1. Separata Nº 05 Tipos de Fractura

11

SEPARATA N° 05 TIPOS DE FRACTURACURSO FRACTURA Y MECÁNICA DE FRACTURA FECHA

FRACTURA. Separación de un sólido bajo un estado de esfuerzos en dos o más trozos. Las fracturas se clasifican de acuerdo al "mecanismo de falla", o a su "modo de fractura", o a la "velocidad de propagación de la grieta", etc. La figura 5.1 muestra un resumen de algunas de estas clasificaciones:

Fig.5.1.- Diferentes formas de clasificar el tipo de fractura presente en metales y aleaciones. Según el comportamiento mecánico las fracturas se clasifican en fractura dúctil y frágil, dependiendo de la cantidad de deformación plástica previa.

5.1.- FRACTURA DÚCTIL. A.- Aspectos Macroscópicos de la Fractura Dúctil. La fractura dúctil se produce después de una apreciable deformación plástica, con una elevada absorción de energía antes de la fractura. La ductilidad puede ser medida en términos de elongación y reducción de área porcentuales, y es función de la velocidad de carga, temperatura y estado de tensiones. La figura 5.2 muestra esquemáticamente las energías que caracterizan las fracturas dúctil y frágil.

Fig.5.2 Curvas esfuerzo – deformación de materiales que presentan fracturas dúctil y frágil.

Mg. ING°. METALURGISTA CIP N° 144416 NICANOR MANUEL VEGA PEREDA

22

5.1.1- Probetas cilíndricas sin entalla. Una probeta cilíndrica de tracción, sin entalla, reproduce de la manera más simple, las características principales de una superficie de fractura dúctil, cabe hacer notar que el mismo mecanismo opera para flexión y torsión. La fig.3.3 muestra un modelo del desarrollo de este tipo de fractura por sobrecarga mecánica. A medida que se produce tracción y debido al endurecimiento por deformación en frío se produce el cuello en la probeta, lo cual produce un estado triaxial de esfuerzos

En la fractura de copa y cono, la superficie de fractura generalmente presenta tres zonas: a) zona fibrosa, b) zona radial y c) zona de cizallamiento (shear lips) como se muestra en la fig.3.4.Zona fibrosa. Desgarramiento por cizalle. Copa. Cono.

Fig.3.4.- Fractura dúctil copa – cono de una probeta de Duraluminio [3].

Dependiendo de la ductilidad del material, de la temperatura del ensayo y de la velocidad de deformación, este aspecto puede ser alterado.


33

La temperatura de ensayo afecta la presencia de las zonas y sus respectivos tamaños, tal como se ilustra en la fig.3.5. En orden ascendente de temperatura se tiene: a la temperatura criogénica, donde la superficie es casi totalmente radial. A medida que la temperatura aumenta, la zona radial se reduce mientras que las zonas fibrosas y de cizalle (shear lips) crecen para finalmente desaparecer a temperaturas elevadas.

Fig.3.5.- Efecto de la temperatura de ensayo en las zonas de fractura dúctil [4]. A temperatura de ensayo constante, la resistencia mecánica también afecta la presencia de las zonas de fractura y sus respectivos tamaños, tal como se ilustra en la fig.3.6. A una resistencia moderada (por ejemplo, dureza) del material, las zonas radial y fibrosa predominan; con un aumento de la resistencia ambas zonas se reducen y los labios de cizalle aumentan.

Fig. 3.6.- Efecto de la resistencia en las zonas de fractura dúctil [4].5.1.2.-Probetas planas sin entalla.La geometría de la probeta influye en el estado de esfuerzos que existe en cada punto, y en consecuencia, altera el aspecto de la fractura cuando se va de una probeta cilíndrica a una rectangular, la figura 3.7 muestra alteraciones tales como:a) Una zona fibrosa con un aspecto elíptico alargado, el cual aumenta al incrementar larelación longitud / espesor de la probeta.b) La zona radial frecuentemente presenta un aspecto con marcas de Chevron. c) Para una relación largo / espesor, la zona de cizalle, puede ocupar todo el espesor de la probeta. La superficie de fractura forma en este caso, un ángulo aproximado de 45 º con ladirección de tracción.


44

Fig.3.7.- Representación esquemática de las diferentes zonas de fractura en probetas rectangulares [5].

Fig.3.8.- Dos ejemplos del esquema de la fig.3.7 [6].La figura 3.8 muestra dos ejemplos del esquema mostrado en la fig.3.7.

5.1.3.- Probetas cilíndricas con entalla.Una entalla circular cambia drásticamente la distribución de esfuerzos. Al ser la entalla un concentrador de esfuerzos, hace que la grieta comience cerca de la punta o raíz de la entalla, es decir, se extiende desde la periferia hacia el centro de la sección sin formar una zona de cizalle (labios de desgarramiento (shear lips) están ausentes); esta zona es sustituida por una región final áspera sin orientación fija donde la fractura es rápida. La fig. 3.9 muestra en forma esquemática las diferentes zonas de la fractura.


55

Fig.3.9 Esquema de las distintas zonas de la superficie de fractura dúctil enprobetas cilíndricas de un ensayo de tracción [7].

(a) La superficie de fractura del cono de una probeta sin entalla, presenta una zona de desgarramiento. (b) La superficie de fractura del cono de una probeta con entalla, no presenta una zona de desgarramiento debido a que la fractura se inicia en la punta o al final de la entalla. 5.1.4.- Probetas planas con entalla.Así como en el caso anterior, la presencia de entallas superficiales en probetas planas producen las siguientes alteraciones que pueden observarse en la fig.3.11.a) Una zona fibrosa con un aspecto más elíptico, cuanto mayor sea la razón largo / espesor de la probeta.b) Una zona radial que frecuentemente presenta marcas denominadas de "Chevron."Como se ha visto anteriormente, una entalla superficial, además de ser un concentrador de esfuerzos, produce un estado triaxial de esfuerzos; en consecuencia la zona fibrosa de fractura puede ser desplazada del centro hacia un extremo del entalle. En una probeta cilíndrica la fractura se propaga desde la periferia hacia el centro formando la zona de cizalle.

Fig.3.11.- Representación esquemática de las diferentes zonas de fractura en probetas planas con entalla [9].

Probeta sometida a tracción monotónica, se puede apreciar clivaje en una superficie rugosa, los bordes muestran una fractura dúctil, con desgarramiento (shear– lips) [10]. Fractura con múltiples orígenes. Cuando el origen de la grieta está cerca o en el borde la ubicación de ellos suele estar indicada por la ausencia o desgarramiento (shear-lips)[11].


66

Fig.3.12 Ejemplos de los modelos esquemáticos de las diferentes zonas de fractura en probetas planas con entalla presentadas en la fig.3.11.B.- Aspectos microscópicos de la fractura dúctil.

5.1.5.1.-Modos básicos de desplazamiento de las caras de una fisura.Modo I.- El modo I (modo de apertura): corresponde al modo normal de separación de las caras de la grieta bajo la acción de tensiones normales.Modo II.- El modo II (modo de deslizamiento): se refiere al desplazamiento de la fisura bajo la acción de tensiones de corte perpendiculares al frente de la grieta.Modo III.- El modo III (modo de desgarre): produce por deslizamiento y desgarre (tear) de los labios de la fisura, en una dirección paralela al frente de la grieta [8].

Fig.3.14.- Los tres modos básicos del desplazamiento de las superficies de fractura en una fractura dúctil

Fig.3.15.- Influencia de la dirección del esfuerzo principal en la orientación de los dimples.

3.1.6.-Resumen Una fractura dúctil se puede reconocer por las siguientes características:

i) La fractura es precedida por una deformación extensiva, es decir, deformación plástica con formación de un cuello de botella.ii) La fractura es precedida por una extensiva deformación plástica con formación de un cuello de botella con cavidades dentro del cuello.iii) La fractura es un proceso lento.iv) La fractura se forma por la coalescencia de orificios (fig.3.17a) que generan grietas que se propagan hacia la superficie en dirección perpendicular al esfuerzo (3.17b).Un ejemplo se muestra en la fig.3.17c [16].


77

(a) (b) (c)

Fig.3.17.- Fractura dúctil, ruptura por el cuello (dimples)

v) Cuando los orificios nuclean en los bordes de grano (fig.3.18a) se produce una ruptura intergranular (fig.3.18b) como se muestra en la fig.3.18c [17].

(a) (b) (c)Fig.3.18.- Fractura dúctil, ruptura intergranular.

vi) Cuando no hay inclusiones presentes, los microhuecos se forman en regiones muy deformadas produciendo bandas de deslizamiento localizadas y una inestabilidad macroscópica. Esto conduce a

una ruptura por cuello o una ruptura por cizalle (shear fracture).

(a) (b)3.19.- Fractura dúctil, a) ruptura por cuello, b) ruptura por cizalle.

6.2.- FRACTURA FRÁGIL. Las fracturas frágiles aparecen brillantes y cristalinas. Cada cristal tiende a fracturarse en un plano de clivaje único (el cual posee baja energía superficial), plano que varía sólo ligeramente de un cristal a otro; debido a esto una fractura frágil en una muestra policristalina generalmente brillará a la


88

luz. La fragilidad es una característica de los materiales que poseen una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y de tipo hexagonal.La fractura frágil es rápida y tiene lugar sin una apreciable deformación debido a una rápida propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo de planos cristalográficos específicos enominados planos de fractura los cuales son perpendiculares a la tensión aplicada produciendo una superficie de fractura generalmente plana como se muestra en la fig. 3.20.

Fig.3.20. Diferentes aspectos de la superficie de fractura frágil en tres tornillos de acero inoxidable 304 [18].

En el caso de probeta de aleación de titanio, ella tiene una ranura en el centro como concentrador de esfuerzos. Esta probeta fue sometida a un ensayo Charpy. Ella presenta una pared delgada en un extremo que parece ser deformación plástica que no lo es porque al tratar de ensamblar ambas partes, la probeta retomó sus dimensiones originales [19].La fractura frágil tiene las siguientes características:i) Muy poca plasticidad, las piezas quebradas pueden volver a juntarse.ii) La grieta es inestable, se propaga sin que haya un aumento de tensiones, a velocidades muy elevadas (puede alcanzar cerca de 2000 m/s), lo que acarrea consecuencias catastróficas en una pieza que está en servicio.iii) Generalmente la superficie de fractura es plana y normal a la dirección del esfuerzo máximo aplicado.iv) La grieta a menudo avanza por "clivaje", quebrando los enlaces a lo largo de planos cristalográficos bien definidos llamados "planos de clivaje".v) La carga de falla es muy pequeña comparada con la de fluencia. vi) La fractura siempre comienza en un lugar de concentración de esfuerzo, como en algún defecto: porosidad, desgarros o grietas, daños por corrosión, fragilización por hidrógeno, etc.Ejemplos de materiales que presentan este tipo de fractura: Acero de bajo carbono, aceros de alta resistencia, aleaciones de aluminio y titanio, cerámicas, vidrios y concreto.

Aspectos Macroscópicos de la Fractura Frágil. La mayoría de las fracturas frágiles son transgranulares, es decir, se propagan a través de los granos, sin embargo, si los límites del grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la fractura se propague en forma intergranular. Las bajas temperaturas y las altas deformaciones favorecen la fractura frágil [19]. La característica más importante de las superficies de fractura frágil son las marcas radiales (tal como se ha mencionado en fractura dúctil); estas marcas se extienden por toda la superficie hasta las cercanías de las superficies libres, donde se forman zona de desgarramiento (shear lips) debido al alivio del estado de tensiones triaxiales.Cuando la pieza tiene una dimensión mucho menor que las otras; como son láminas y planchas de acero, placas, barras planas y regiones con capas endurecidas, tal como se muestra en la fig.3.21, las marcas radiales presentan un aspecto característico en forma de "V" llamadas marcas de


99

"Chevron" (o de sargento por los galones) que apuntan hacia el origen de la fractura. Una fractura puede presentar marcas radiales desde su inicio, esto sucede cuando nuclea a partir de un defecto preexistente, por ejemplo, una grieta debido a un tratamiento térmico, falta de fusión en una soldadura, etc.

3.2.1.- Determinación del origen de la grieta.Uno de los puntos más importantes en la observación de las superficies de fractura es la determinación del inicio de la grieta y ello cuando las condiciones lo permiten, puede hacerse mediante las siguientes observaciones: a.- Las marcas radiales o las de chevron apuntan hacia el origen de la grieta (figs. 3.22a, 3.22b).b.- Cuando la fractura se inicia en la superficie o muy cercana a ella, la región de inicio de la fractura no presenta zona de cizalle. (fig. 3.23 y 3.24).c.- Una pieza fracturada por impacto, especialmente cuando se trata de aceros muy aleados, temperados y revenidos, puede presentar en la superficie una serie de marcas ondulantes cuando el impacto no fue lo suficiente para completar la fractura, la cual debe ser reiniciada. En la región de reinicio aparecen unas marcas ondulantes que convergen en el sentido de la propagación ( fig.3.25).

D.- Aspectos Microscópicos de la Fractura Frágil.En la mayoría de los materiales policristalinos, la propagación de la grieta corresponde a sucesivas y repetidas roturas de los enlaces atómicos, a lo largo de planos cristalinos específicos. A este proceso se le conoce con el nombre de "clivaje". Este tipo de fractura se dice que es "transgranulares" (o transcristalina) dado que las fisuras atraviesan los granos. Este tipo de fractura se puede apreciar de forma microscópica en la fig. 3.25B. En algunas aleaciones, la propagación de la fisura se da a lo largo de los bordes de grano, esta fractura de denomina "intergranular" (o intercristalina). La fig.3.26D es una fotomicrografía obtenida por microscopía electrónica de barrido (SEM), donde se muestra una fractura intergranular típica, en la cual se puede apreciar la naturaleza tridimensional de los granos. Este tipo de fractura normalmente se produce después de algún proceso que debilita o fragiliza la región de los bordes de grano. La fractura frágil ha ocurrido en una gran cantidad de estructuras soldadas tales como barcos, puentes, recipientes a presión y tuberías.

Fig.3.21.- Aspecto característico de la superficie de fractura frágil, líneas de chevron y zonas de cizalle [20].


1010

Fig.3.22.-Ejemplos del aspecto de una fractura frágil y otra dúctil [21].

(a) La superficie de fractura muestra marcas de Chevron características de una fractura frágil. Las flechas indican el origen de la grieta. (b) Fractura dúctil. La superficie de fractura es rugosa, plana y

perpendicular a la dirección de la carga, ocurre en secciones relativamente gruesas bajo condiciones de esfuerzos planos. Superficies de fractura inclinadas que forman un ángulo de 45º con respecto a

la dirección de la carga. Ocurre en secciones delgadas en condiciones de esfuerzos planos.

Fig.3.23.- Fractura frágil de un acero estructural, donde se puede ver el origen indicado por la flecha roja.

Fig.3.24.- Fractura frágil de una tornillo acero AISI 4340 [22].


1111

Las marcas ondulantes en la superficie de fractura indican que la grieta se inició en el borde superior. La zona oscurecida contenía una alta concentración de calcio.Camino de la grieta. Representación esquemática del camino seguido a través de los granos por una grieta transgranular.

Fotomicrografía de SEM de algunos granos partidos dejados a su paso por la grieta durante su avance a través de la probeta [23]. Las flechas rojas indican los granos Partidos.

Fig.3.25.- Fractura frágil transgranular de una fundición gris.3.2.3.- Clivaje.El clivaje es el mecanismo responsable de la mayoría de las fracturas transgranulares frágiles. Se produce por la separación de planos cristalográficos bien definidos, característicos de cada estructura. Por ejemplo en la mayoría de los metales con estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, los planos de clivaje son de la familia [1,0,0]. En materiales policristalinos las superficies de fractura originadas por clivaje están constituidas por facetas (caras) planas, cada una de ellas correspondiente a una familia de planos de clivaje de los granos cristalinos. La alta reflectividadóptica de estas facetas es la que caracteriza macroscópicamente una fractura frágil.

La presencia de clivaje no indica necesariamente una alta fragilidad del material. Algunos materiales dúctiles pueden presentar superficies de clivaje bajo solicitaciones de tracción. Las condiciones necesarias para una rotura por clivaje dependen del material particular y del tipo de carga. En general puede ocurrir clivaje bajo altas tensiones triaxiales, altas velocidades de deformación, y por supuesto a temperaturas por debajo de la transición dúctil-frágil. Asimismo se puede observar la presencia de clivajes en metales y aleaciones con estructura cristalina BCC y HCP. Es más difícil una rotura por clivaje en materiales FCC dada la multiplicidad de sistemas de deslizamiento y la gran movilidad de dislocaciones. Sin embargo, en algunos casos pueden aparecer facetas con los rasgos característicos del clivaje en una fractura inducida por un ambiente corrosivo. Desde el punto de vista cristalográfico, y dado que la separación se produce según planos cristalográficos, debería esperarse una superficie con facetas totalmente planas como resultado de una fractura por clivaje. Sin embargo, las distintas imperfecciones cristalinas, tales como, precipitados, bordes de grano, etc., influyen sobre la propagación de una fisura por clivaje y alterando la regularidad de las facetas, de tal manera que es muy raro encontrar facetas planas. Esto resulta en una superficie característica con rasgos fractográficos fácilmente identificables en una microfractografía. La figuras 3.30 y 3.31 muestran ejemplos de superficie de fractura por clivaje donde se aprecian las facetas de clivaje.


1212

Fig.3.30.- Superficie de fractura de clivaje de una acero inoxidable 410 ensayada a tracción a temperatura ambiente donde se observan facetas de clivaje [28].

Fig.3.31.- Superficie de fractura de clivaje de una aleación ensayada por tracción a temperatura ambiente donde se observan facetas de clivaje [29].

3.2.3.1.- Coalescencia de micro-huecos. Coalescencia de micro-huecos es el mecanismo de una fractura dúctil transgranular. En muchos aceros estructurales puede ocurrir una fractura dúctil y frágil en la misma superficie de fractura, según el régimen de temperatura y velocidad de deformación coincida con el intervalo de la transición dúctil - frágil.Aceros ferríticos (estructura cúbica cuerpo centrado BCC) exhiben una bien definida temperatura de transición dúctil a frágil la cual es función de la velocidad de deformación, temperatura y estados de esfuerzo. Estados de esfuerzos triaxiales tienden a promover fracturas dúctiles, mientras que estados de esfuerzos biaxiales promueven fracturas frágiles [30]. La razón de este comportamiento es el gran efecto de la temperatura sobre el esfuerzo de fluencia de las aleaciones ferríticas en cambio los aceros y aleaciones austeníticas (estructura cúbica cara centrada FCC) no presentan esta transición. La tenacidad a la fractura de los aceros ferríticos puede modificarse drásticamente ante pequeños cambios de temperatura, donde el límite elástico aumenta rápidamente al disminuir la temperatura, lo cual coincide con una transición en la fractura de tipo dúctil a frágil. Este comportamiento suele ser descrito de forma tradicional por medio de la variación de la energía absorbida o tenacidad en el ensayo Charpy [31] mediante una curva energía versus temperatura que permite determinar la temperatura de transición.


1313

Para temperaturas superiores a la temperatura de transición, la fractura se produce fundamentalmente por coalescencia de cavidades (fractura dúctil) donde la energía absorbida es elevada. Por el contrario, a temperaturas inferiores a la de transición, la fractura es frágil (transgranular, producido por clivaje, o por fractura intergranular) y la energía absorbida es pequeña, la fig. 3.32 muestra esquemáticamente dicho comportamiento.

Fig.3.32.- Variación de la tenacidad en función de la temperatura de aceros al carbono en probetas sometidas a ensayos por impacto (Charpy).

La curva de la fig.3.32 representa una curva típica donde se relaciona la tenacidad de aceros ferríticos (estructura cúbica de cuerpo centrado, BCC) en función de la temperatura. Para temperaturas reducidas el mecanismo de fractura consiste, exclusivamente, en clivajes (decohesiones intragranulares) y la respuesta del acero es frágil. Esta región se conoce con el nombre en inglés de Lower Shelf. A medida que se incrementa la temperatura las condiciones para que se produzca el clivaje se hacen más improbables, lo cual se manifiesta en un aumento de la tenacidad del material, dando lugar a la zona de transición dúctil-frágil (ZTDF). A partir de determinado punto de esta zona de transición, las superficies de fractura permiten apreciar zonas de desgarro dúctil previas a la rotura por clivaje. Micro-estructuralmente, se corresponden con mecanismos de rotura que implican procesos de formación y posterior crecimiento y coalescencia de micro-huecos. Finalmente, para temperaturas elevadas, se alcanza la zona denominada en inglés región Upper Shelf en la cual los mecanismos frágiles no participan en el proceso de rotura y éste se materializa casi exclusivamente en forma de desgarro dúctil. 3.2.4.- Cuasi-clivaje.Muchos materiales de alta resistencia fracturan por otro mecanismo, compuesto principalmente por clivaje con alguna coalescencia de microcavidades, a éste se le denomina cuasi-clivaje [34]. La fig.3.39 muestra un dibujo esquemático de la formación de una superficie con fractura de tipo cuasi-clivaje. En general, la superficie de fractura consiste de una multitud de caras planas o semi-cóncavas las cuales se forman por la coalescencia de una multitud de microgrietas individuales. La coalescencia de las microgrietas causan la formación de bordes elevados en la superficie los cuales son conocidos como "tear ridges" o lomas de desgarre. Las facetas o caras en la superficie de fractura son transcristalinas y no muestran relación alguna con la microestructura.A medida que la fisura avanza radialmente las facetas de clivaje se mezclan con áreas de rotura por dimples y los escalones de clivaje se vuelven crestas. El cuasi-clivaje se produce por la existencia de condiciones que impiden la deformación plástica, por ejemplo la presencia de estados triaxiales de tensión (como en la raíz de una entalla).


1414

Fig.3.39.- Modelo de las etapas de formación de una fractura por cuasi-clivaje.

Fig.3.40.- Microestructura de una fundición gris de grafito esferoidal austemperizada ADI ensayada por impacto a temperatura ambiente.

Dimples:


1. Separata Nº 05 Tipos de Fractura

Documents

Transcript of 1. Separata Nº 05 Tipos de Fractura