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Cuatro tipos básicos de mecanismos de fractura.

Cuando falla un componente, la superficie de fractura del componente roto puede decir mucho sobre el mecanismo de falla. A menudo, puede proporcionar detalles o sugerencias sobre por qué ha fallado un componente. En esta breve columna, intentaré describir los cuatro tipos básicos de fractura e indicar las posibles causas. A menudo, estarán presentes múltiples mecanismos de fractura en el componente fallado y pueden llevar al investigador a determinar por qué falló un componente.

El examen de la superficie de la fractura y la metalografía se utilizan para determinar la causa de la falla. Primero, es necesario determinar el modo de fractura. Desafortunadamente, no existe una clasificación clara o lógica de las fracturas. Generalmente, la clasificación se basa en el mecanismo de crecimiento de grietas. Discutiremos cuatro tipos de mecanismos de fractura: falla dúctil, fractura frágil, fractura intergranular y fatiga.

Falla dúctil

La falla dúctil es un mecanismo de falla muy común. En este mecanismo, el material se carga más allá de su máxima resistencia a la tracción. La carga más allá de la resistencia a la tracción podría deberse a que el diseñador no aplicó un factor de seguridad adecuado; o condiciones de servicio más allá de los criterios de diseño.

A escala macroscópica, una fractura dúctil se acompaña de una cantidad relativamente grande de deformación plástica antes de que falle la pieza. Después de la falla, la sección transversal se reduce o distorsiona. Se observan labios cortantes en la última parte de la fractura e indican la falla final de la pieza. La superficie de la fractura es opaca, con apariencia fibrosa. El examen con SEM muestra que la fractura es por coalescencia de micro-huecos [1] (Figura 1).

Figura 1: Superficie de fractura de coalescencia de micro-huecos. Esto también se conoce como ruptura con hoyuelos. Este tipo de fractura se debe a una sobrecarga.


En este mecanismo de falla, la creación de una superficie libre a partir de una pequeña partícula, como una inclusión, ocurre primero. La superficie libre alrededor de la partícula crea un vacío. El vacío crece por la tensión plástica y la tensión hidrostática. Finalmente, los vacíos crecen hasta un tamaño que se unen o fusionan con los vacíos adyacentes. Estos vacíos se fusionan para formar una grieta central, perpendicular a la tensión de tracción aplicada. Dependiendo de las tensiones aplicadas, se puede cambiar la forma y configuración de la forma del hoyuelo (Figura 2). Este hecho es útil para determinar el tipo de carga en una investigación de análisis de fallas [2].


Figura 2: Representación esquemática de la creación de coalescencia de micro-huecos (hoyuelos) de un miembro cargado.


La falla dúctil puede ocurrir con cualquiera de los tipos de inclusiones. Esto es cierto tanto si se trata de la inclusión de tipo de alúmina frágil como de las inclusiones de tipo sulfuro más dúctiles. Las inclusiones generalmente inician el agrietamiento dúctil por encima de un tamaño crítico. Los tamaños de inclusión más gruesos tienden a tener un factor de concentración de tensión local más grande, lo que puede causar descohesión local y formación de microgrietas.


De manera similar a la de las inclusiones, la distribución de carburos también puede influir en la tenacidad y ductilidad del acero. La deformación necesaria para la formación de huecos disminuye al aumentar la fracción de volumen de carburo. Los carburos esferoidales no se agrietan con pequeñas deformaciones y presentan descohesión. El acero esferodizado es mucho más dúctil que el acero similar de la misma dureza que contiene solo ferrita y perlita. La perlita tiene una deformación crítica más baja para la formación de huecos. Además, una vez que se forma una grieta o un vacío en una matriz perlítica, tenderá a correr a lo largo de una laminilla de perlita. Al examinar este tipo de fractura bajo el SEM, la base de los hoyuelos contendrá laminillas de perlita fracturadas.

Fractura por fragilidad

Muy poca deformación plástica y una superficie de fractura brillante caracterizan las fracturas frágiles. A menudo, los patrones de cheurón apuntan al origen de la falla [3] (Figura 3). Puede ocurrir con poca tensión y propagarse con rapidez, a menudo a velocidades que se acercan a la velocidad del sonido en el material averiado. El análisis de las superficies de fractura de las fallas frágiles indicó que las fallas frágiles se iniciarían en una muesca o concentración de tensión y se propagarían con poca deformación plástica. Estas muescas eran de tres tipos: características de diseño, detalles de fabricación o defectos de material.


Figura 3: Marcas de Chevron en una fractura frágil, apuntando hacia el inicio de la fractura [4].


Las características de diseño eran muescas como radios estrechos o miembros estructurales que se unían rígidamente en ángulos de menos de 90 grados y se soldaban. Los detalles de fabricación resultan de la producción de muescas durante la fabricación del componente. Golpes de soldadura, ranuras profundas y marcas de mecanizado similares crean muescas mecánicas. Las muescas metalúrgicas surgen de cambios abruptos en la microestructura o la porosidad de la soldadura o la fundición. Estos defectos también pueden estar relacionados con la práctica del molino y pueden ser grandes inclusiones, oxidación interna o porosidad.


En las fracturas frágiles, la fractura absorbe una energía limitada. La energía se absorbe a través de regiones de pequeña deformación plástica. Los granos individuales se separan por escisión a lo largo de planos cristalográficos específicos (Figura 4).

Figura 4: Fractura por escisión en un acero con bajo contenido de carbono, como se ve a través de un microscopio electrónico de barrido


Visualmente, poca o ninguna deformación plástica o distorsión de la forma de la pieza caracteriza las fracturas frágiles. La fractura suele ser plana y perpendicular al eje de tensión. La superficie de la fractura es brillante, con apariencia granulada. El fracaso ocurre rápidamente, a menudo con un fuerte informe. Debido a que la división quebradiza es de naturaleza cristalográfica, la apariencia de la fractura es facetada (Figura 4).

Hay tres factores básicos que contribuyen al tipo de fractura por clivaje frágil en los aceros: un estado de tensión triaxial, baja temperatura y una alta tasa de deformación o tasa de carga rápida. Estos tres factores no tienen que estar presentes para que se produzca una fractura de tipo hendidura. La mayoría de las fracturas frágiles de tipo hendidura ocurren cuando hay un estado de tensión triaxial y baja temperatura. Esto es accionado por una alta tasa de carga.


La tenacidad de la muesca de los aceros de resistencia media y baja depende en gran medida de la temperatura. Hay una transición de fractura dúctil a fractura frágil a medida que disminuye la temperatura. Un criterio para la temperatura de transición es la temperatura de ductilidad nula (NDT). La temperatura de ductilidad nula es la temperatura en la que la fractura se convierte en un 100 por ciento de rotura y, esencialmente, no hay deformación plástica.

Los cambios en el NDT pueden producirse por cambios en la microestructura y la química. El mayor cambio puede verse afectado por cambios en la cantidad de carbono y manganeso. El NDT se reduce en aproximadamente 10 ° F por cada 0.1 por ciento de aumento en la concentración de Mn. El aumento del contenido de carbono también reduce el NDT. La proporción de Mn / C debe ser de aproximadamente 3: 1 para una buena tenacidad de la muesca.


El níquel es beneficioso para aumentar la ductilidad. Hasta un 2 por ciento de Ni es eficaz para reducir la temperatura de ductilidad nula. El aumento de las concentraciones de silicio tiene el efecto de aumentar el NDT. El cromo casi no tiene ningún efecto, mientras que el molibdeno es extremadamente eficaz para aumentar la ductilidad de los aceros y reduce drásticamente el NDT. El oxígeno disminuye fuertemente la ductilidad. También puede causar una mayor propensión a la fractura intergranular, al crear óxidos quebradizos en los límites de los granos. La disminución del tamaño de grano tiene un fuerte efecto sobre el aumento de la ductilidad y la tenacidad de la muesca.


El espesor de la sección también puede influir en el comportamiento dúctil y frágil [5]. Las investigaciones [6] [7] mostraron que había una variación considerable de tenacidad con el grosor de la muestra. Además, en espesores grandes, la tenacidad pareció alcanzar un valor constante [8] (Figura 5). Dentro de esta curva, hay tres regiones aparentes: Primero, está la región donde se obtiene la máxima tenacidad (secciones delgadas). En segundo lugar, está la región de tenacidad intermedia, con la región final, una región con tenacidad relativamente constante (secciones gruesas).

Figura 5: Variación de la tenacidad con el espesor [8].


En la primera región, la fractura parece consistir enteramente en un labio cortante, o en otras palabras, la superficie de la fractura está inclinada en un ángulo de aproximadamente 45 ° con respecto al eje de tracción. En esta situación, la tensión en la dirección del espesor de la muestra tiende a cero y se alcanza un estado de tensión plana.

En el rango intermedio, el comportamiento de la fractura es complicado. La fractura no consiste completamente en una fractura de tipo "inclinada", ni contiene completamente una fractura de tipo de deformación plana "plana". En cambio, las regiones de fractura "plana" e "inclinada" son aproximadamente iguales. Se ha encontrado que la cantidad de fractura "plana" depende únicamente del grosor de la muestra de prueba y es independiente de la longitud de la grieta.

En la tercera región, la fractura consiste en una fractura predominantemente "plana". Puede haber alguna evidencia de labios cortantes muy pequeños en la parte posterior de la fractura. La fractura es catastrófica y rápida. No se aprecia ninguna deformación plástica. En esta tercera región, cualquier aumento en el espesor de la probeta no provoca una disminución adicional de la tenacidad.


Una falla famosa que involucró una fractura frágil fue el “Gran desastre de la melaza de Boston” [9]. En esta falla, la United States Alcohol Company fabricó un gran tanque de melaza de hierro fundido en Boston en diciembre de 1915. Este tanque tenía 90 pies de ancho y 58 pies de alto, con una cabeza de 49.5 pies de melaza. Estaba fabricado con placas de hierro fundido, remachadas entre sí. Tenía 2,3 millones de galones de melaza, aparentemente utilizada para la fermentación del etanol utilizado para licor. El hombre que supervisaba la construcción no sabía leer planos ni tenía ninguna formación técnica. No se consultó a ingenieros ni arquitectos para garantizar que el tanque se construyó de manera segura. El 15 de enero de 1919, el tanque explotó y la melaza inundó las calles de Boston con olas de dos a cinco metros de altura (Figura 6). Se informó que esta gran muralla de melaza se movía a velocidades de hasta 35 millas por hora,

Figura 6: El gran desastre de la melaza de Boston. Veintiuna personas murieron y más de 150 edificios fueron destruidos como resultado de 2,3 millones de galones de melaza que inundaron el norte de Boston. (Cortesía: Foto del Boston Globe a través de Getty Images)


Se rompieron placas de acero de media pulgada y estas placas se arrojaron con suficiente fuerza para cortar las vigas del ferrocarril elevado. Esta explosión, y la subsiguiente ola de melaza, resultó en 21 personas muertas, 150 personas heridas, muchos edificios destruidos y un área entera devastada.

La investigación muchos años después indicó que la causa probable era una fractura frágil del tanque en los remaches, con una temperatura por debajo de la temperatura de transición dúctil a frágil. Un resultado interesante de este desastre fue que Massachusetts y muchos otros estados crearon leyes para certificar ingenieros y regular la construcción. También requería dibujos sellados que certificaran que un ingeniero había revisado los dibujos. Fue este fallo el que dio origen a la Licencia de Ingeniero Profesional y al sello tal como lo conocemos hoy. Como nota al margen, la 18a Enmienda fue ratificada y la Prohibición se convirtió en ley el 16 de enero de 1919.


Conclusiones

En este breve artículo se describieron dos tipos de fracturas. La falla dúctil es el resultado de una sobrecarga y de exceder la resistencia máxima a la tracción de un material. Se observa una extensa deformación plástica. En la fractura frágil, se observa una falla catastrófica, con poca o ninguna advertencia. No se observa deformación plástica. Por lo general, se requieren estados de tensión triaxial, una concentración de tensión o una carga rápida para que se produzca una fractura frágil.


En el próximo artículo, se discutirán la fractura intergranular y la fatiga. Si tiene alguna pregunta con respecto a esto, o si tiene alguna sugerencia para otros artículos, comuníquese con el editor o conmigo mismo. 


Fuente: gearsolutions

Autor: D. Scott MacKenzie, Ph.D., FASM



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