección resistente que la presencia de la fisura produce. Los resultados anteriores ponen de relieve el efecto deletéreo que una discontinuidad geométrica puede tener sobre la capacidad portante de una unión soldada si la discontinuidad representa un concentrador de tensiones eficaz como típicamente lo hacen los defectos planares. La diferencia de comportamiento entre discontinuidades volumétricas y planares puede entenderse si se tiene en cuenta que en el primer caso, la rotura se produce por colapso plástico de la sección neta resistente de modo que cuando la tensión en dicha sección alcanza la máxima resistencia a la tracción correspondiente al material (σ UTS ) se produce la rotura. Como se indica en la Diapositiva 8, la carga externa aplicada que producirá la rotura es simplemente el producto de la resistencia a la tracción del material por la sección neta y por lo tanto la capacidad portante se reducirá proporcionalmente a la sección neta. En cambio, en presencia de defectos planares, el modo de rotura dominante es la fractura rápida, dúctil o frágil, cuya ley de variación de la tensión de rotura es tal que disminuye mucho mas rápidamente que la sección neta. En el modo de rotura por fractura rápida, en lugar del colapso plástico de la sección neta se produce la inestabilización brusca de la discontinuidad planar que se extiende sin que sea necesario en general alcanzar la plastificación de la sección neta. En efecto, en el caso de fracturas frágiles, la rotura se produce con la sección neta en estado elástico. Si la fractura rápida es de naturaleza dúctil, el vértice de la fisura es acompañado durante la propagación por una zona plástica de tamaño comparable a las dimensiones características de la sección, pudiendo incluso encontrarse plastificada toda la sección neta. Esta diferencia de comportamiento entre un defecto volumétrico y uno planar es la razón por la cual los códigos de diseño, construcción e inspección de componentes estructurales soldados limitan en general severamente a los últimos, permitiendo una mayor tolerancia por los primeros.

4 Concentradores de tensión Modos de Falla en Componentes Estructurales 1-15 La experiencia ha demostrado que la fractura rápida de componentes estructurales está invariablemente asociada a la presencia de concentradores de tensión tales como fisuras, entallas severas, o cambios bruscos de sección. El aumento localizado de tensiones y deformaciones que producen tales concentradores no es intuitivamente obvio, y es por esta circunstancia que el fenómeno no fue reconocido por los ingenieros hasta fines del siglo XIX. La descripción más simple del efecto de concentración de tensiones está dada recurriendo al concepto de líneas de fuerza. Supongamos tener una placa conteniendo un agujero elíptico central pasante, y sujeta a una tensión aplicada remota uniforme σ como se muestra en la Diapositiva 9. Podemos considerar a la tensión como transmitida de un extremo al otro de la placa por medio de líneas de fuerza, que en las zonas suficientemente alejadas de agujero estarán espaciadas uniformemente. Las líneas mas centrales estarán fuertemente distorsionadas por la presencia del agujero (se dice que el agujero perturba el campo uniforme de tensiones), por lo que tenderán a concentrarse en la vecindad del mismo, lo que resulta en una disminución del espaciado y por lo tanto en un aumento local de la tensión. La credibilidad en este modelo se ve incrementada si consideramos el agujero central como una fisura aguda y dibujamos esquemáticamente la disposición de los átomos cercanos a uno de los vértices de aquella como se muestra en la Diapositiva 10. Para esto, recordemos que los materiales metálicos poseen estructura cristalina, es decir que los átomos que los constituyen adoptan un arreglo periódico espacial característico del sistema cristalino al cual pertenecen. Ahora bien la presencia de una fisura sometida a una tensión externa remota producirá el efecto que se ilustra en la diapositiva que nos muestra que la transmisión de esfuerzos alrededor de la fisura implica grandes cargas y deformaciones del enlace AB. El enlace CD soportará cargas y deformaciones menores, pero sólo cuando consideramos una posición remota tal como la PQ las cargas y las deformaciones serán análogas a las de los extremos de la placa. Debe observarse que el enlace AB puede estirarse más que el CD únicamente si existe un estiramiento (y por lo tanto una tensión de tracción), según los enlaces AC y BD. Esto sugiere por lo tanto que la existencia de la fisura perturba el campo de tensión unidireccional σ creando no sólo una elevada tensión en la dirección y, sino también una tensión de tracción en la dirección de x. Un razonamiento análogo nos conduce a la existencia de una tensión de tracción en la dirección del espesor. Se concluye entonces que existe un estado de triaxialidad de tensiones en el vértice de una fisura o entalla severa. El estado de triaxialidad de tensiones que se genera en el vértice de un concentrador severo o entalla tiene un efecto importante sobre el comportamiento del material. Este fenómeno está ilustrado esquemáticamente en la Diapositiva 11 donde puede verse como varía la curva de tracción de un mismo material con y sin entalla. La presencia de la entalla produce un aumento en la tensión de fluencia y

5 1-16 Modos de Falla en Componentes Estructurales una reducción en la deformación plástica de rotura del material. De manera que la entalla produce una especie de fragilización del material aunque este efecto no tiene nada que ver con cambios en las propiedades intrínsecas del material sino que es el resultado de una cambio en la geometría del mismo. Esta reducción de la capacidad de deformación plástica de un material en el vértice de una entalla, sumado al efecto de concentración de tensiones de ésta, permite entender por que la presencia de defectos planares introduce el riesgo de fractura frágil, ya que al reducirse la capacidad de deformación plástica que requiere la fractura dúctil o el colapso plástico, se privilegia la fractura por clivaje. Ensayos de fractura Sin duda el ensayo mas difundido en la actualidad para determinar la tenacidad o resistencia a la fractura de un material es la rotura mediante el péndulo de Charpy de probetas normalizadas con entalla en V como se muestra en la Diapositiva 12. Este ensayo fue desarrollado en 1905 pero debió transcurrir casi medio siglo para que su significación quedase totalmente aclarada. El ensayo permite medir la energía total necesaria para fracturar la probeta a una dada temperatura. El valor de energía es una medida de la resistencia a la fractura del material o lo que es lo mismo, de su tenacidad. La Diapositiva 13 muestra curvas típicas de energía absorbida versus temperatura de ensayo correspondientes a un ensayo dinámico y a un ensayo en que la probeta entallada fue solicitada en flexión lenta. Puede verse que ambas curvas difieren significativamente lo que pone de relieve la influencia de la velocidad de aplicación de la carga en el proceso de fractura. No obstante estas diferencias, ambas curvas presentan una forma sigmoidal, con una meseta de alta energía y otra de baja energía. Los valores de alta energía corresponden a la fractura dúctil de las probetas, mientras que los valores de baja energía corresponden a los de fractura frágil. En la zona de transición, las superficies de fractura exhibirán una porción dúctil y una parte frágil. Como muestra la diapositiva, en general una mayor velocidad de aplicación de la carga tenderá a desplazar el rango de transición hacia temperaturas mayores y a aumentar la energía de fractura dúctil. Esto último está relacionado con el aumento de resistencia a la deformación plástica que en general muestran los metales cuando aumenta la velocidad de aplicación de la carga. Es importante destacar que, como puede verse en la Diapositiva 14, no todos los metales y aleaciones presentan la transición dúctil-frágil. Por ejemplo, los metales del sistema cúbico centrado en las caras (fcc) como por ejemplo los aceros inoxidables austeníticos y las aleaciones de aluminio no presentan en general tal transición ya que en general se fracturan por mecanismo dúctil únicamente. Desde un principio pudo observarse que los valores de energía absorbida por la probeta al romperse, el porcentaje de cristalinidad de la superficie de fractura, o la contracción experimentada por la raíz de la entalla (o la expansión de la cara opuesta), podían tomarse como parámetros equivalentes. La Diapositiva 15 muestra la expansión de la cara opuesta a la entalla en función de la temperatura mientras que la Diapositiva 16 ilustra la forma de determinar el porcentaje de cristalinidad de la superficie de fractura de la probeta.

6 Modos de Falla en Componentes Estructurales 1-17 De lo anterior surge que si en un componente estructural la fractura frágil se encuentra de alguna manera inhibida, la probabilidad de una fractura rápida se hace mucho menor ya que la energía requerida para alimentar una fractura dúctil es en general mucho mayor. Ahora bien, la energía disponible para alimentar un proceso de fractura rápida, sea ésta frágil o dúctil proviene de la energía elástica acumulada en la pieza o componente estructural bajo la acción de las cargas de servicio. Dado que una fractura dúctil requerirá en general una energía mayor que una fractura frágil, la probabilidad que la energía elástica acumulada en el componente sea suficiente para provocar una fractura rápida dúctil es mucho menor de la probabilidad que la misma cantidad de energía pueda alimentar una fractura frágil. Esta circunstancia está elocuentemente representada por la Diapositiva 17 que muestra la propagación de una fractura rápida sobre dos chapas soldadas en el casco de un barco. Puede verse en la diapositiva que la fisura progresó por la chapa situada a la izquierda de la soldadura prácticamente sin deformación plástica asociada a tal propagación. Este hecho surge de analizar el cuarteado de la pintura en la zona adyacente a la fisura, donde no se observa un mayor resquebrajamiento que en zonas alejadas de aquella. Puede verse que la fisura se propagó a través del cordón de soldadura y se detuvo al pasar a la chapa de la derecha. Ahora bien, si se observa la región adyacente al vértice de la fisura se verá claramente que en la misma el cuarteado de la pintura es mucho más denso que en regiones alejadas al vértice lo que indica que la deformación plástica en dicha zona ha sido muy intensa. Esta evidencia nos dice que mientras la fisura se propagó en el paño de chapa de la izquierda con un mecanismo de fractura frágil, al pasar la fisura al paño derecho dicho mecanismo frágil no se encontraba habilitado lo que hizo que la energía elástica acumulada en la estructura que venía alimentando la fractura frágil se disipara en deformación plástica del material. Siendo la energía disponible insuficiente para producir una inestabilidad dúctil o sea una fractura dúctil rápida, la propagación se detuvo. La razón por la cual la chapa de la derecha tenía mayor tenacidad que la izquierda puede obedecer a diferencias pequeñas de composición o de tamaño de grano, que a la temperatura a la cual se produjo la falla, inhibieron la fractura frágil en la chapa de la derecha. A la luz de lo expuesto, parecería que para evitar el riesgo de fractura frágil basta seleccionar un material tal que la mínima temperatura de servicio se encuentre por encima de la temperatura de transición dúctil-frágil de aquél. Lamentablemente, esta estrategia no resulta debido a que la curva de Charpy no es una constante del material, sino que se modifica con la geometría de la probeta. En efecto, la Diapositiva 18 muestra como se modifica la curva de Charpy cuando se varía el espesor de la probeta. Puede verse que un aumento en el espesor conduce a un incremento en la temperatura de transición. Este efecto está relacionado con el aumento de triaxialidad de tensiones que se produce en el vértice de la entalla cuando se aumenta el espesor. A su vez, este aumento de triaxilidad produce, según ya hemos visto, una disminución de la capacidad e deformación plástica y por lo tanto una fragilización aparente del material. Esto pone de manifiesto las limitaciones para utilizar los resultados del ensayo de Charpy en el diseño, ya que en general el componente a ser construido tendrá un espesor diferente (posiblemente mayor) que la probeta de Charpy.

7 1-18 Modos de Falla en Componentes Estructurales Recién hacia el año 1950 pudo establecerse alguna relación entre los resultados obtenidos en ensayos Charpy y las temperaturas a las que ocurrían las fallas en servicio de estructuras. En este sentido, pudo determinarse que una temperatura de servicio no inferior a la que correspondía a un valor de energía absorbida de 15 Pié-Libra en el ensayo de Charpy, aseguraba protección contra la iniciación de una fractura, por lo que dicho valor fue tomado como criterio general de diseño hacia el año Un año más tarde, el criterio de los 15 Pié-Libra es abandonado por no ser eficaz para el diseño de estructuras realizadas con materiales distintos de aquellos para los cuales el criterio había sido desarrollado (esencialmente chapa naval), lo que dio por tierra con la esperanza de hallar una relación definida entre los resultados del ensayo Charpy y las condiciones reales de servicio de las estructuras. La razón por la cual el ensayo de Charpy es todavía hoy una referencia habitual para la selección de materiales para componentes estructurales es que existe una cantidad muy grande de información empírica que permite vincular valores de energía de Charpy medidas a distintas temperaturas con el comportamiento en servicio de distintos materiales, particularmente aceros estructurales. Tampoco la realización de ensayos en piezas de grandes dimensiones para tratar de poner de relieve efectos de escala arrojó buenos resultados al tratar de reproducir las condiciones de fallas en servicio. Fue recién entonces cuando se comenzó a tomar en cuenta el hecho de que todos los ensayos desarrollados hasta ese momento se habían realizado con probetas con entallas maquinadas. El próximo paso fue entonces el diseño de ensayos que emplearan probetas con fisuras crecidas naturalmente, es decir de una agudeza en el vértice muy superior a las obtenidas mediante maquinado. Esto constituyó un importante paso adelante en la comprensión del problema y dio origen a lo que podemos llamar ensayos modernos de fractura. Entre estos ensayos se destaca uno desarrollado por la marina de los EE.UU. hacia 1953 que tiene difundida utilización en el campo de la ingeniería. Se denomina ensayo Drop Weigth (DW) y una completa descripción del mismo puede hallarse en la norma ASTM E-208. El ensayo consiste básicamente en dejar caer desde una cierta altura un peso sobre una probeta, como se indica en la Diapositiva 19. La probeta se provee de un iniciador consistente en un pequeño cordón de soldadura de alta dureza al que se le efectúa un corte con sierra o con disco abrasivo. El ensayo, que en general es útil para espesores superiores a los aproximadamente 12/13 mm, es altamente reproducible y requiere sólo entre 6 y 8 probetas para determinar la denominada Temperatura de Transición de Ductilidad Nula (NDT o Nihil Ductility Transition Temperature). La temperatura NDT es la mayor temperatura a la cual la probeta rompe de manera frágil. La referida norma detalla la manera de interpretar la forma de rotura para determinar si se ha alcanzado dicha temperatura. Este ensayo, destinado a aceros ferríticos, combina una carga aplicada por impacto con una fisura naturalmente crecida, ya que al comenzar la deformación de la probeta, la entalla practicada sobre el cordón iniciador frágil se transforma inmediatamente en una fisura natural que ingresa a alta velocidad en el material que

8 Modos de Falla en Componentes Estructurales 1-19 es ensayado. El ensayo debe hacerse utilizando probetas de espesor similar al del elemento estructural cuya resistencia a la fractura se desea evaluar. De este modo, el ensayo combina una carga de impacto, con una fisura natural y con una triaxialidad en el vértice de la fisura que reproduce la condición prevaleciente en el componente real. La Diapositiva 19 muestra series de probetas ensayadas a distintas temperaturas y las correspondientes a la temperatura NDT. La importancia de la temperatura NDT así determinada radica en que la misma es un parámetro del material directamente aplicable a las condiciones de servicio del componente en cuestión. Como criterio general, permite garantizar que si la temperatura de servicio no desciende por debajo de la temperatura NDT, el riesgo de fractura frágil se hace muy pequeño.