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FRACTURA

La fractura de materiales de ingeniería es casi siempre un hecho indeseable por varias razones las que incluyen la seguridad de vidas humanas, perdidas económicas y de interferencia con la disponibilidad de productos y servicios.

Entendemos por fractura un fenómeno en el cual una grieta nuclea y se propaga en un material. Si la grieta es preexistente ya no es necesario nuclearla.

Hay casos en que un metal se rompe por la aplicación de esfuerzos sin que intervenga una grieta, por una ruptura de enlaces, situación en la cual los especialistas prefieren no hablar de fractura. Un ejemplo de ello es la rotura de un monocristal de Zn debido a su deslizamiento simple localizado. Esta situación es de poco interés en ingeniería estructural.

GRIETA

Se llaman grieta o fisura a todas las discontinuidades externas e internas de un material que puede llevar a fractura (defectos externos, grietas, huecos, micros huecos, cavidades, fisuras, entallas, muescas, etc.).

Las grietas se encuentran en todo componente estructural común, pueden crecer muy lentamente con el tiempo, alcanzan un tamaño crítico, tornándose inestables y propagándose catastróficamente.

ORIGEN DE LAS GRIETAS:

Grietas de Solidificación.Grietas de Soldadura.Defecto de Hidrogeno.Desgarramiento alrededor de Inclusiones.De Laminación.Grietas de Tratamientos Térmicos.Grietas de Fatiga o Corrosión por Tensión.Daños Mecánicos de Superficie.Movimiento de Dislocación.

MECANISMO BASICO DE CRECIMIENTO DE GRIETAS

La clasificación de los mecanismos de crecimiento de grietas toma en cuenta la microestructura de los materiales, en el caso de los metales que son materiales granulares la grieta puede propagarse de manera granular a lo largo de los limites de

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grano o de manera intergranular, la fractura frágil también puede darse por clivaje a lo largo de planos cristalográficos.

Clivaje: Es el mecanismo de fractura frágil transgranular; es de baja energía que se propaga a lo largo de planos cristalográficos bien definidos conocidos como planos de clivaje. Los arreglos característicos de una fractura por clivaje son de cara planas, que usualmente exhiben marcas de rio. Estas son causadas por la grieta moviéndose a través del cristal a lo largo de un número de planos paralelos formando una serie de mesetas. La

dirección de estos patrones de rio representa la dirección de propagación de grietas. Las caras de clivaje a través de los granos tienen una alta reflectividad, lo cual da a la superficie de fractura una apariencia brillante.

Debido a que las aleaciones de ingeniería son policristalinas (contienen granos, subgranos, inclusiones, dislocaciones y otras imperfecciones) la fractura de clivaje exhibe numerosas superficies de propagación conocidas como marcas de rio, marcas de pluma, marcas de herradura “Chevron”, marcas de agua, etc.

Cuasi – Clivaje: en esta clase de fractura se observa principalmente en fracturas realizadas a bajas temperaturas en aceros templados. En esta forma de fractura las caras no son verdaderos planos de clivaje, exhiben a menudo huecos y colinas rasgadas alrededor de las caras. Este tipo de fractura ocurre a muy fina escala. No se observan superficies de propagación.

Coalescencia de Microcavidades: o rupturas de huecos se caracteriza por depresiones como copa que pueden ser equiaxiales, parabólicas o elípticas dependiendo del estado de esfuerzos. Este tipo de superficie de fractura denota una fractura dúctil. Las microgrietas sin iniciadas en partículas de segunda fase, los huecos crecen y eventualmente existen ligas entre las microgrietas de fractura.

Fractura Intergranular: es un mecanismo de baja energía. La grieta avanza a través de los limites de granos, lo cual da a la fractura una apariencia reflectiva y brillosa en una escala macroscópica. En una escala microscópica, la grieta podría desplazarse alrededor de una partícula y crear algunas microcavidades localmente. Este mecanismo tiende a ocurrir cuando los límites de granos son más frágiles que la red cristalográfica. En muchos casos, fracturas en temperaturas altas y termo fluencia tienden a ser intergranulares.

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Fractura por Fatiga: por fatiga se entiende a la situación de piezas que están sometidas a cargas cíclicas de nivel inferior al crítico de rotura del material. Piezas de motores, alas de aviones, puentes, etc., están sometidas a cargas de este tipo.

Se deben diferenciar dos tipos de fatiga: la fatiga en elementos sin defectos (fisuras) previos y la fatiga de elementos fisurados desde el inicio de su puesta en servicio.

1. La primera de ellas es típica de componentes pequeños (ejes, piñones, bielas) que por su buen acabado superficial y el control de calidad efectuado tienen una probabilidad mínima de presentar defectos importantes. Por lo dicho, la vida de estos elementos tiene dos fases, la nucleación de la fisura y el crecimiento de ésta hasta alcanzar un tamaño crítico que producirá su rotura.

2. El segundo tipo es típico de grandes estructuras donde resulta imposible la inexistencia de defectos (barcos, aviones, puentes). En este caso, la fase de nucleación no existe y la duración del elemento está controlada por la velocidad de crecimiento de la fisura. Por este motivo estas estructuras han de ser controladas periódicamente.

Mecanismo de Fractura por Fatiga: se da inicio cuando existe:

Microdeformaciones plástica.Iniciación de una o más grietas.Propagación o coalescencia de microgrietas para formar una o más macrogrietas.Propagación de macrogrietas.Falla final.

Efectos de Fatiga: durante la deformación plástica (microdeformaciones) producida por la fatiga se produce:

Movimiento de planos de deslizamiento a través de dislocaciones.Las dislocaciones emergen a la superficie.Las cargas oscilantes provocan acumulación local de escalones de dislocaciones en la superficie aumentando la rugosidad (banda de deslizamiento).Durante la deformación plástica cíclica se produce endurecimiento en ablandamiento del material.Los aceros templados se endurecen por microdeformacion cíclica.Los aceros templados y revenidos se ablandan; el ablandamiento se debe al cambio producido entre la estructura de dislocaciones con la deformación plástica, reduciendo la densidad de dislocaciones.

Las microdeformaciones plásticas se originan en: bandas de deslizamiento, limites de granos, en partículas de segunda fase, en inclusiones o interfases matriz/fase secundaria.

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La acumulación de dislocaciones que emergen en la superficie se concentran en los obstáculos presentes (limites de granos, fases secundarias, películas de óxidos, etc.) acumulando una gran cantidad de energía elástica.

TIPOS DE FACTURA

Considerando un primer criterio de clasificación, se acostumbra distinguir entre fractura dúctil y frágil, desde el punto de vista del comportamiento de los materiales las cuales son reconocidas dependiendo de la cantidad de deformación plástica previa.

Otro criterio de clasificación de la fractura corresponde al camino de la grieta: por los bordes de grano (intergranular o intercristalina) o por dentro de los granos (transgranular o transcristalina). En los complejos casos reales, en policristales monofásicos, también puede haber una combinación de estos tipos de trayectorias.

Ejemplos:En la cuadro se presentan ejemplos de casos de fractura, atendiendo a los dos

tipos de clasificación antes indicados. Sabemos que normalmente, a bajas temperaturas los bordes de grano son más resistentes que los granos de los mismos. Por ello nos interesa el grano fino, para tener mucha superficie de bordes de grano por unidad de volumen de material.

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Pero, como lo muestran los ejemplos del cuadro, esto no es cierto cuando, por ejemplo, estamos en condiciones de fluencia lenta (creep) o bien cuando hay una anormal segregación en los bordes de grano.

INTERCRISTALINA (POR BORDE DE GRANO)

TRANSCRISTALINA (DENTRO DE LOS BORDES DE GRANO)

DUCTIL

Creep (factores: alta temperatura, esfuerzo moderado, tiempo grande): al haber deslizamiento de bordes de grano, allí nuclean y se propagan grietas dúctiles. Aparecen en los bordes entre dos granos y entre tres granos (a estos últimos se les llama “puntos triples”).

Fractura del Cu y del Acero 1020 a temperatura ambiente en tracción cuasiestática (habitual). Por mecanismos dúctiles, se produce la estricción, con nucleación y coalescencia de microporos (microhoyuelos). En tracción se obtiene la típica morfología de copa y cono.

FRAGIL

Fragilidad en aceros por revenido: ciertas impurezas (P y S, por ejemplo) segregan a los bordes de grano, durante el revenido cuando éste se hace a ciertas temperaturas. Allí, se forman compuestos frágiles a temperatura ambiente.

Fractura de aceros ferríticos (cc) a bajas temperaturas (menores de 50ºC, por ejemplo). El cristal se rompe por clivaje, como el diamante. El clivaje es muy importante en la fractura frágil.

Ejemplos de tipos de fractura, atendiendo a su carácter dúctil / frágil y a su trayectoria inter / trans granular

FRACTURA DÚCTIL

Es la fractura que ocurre después de una apreciable deformación plástica del cuerpo, entendiendo que los esfuerzos en una región relativamente grande de la pieza rebasaron el esfuerzo de cedencia o limite elástico. Esto puede ocurrir en forma transgranular en los metales que tienen ductilidad y tenacidad satisfactoria. Se caracteriza porque ocurre bajo una intensa deformación plástica y una relativamente baja velocidad de propagación de grieta.

La ductivilidad puede ser cuantificada en términos de elongación porcentual y reducción de área porcentual y es función de la temperatura del material, la velocidad de carga y estado de tensión.

Fractura Dúctil con Superficie Plana: este tipo de fractura es evidente la formación de un cuello o estricción antes de la fractura. El plano de rotura es normal a la dirección de los esfuerzos máximos aplicados y la última porción de área de la fractura se produce en forma de picos que se extiende hasta la superficie del componente.

Fractura Dúctil Inclinada: este tipo de fractura se produce por coalescencia de micro cavidades, nucleacion de micro cavidades en regiones localizadas de deformación (partículas de fases secundarias, inclusiones, límites de grano y apilamiento de dislocaciones. Conforme crece la deformación en el material las micro cavidades

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crecen, coalescen y eventualmente forman una superficie de fractura continua. Esta fractura exhibe una numerosa cantidad de depresiones tipos copas

Mecanismo de Fractura Dúctil: la cantidad y distribución de dimples son consecuencia de la cantidad de zonas activadas para la nucleación de micro cavidades. Cuando mayor es la dispersión y cantidad de precipitados o fases secundaria, mas pequeños serán los dimples.

La fractura dúctil es casi preferible por dos razones:

1. La fractura frágil ocurre repentinamente y catastróficamente sin ninguna advertencia, consecuencia de la espontanea y rápida propagación de la fisura. Por otro lado, en la fractura dúctil la presencia de deformación plástica da aviso que la fractura será inminente permitiendo que se tomen medidas preventivas.

2. En este tipo de fractura se requiere mayor energía para inducir la fractura dúctil por lo que los materiales dúctiles son generalmente, mas tenaces. Bajo la acción de una tensión de tracción, la mayoría de los materiales son dúctiles, mientras que los cerámicos son notablemente frágiles.

FRACTURA FRÁGIL

Esta clase de fractura es una particularidad de los materiales que tienen estructura cristalina cubica de cuerpo centrado (BCC) y hexagonal cuando trabajan a bajas temperaturas. Esto puede ocurrir en los metales de alta resistencia o en los de baja ductilidad y tenacidad, se observan con frecuencia cuando la falla es causada, por impacto en lugar de sobrecarga.

En algunas fracturas de aspecto frágil, puede existir una intensa deformación plástica, solo que ésta se localiza en una región pequeña alrededor de la grieta y el resto del material permanece sin deformación plástica.

La fractura frágil puede identificarse observando las características de la superficie de fractura ya que normalmente, es plana y perpendicular al esfuerzo aplicado en una prueba de tracción.

Tradicionalmente la mayor atención se le ha dado a la fractura frágil por sus características de ser súbita, catastrófica y de ocurrir a esfuerzos por debajo de los esfuerzos de diseño. Este tipo de fractura puede ocurrir en cualquier estrucctura o elemento estructural, pero especialmente en:

1. Aleaciones no ferrosas de alta resistencia.

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2. Aceros estructurales y aceros de alta resistencia a bajas temperaturas.3. Materiales ceramicos.4. Materiales de recipientes a presión.5. Materiales altamente deformados

Características de la Fractura Frágil

1. La grieta se propaga con muy poca deformación plástica en el vértice de ésta.2. Dos factores siempre necesarios para que ocurra la iniciación de la fractura frágil son

en bajas temperaturas y esfuerzos.3. El inicio de la inestabilidad se inicia con esfuerzos nominales menores a los esfuerzos

de fluencia.4. Espesores mayores del producen generalmente efectos más serios que en espesores

menores.5. Lo anterior, debido a que la temperatura de transición dúctil frágil (TTDF) se

incrementa en componentes soldadas y/o con procesos de conformado.6. La falla se caracteriza en la zona fracturada por tener un aspecto brilloso y granular.

Causas de la Fractura Frágil: las fallas de estructura o componentes mecánicos mediante fractura frágil se origina por la presencia de defectos inicialmente originados durante el proceso de fabricación o a lo largo de la operación en servicio. Estos defectos actúan como concentradores de tensiones y pueden ser:

1. Entalles: discontinuidades causadas por cambio de secciones, defectos de mecanizados o daños en servicios.

2. Defecto del Material: pliegues, laminaciones, grandes inclusiones no metálicas, defectos de forja, etc.

3. Segregaciones, inclusiones, microestructuras indeseables, presencia de fases secundarias, etc.

4. Fisuras resultantes de los tratamientos térmicos, presencia de hidrogenó, debidas a la corrosión.

Prevención de la Fractura Frágil: como resultado de la investigación detallada de la causa y medidas preventivas de la fractura frágil, se encontró que las siguientes tres condiciones deben presentarse simultáneamente:

1. La existencia de un concentrador de tensiones2. La existencia de tensiones de tracción3. Falta de tenacidad de la entalla (baja temperatura).

Se puede prevenir la fractura frágil eliminando al menos una de esas condiciones.

En primer término, es necesario reducir discontinuidades geométricas en la estructura, fisuras y defectos de soldaduras, tales como falta de penetración, socavados y distorsiones angulares poniendo atención al diseño y ejecución de las soldaduras. El próximo paso sería aliviar tensiones como un medio efectivo para la prevención de la fractura frágil dado que las tensiones residuales incrementan la temperatura de

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transición. Además es necesario para su utilización, seleccionar apropiadamente los materiales considerando las tensiones de diseño y temperatura ambiente de trabajo. Los factores que afectan las fracturas frágiles son: material, espesores, tipo de estructura, condiciones de tensiones, temperatura de trabajo entre otras.

Transición de fractura Dúctil a Frágil: un acero de bajo contenido de carbono tiene una fractura dúctil alrededor de la temperatura ambiente pero se vuelve frágil a más bajas temperaturas. La energía de impacto, también llamada tenacidad de la entalla se usa para evaluar cuantitativamente esta transición. Los Ensayos de CHARPY e IZOD fueron diseñados y son aun utilizados para medir la energía de impacto.

En el caso de los metales BCC, por ejemplo, se encuentra que el límite elástico aumenta rápidamente al disminuir la temperatura, lo cual coincide con una transición en la fractura de dúctil a frágil.

Transición de dúctil – frágil para distintos materiales

Para temperaturas superiores a la temperatura de transición, TR, la rotura se produce fundamentalmente por coalescencia de cavidades y la energía absorbida es elevada. Por el contrario, a temperaturas inferiores a TR, la fractura viene dada por un mecanismo frágil (descohesión transgranular, usualmente denominado clivaje, o bien fractura intergranular) y la energía absorbida es pequeña. Para muchas aleaciones hay rango de temperatura donde se produce la transición dúctil – frágil, esto presenta alguna dificultad en especificar una sola temperatura de transición dúctil –frágil.

No todas las aleaciones muestran una transición dúctil – frágil, aquellos que tienen estructuras cubicas de caras centradas (FCC) (incluyendo aleaciones de Al y Cu) permanecen dúctiles aun a extremadamente bajas temperaturas; sin embargo aleaciones

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cubicas centradas en el cuerpo y hexagonales de alto empaquetamiento experimentan esta transición.

La mayoría de los cerámicos también experimentan una transición dúctil – frágil aunque la transición ocurre solamente a elevadas temperaturas comúnmente por encima de los 1000ºC