Introducción a la mecánica de la fractura

Transcripción

1 Introducción a la mecánica de la fractura En este capítulo introductorio, se comentarán algunos aspectos generales de la mecánica de la fractura, con el objeto de definir apropiadamente características básicas relacionadas con la interpretación de las imágenes relativas a las superficies de fractura. En la figura 1, se aprecia una vista general de una fractura dúctil ocurrida por tracción. Se observan tres zonas: una zona central que es donde comienza la rotura y tiene apariencia plana, una zona intermedia radial y finalmente una zona externa caracterizada por una superficie oblicua denominada shear lips. En la 1 se muestra una fractura frágil, no apreciándose la presencia de cuello, ni shear lips. En cuanto a los micromecanismos de fractura, en la figura 2 se muestran ejemplos de fractura por clivaje. En el caso de la figura 2 se muestra la fractura por clivaje de un monocristal de acero al cromo soldado, apreciándose una configuración denominada marcas de río, por la similitud a la apariencia de un río visto desde el aire. Estas marcas de río tienen su origen en la intersección de las grietas con dislocaciones o con bordes de grano. En la figura 2 se observan los planos de clivaje de una fractura de Cu-25% atómico de Au que falló por corrosión intergranular debida a corrosión bajo tensión. En la figura 3 se muestra la imagen típica correspondiente a una fractura ocurrida por fatiga en una aleación de aluminio 2024-T3. En la figura 3 se muestran las estriaciones por fatiga y una inclusión, la cual aparece a más aumentos en la figura 3. Estas estriaciones son normales en una imagen de fractura ocurrida por fatiga y corresponden a la huella que deja la grieta al avanzar por el material. Como es de esperar, la dirección de avance de la grieta es perpendicular a estas marcas, denominadas marcas de playa, por la semejanza que tiene con las huellas que dejan las olas al retirarse. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-1

2 Figura 1. Apariencia macroscópica de Fractura dúctil; Fractura frágil. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-2

3 20 m Figura 2. Superficies de fractura por clivaje Monocristal de acero al cromo soldado; Aleación Cu-25% at Au, rota por corrosión bajo tensión. Figura 3. Fractura por fatiga de una aleación de Al 2024-T3 El rectángulo muestra una inclusión Imagen aumentada del rectángulo. La figura 4, muestra la superficie de fractura correspondiente a la rotura de acero con 0.02%C, 0.14%S, 0.04%O y 1.1%Mn, ocurrida por flexión a temperatura ambiente. La aleación se encuentra en estado de colada. Las inclusiones que aparecen son partículas de MnO y MnS atrapadas entre los brazos dendríticos. Estas inclusiones se descohesionan de la matriz en las primeras etapas de la fractura, concentrando los esfuerzos debido a la disminución de área. Por esta razón, se produce un incremento de la deformación plástica en la zona adyacente a la partícula despegada, lo que se denomina dimples. Al expandirse Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-3

4 la cavidad dejada por la partícula, más se concentra el esfuerzo y por consiguiente la deformación, produciéndose el crecimiento de la cavidad y su eventual coalescencia con la cavidad vecina. Claramente, este micromecanismo de fractura va acompañado de una gran cantidad de deformación plástica, como puede verse por los grandes contrastes entre claros y oscuros, lo que en microscopía electrónica de barrido está relacionado con zonas muy deformadas. Por esta razón, este mecanismo se conoce con el nombre de nucleación, crecimiento y coalescencia de cavidades y es el típico micromecanismo asociado a la fractura dúctil. En la figura 4 puede verse una imagen amplificada de la zona anterior. Figura 4. Micromecanismo de fractura dúctil en acero con 1.1 %Mn, 0.04%O y 0.14%S roto a temperatura ambiente por flexión. Se aprecian cavidades con partículas (1500X); El EDAX (Energy Dispersive X Ray Analysis) revela que se trata de partículas de MnO y MnS (4000X). La figura 5 muestra la superficie de fractura de acero bajo en carbono y alto en oxígeno roto a temperatura ambiente. Muchas de las cavidades contienen partículas de FeO. La zona correspondiente al rectángulo se muestra en la figura 5 y muestra la presencia de una partícula de FeO que se hace más evidente en la figura 5(c) al utilizar otro tipo de exposición. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-4

5 En la figura 6 se muestra una fractura por impacto de Fe-0.01%C-0.24%Mn y 0.02%Si, tratado a 950ºC durante 30 min y luego enfriado al aire, de estructura ferrítica con dureza 62 HV. La fractura ocurrió por impacto a 196ºC. La propagación de la grieta por clivaje fue en la dirección de la flecha. En la figura 7, se muestra la fractura intergranular de una acero Armco, roto en un ensayo de Charpy a temperatura ambiente. La grieta se produjo por fragilización por oxigeno. Figura 5. Rotura de un acero de bajo carbono y alto oxígeno a temperatura ambiente. Se pueden ver muchas partículas de FeO (500X); Ampliación del rectángulo de la imagen anterior (2400X). Figura 5(c). Superficie de fractura idéntica a la de la figura 5 pero con distinta exposición. (2400X). Figura 6. Rotura por impacto de acero ferrítico a 196ºC. La propagación de la grieta fue en la dirección de la flecha. (300X). Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-5

6 Tal como se observa, las grietas avanzan por entre medio de los granos, a través de las juntas. En la figura 7 se muestra una ampliación de la superficie de fractura anterior, mostrando un par de grietas que atraviesan el grano, lo que significa que la rotura no es puramente intergranular, sino que también presenta zonas de fractura transgranular, es decir, grietas que atraviesan los granos. En la figura 7(c) se muestra otra zona de la superficie de fractura, apreciándose la separación entre los granos. En la figura 8, se muestra la rotura por fatiga de un eje de acero AISI 1041, sometido a torsión, pudiendo apreciarse el origen de la rotura en las zonas marcada con A y B. Este eje fue endurecido por inducción hasta 50 HRC. La grieta A creció a través de gran parte del perímetro del eje por fatiga, creciendo luego por fractura repentina, tras encontrar una grieta más pequeña que creció por fatiga en B. Las marcas Chevron en la zona endurecida indican el origen de ambas grietas. Figura 7. Rotura por impacto a temperatura ambiente de una acero Armco, fragilizado por oxígeno Se muestran grietas intergranulares (55X); presencia de grietas transgranulares (655X). Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-6

7 Figura 7(c). Otra zona de la fractura anterior mostrando a 670X la separación entre juntas de grano. Figura 8. Rotura a fatiga de un eje de acero AISI 1041, sometido a torsión. Pueden verse en A y B el origen de la fractura. En la figura 9, se muestra un perno de la suspensión trasera de un automóvil que falló por agrietamiento por corrosión asistida por hidrógeno. El acero es de bajo carbono, al boro y tratado térmicamente, para inducir martensita. Este material se escogió debido a su gran conformabilidad en frío, lo que permitió fabricar la cabeza del perno con una arandela integrada tal como se observa en la figura. Los pernos fueron templados y revenidos hasta 44 HRC. Los pernos que fallaron tenían una dureza igual o superior a 44 HRC y además presentaban una región descarburizada y blanda (permitida por la norma), de alrededor de 0,2 mm de espesor. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-7

8 Figura 9. Perno de suspensión roto por agrietamiento por corrosión asistida por hidrógeno. Imagen de la rotura; Superficie de fractura del hilo del perno. (c) (d) Figura 9(c). Superficie de fractura, mostrando un pit, como origen de la falla, 20X; (d) Zona de fractura intergranular asistida por hidrógeno, rodeando el origen de la falla, 1000X. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-8

9 La sal presente en el pavimento (para derretir la nieve), mezclada con agua, al salpicar en el mecanismo de suspensión produjo la liberación de hidrógeno. Este hidrógeno contribuye a atacar la superficie del perno, mediante el micromecanismo de picado, atacando preferencialmente la zona correspondiente al hilo, como se muestra en la figura 9(c). Sin embargo, las grietas no tienen facilidad para avanzar en la zona descarburizada, ya que ésta es blanda y tenaz. Una vez que la grieta logra llegar a la zona de mayor dureza, el hidrógeno promueve un avance rápido de la grieta a través de las juntas de granos previamente austeníticos, figura 9(d). Finalmente, en la figura 9(e) se muestra el aspecto de la fractura que tiene lugar en la zona blanda del perno. Tal como se aprecia, corresponde al micromecanismo conocido como de nucleación, crecimiento y coalescencia de cavidades, típico de fractura dúctil. Esta fractura dúctil ocurre con lentitud lo que hace que el perno haya presentado una vida útil de aproximadamente dos años. Figura 9(e). Zona de fractura dúctil: nucleación, crecimiento y coalescencia de cavidades. (500X) En la figura 10 se muestra una fractura por fatiga de un eje de 90 mm de diámetro, de acero de medio contenido en carbono. La pieza estuvo sometida a esfuerzos unidireccionales. La imagen muestra cuatro orígenes de grietas que avanzan y se juntan en la parte superior del eje. En la figura 10 se muestra a más aumentos la zona correspondiente al inicio de la falla, notándose claramente las marcas de playa. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-9

10 Figura 10. Fractura por fatiga de un eje de medio contenido de carbono Se aprecian los cuatro puntos del origen de la fractura; Ampliación de la imagen anterior, mostrando las marcas de playa. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-10

11 En la figura 11 se muestra la rotura de un eje de transmisión de automóvil por sobrecarga. El material es un acero AISI 1050 endurecido y revenido hasta 60 HRC. En la figura11 se muestran las marcas tipo chevron en la zona endurecida que indican un punto único de origen de la falla. Las zonas de grano fino y grueso en las zonas superficiales e interior respectivamente, muestran que el tratamiento térmico fue correctamente hecho. En la figura 11 se muestra la misma fractura vista de perfil. Figura 11. Fractura de un eje de acero 1050 por sobrecarga se muestran las marcas chevron que indican el inicio de la falla; vista de perfil de la fractura. En la figura 12 se muestra una fractura por fatiga de acero de 16 mm de diámetro de acero AISI 10B62 usados en resortes de suspensión de automóviles. Se aprecia que el origen de la fractura probablemente se localizó en la superficie avanzando tan lentamente que ocurrió corrosión, detectable por la sombra oscura en la zona de fatiga. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-11

12 Figura 12. Fractura por fatiga de un resorte de suspensión hecho de acero AISI 10B62. En la figura 13 se muestra la fractura de un resorte de suspensión de 13 mm de diámetro de acero AISI 10B62 con dureza 77 HB. Notar las marcas superficiales que fueron generadas durante el enrollado. En la figura 13 se muestra otra vista de la fractura anterior, mostrando el origen de la falla en una imperfección superficial. La pequeña zona de fatiga indica que la fractura repentina se produjo inmediatamente después de generada la grieta. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-12

13 Figura 13. Fractura de un resorte de acero AISI 10B62 Notar las imperfecciones superficiales grieta que nace en una falla superficial. Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5-13