CAPITULO VIIANALISIS DESPUS DEL FALLO

7.1 FRACTOGRAFA

La ocurrencia de la fractura en cualquier tipo de material permite recopilar gran cantidad de informacin observando la forma de la superficie de fractura. La fractografa es la ciencia que estudia la superficie de fractura con el objeto de determinar la causa y las relaciones entre el modo de propagacin de la fisura y la microestructura del material.La apariencia de la superficie de fractura y sus caractersticas fueron utilizadas para controlar la calidad del hierro y el acero a comienzos del siglo XVII. Con la aparicin del microscopio, la observacin de la superficie de fractura ha sido posible con mucho mayor detalle, esto a su vez ha permitido un mayor entendimiento de los mecanismos a nivel micro involucrados en el proceso de fractura. Aparte de esto, la fractografa es ampliamente usada en el anlisis de fallas, puesto que las caractersticas de la superficie de fractura nos permiten identificar las causas del fallo. Por lo tanto, los ingenieros de diseo pueden aprender muchas cosas de los componentes fracturados y utilizar esta informacin para entender porque la fractura ha ocurrido y como redisear el componente para que no vuelva a fallar por la misma causa.Las tcnicas usadas generalmente en el anlisis de superficies de fractura consisten del examen visual, microscopio ptico, microscopio electrnico de barrido y microscopio electrnico de transmisin, dependiendo de la extensin y profundidad de los detalles requeridos.

Microscopa OpticoEn sta tcnica la superficie de fractura es vista a travs de un microscopio ptico. Para materiales opacos la luz se incide sobre la superficie de fractura y las reflexiones se observan a travs del microscopio. Para materiales transparentes como los polmeros, la superficie de fractura puede cortarse en forma de tajadas delgadas del material base, iluminadas desde el interior y vistas a travs del microscopio. Estos microscopios tienen una resolucin limitada y baja profundidad de campo. La mxima ampliacin posible utilizando esta tcnica es de 1300 a una resolucin de 1 mm. A pesar de estas limitaciones el microscopio ptico es el instrumento ms utilizado durante las etapas iniciales del anlisis fractogrfico para obtener un panorama general de la superficie de fractura e identificar las diferentes regiones, que podran ser estudiadas en detalle. Las caractersticas sobresalientes reveladas por sta tcnica son los lugares de origen de las fisuras, la direccin de propagacin y la localizacin de las huellas del arresto de las fisuras.

Microscopia Electrnica de BarridoEn un microscopio electrnico de barrido (SEM), un haz de electrones escanea la probeta (la misma superficie de fractura o una rplica), la cual es puesta en la cmara del microscopio. Estos electrones que inciden sobre la muestra generan seales reveladoras, tales como electrones secundarios, electrones retrodispersados, electrones auger, ctodo luminiscencia, rayos-x y electrones transmitidos. De stos, los electrones secundarios emitidos (modo emisivo) y los electrones retrodispersados (modo reflectivo) son de inters en el anlisis fractogrfico. Estas seales son colectadas y procesadas electrnicamente para generar una imagen de la superficie de la probeta. El principal mecanismo de contraste se debe a la variacin en el ngulo de incidencia del haz de electrones respecto a la probeta, lo que genera la superficie topogrfica.Esta tcnica permite ampliaciones que varan entre 5 y 240000, pero el lmite superior til es cerca de 30000. Tiene una resolucin lmite de 100 A y una profundidad de campo que vara de 1 mm a una ampliacin de 100 hasta 10 mm a una amplificacin de 10,000. El proceso SEM frecuentemente necesita seccionar la superficie de fractura o la preparacin de una rplica. La probeta o la rplica tienen que ser electrnicamente conductivas. Por lo tanto, los materiales no conductores y rplicas de plstico tienen que ser recubiertos con una capa conductora. El SEM permite el examen directo de la superficie de fractura sin ninguna preparacin superficial para los materiales conductores. La nica caracterstica de esta tcnica es que no se produce ampliacin o formacin de imagen debido a los lentes pticos o magnticos.Microscopa por Transmisin de Electrones (TEM)

En la Microscopa por Transmisin de Electrones (TEM), un haz de electrons se alta energa es enfocado por un conjunto de lentes magnticos y luego es hecho pasar a travs de la probeta. Los electrones, los cuales son transmitidos a travs de la probeta, son colectados y amplificados pasando hacia otro conjunto de lentes.

Las amplificaciones obtenidas en este microscopio varan entre 210 a 300,000. Los especmenes en TEM deben ser razonablemente transparentes a los electrones, deben tener suficiente variacin local en el espesor y/o densidad, para proveer una adecuado contraste de imagen, y deben ser lo suficientemente pequeos para entrar en la cmara del microscopio. Esto puede implicar en la mayora de las veces la preparacin de una rplica de carbn o plstico de la superficie de fractura. Este microscopio tiene mejor resolucin del orden de 2550 A , comparado con el SEM. Tambin, las fotografas con TEM no proveen efectos tridimensionales tan buenos como con el SEM.

Existen muchos factores que pueden causar la distorsin de las fotografas tanto en SEM como en TEM, lo cual puede afectar el anlisis. La experiencia indica que deben tomarse mltiples fotografas de una misma regin antes de dar una conclusin definitiva.7.2. Interpretacin de la Superficie de FracturaFractura Frgil en Metales

La fractura frgil es caracterizada por una pequesima deformacin plstica alrededor del vrtice de la fisura. La fractura por clivaje es la forma ms comn de este tipo de fractura que ocurre en los materiales metlicos. La fractura por clivaje en los metales ocurre por la separacin directa de ciertos planos cristalogrficos preferidos debido a la simple ruptura de enlaces atmicos. La caracterstica sobresaliente de la fractura por clivaje, la cual es obvia a simple vista, es la apariencia brillosa de la superficie de fractura. Esto se debe a la alta reflexin de las caras planas de clivaje. A altas amplificaciones bajo un microscopio ptico o electrnico, las caras de clivaje parecen contener algunas irregularidades.

La superficie de fractura a altas amplificaciones revela etapas del clivaje, causes de ros, lenguas y marcas en forma de abanico cada una de las cuales est asociada con un mecanismo particular de fractura a nivel microscpico. Dentro de un grano la fisura puede desarrollar simultneamente en dos planos paralelos. Estas dos fisuras pueden unirse a lo largo de la lnea donde se traslapan, a travs de un clivaje secundario o cortante, formando un peldao en la superficie de fractura. Un peldao de clivaje tambin puede formarse cuando una fisura cruza una dislocacin de tornillo. La fractura por clivaje toma lugar en ciertos planos cristalogrficos preferidos llamados planos de clivaje. Cuando los planos de clivaje de granos adyacentes tienen diferentes orientaciones como en el caso de bordes girados, la fisura debe reiniciarse sobre planos de clivaje con orientaciones diferentes. Esto puede originar un nmero grande de lugares y ampliaciones en un nuevo grano como se observa en la siguiente figura.

Figura 7.1: Formacin de un cause de ro

Esto mecanismo genera la formacin de un nmero de peldaos de clivaje. Uniendo estos peldaos de clivaje se generan causes de ro en la superficie de fractura como se muestra en la siguiente figura.

Figura 7.2: Cause de ro, la flecha muestra la direccin de propagacin de las fisuras

Estos causes de ro coalescen ro abajo y permiten averiguar la posibilidad de determinar la direccin de propagacin local de la fisura a partir de una fractografa. Si el clivaje de la fisura se inicia solamente en un punto a lo largo del borde de grano, puede empujar hacia afuera el cristal completo a partir de este punto, formando superficies de clivaje semejantes a un abanico como se muestra en la siguiente figura.Figura 7.3: Marcas de abanico. Las flechas indican la direccin de propagacin

Las lenguas de clivaje se forman cuando una fisura por clivaje intersecta a una intercara de tornillo y se propaga a lo larga de la intercara, antes de unirse al clivaje principal, el cual continua alrededor del tornillo. Tales lenguas se muestran en la siguiente figura.

Figura 7.4: Lenguas de clivaje. La flecha grande indica la direccin principal de propagacin y las flechas pequeas la direccin local de fractura

Otra caracterstica vista en la fractura por clivaje son las llamadas lnea de Wallner, como se muestra en la figura 7.5. Figura 7.5: Lneas de Wallner. La flecha negra indica direccin de propagacin

Estas marcas son el resultado de la propagacin del frente de la fisura que interacta con las ondas de esfuerzo elsticas en el material. Las lneas de Wallner aparecen como paralelas a los peldaos de clivaje, creando un patrn ondulado. La diferencia significativa entre las lneas de Wallner y las estriaciones de fatiga es que las primeras se Cruzan unas con otras, mientras que las de fatiga no lo hacen. Fractura Dctil en Metales

El mecanismo de iniciacin, crecimiento y coalescencia de microhuecos da lugar a las superficies caractersticas de una fractura dctil. La fractografa de una superficie de fractura dctil obtenida mediante SEM muestra pequeos hoyuelos, que representan huecos coalescidos. Los microhuecos generalmente se inician a partir de superficies libres internas creadas durante la solidificacin o conformado mecnico y tambin a partir de los bordes entre una partcula de segunda fase frgil y la matriz. Los hoyuelos aparecen en dos formas diferentes equiaxiales o parablicos, como se muestra en la figura 7.6. Los hoyuelos equiaxiales indican que la carga fue predominantemente de traccin, mientras que los elongados (parablicos) ocurren bajo carga cortante o de desgarro.

(a) (b)Figura 7.6: Hoyuelos equiaxiales y hoyuelos parablicosFractura por Fatiga en MetalesLas superficies de fractura por fatiga usualmente exhiben caractersticas como marcas de playa, estriaciones y marcas de trinquete. Las marcas de playa, se muestran en la siguiente figura. Estas son visibles an a bajos aumentos e inclusive a simple vista. Las marcas individuales representan sucesivas posiciones del frente de la fisura cuando hay una variacin de la carga cclica o una diferencia en la velocidad de oxidacin o corrosin de la superficie de fractura. Su espaciamiento nos da una idea de la no uniformidad de la carga cclica. Estas marcas son concntricas alrededor del lugar de origen de la fisura y crecen en la direccin de crecimiento de la fisura. Aunque la mayora de las veces las maracas de playa se asocian con las fisuras por fatiga, su presencia no siempre implica fallo por fatiga.

Figura 7.7: Marcas de playaLas estriaciones de fatiga mostradas en la figura siguiente, son vistas a menudo a amplificaciones altas y cada espaciamiento de la estriacin indica el progreso de una fisura durante cada ciclo de carga. Estas se encuentran a menudo dentro de la fina estructura de las marcas de playa individuales. La presencia de estas estriaciones definitivamente evidencia la propagacin de la fisura por fatiga, pero su ausencia no implica la ausencia de propagacin de la fisura por fatiga. La formacin de estriaciones implica la continuidad del frente de la fisura a travs de granos adyacentes ms que de un plano cristalogrfico para el crecimiento de la fisura. Si los siguientes requerimientos no se cumplen, las estriaciones bien desarrolladas no pueden ser vistas sobre la superficie de fractura. Las estriaciones (1) son paralelas unas a otras y perpendiculares a la direccin local de propagacin de la fisura, (2) varan en espaciamiento con la amplitud del ciclo de carga, (3) son iguales en nmero al nmero de ciclos de carga, y (4) generalmente se agrupan en subgrupos dentro de los cuales todas las marcas son continuas.Figura 7.8: Estriaciones de fatiga

Las marcas de trinquete son caractersticas macroscpicas debido a mltiples orgenes de la fisura, cada uno de los cuales produce una zona de fatiga separada.Fisuramiento acompaado de Corrosin

Tanto por clivaje o por fatiga, la mayor proporcin del avance de la fisura se debe a la exposicin a medios agresivos. A menor que la fisura se propague muy rpido, el medio fluye y llena la cavidad de la fisura. El efecto del medio ambiente es a menudo llamado como agrietamiento bajo corrosin tensin (SCC).Se sabe que tanto los medios gaseosos y lquidos causan agrietamiento en varios materiales bajo tensin. El agrietamiento por corrosin tensin en el acero y en el aluminio es del tipo intergranular, como se muestra en la figura 7.9, donde se pueden ver claramente las caras de los granos.

Figura 7.8: Superficie de fractura intergranular por corrosin tensin en una aleacin de aluminio 7075-T6

Las juntas oscuras mostradas por las flechas, son las fisuras secundarias, las cuales se han desarrollado en los bordes de grano. En la corrosin bajo tensin las superficies expuestas normalmente sern recubiertas con productos de la corrosin a lo largo de las grietas secundarias. La figura 7.9 muestra las marcas de playa en el acero, el cual ha sufrido corrosin bajo tensin. Estas marcas de playa son el resultado de las diferencias en la velocidad de penetracin de la corrosin en la superficie.Figura 7.9: Marcas de playa debido al agrietamiento por corrosin tensinFractura Frgil en Polmeros

Similarmente a los metales, los polmeros tambin exhiben caractersticas distintivas en la superficie de fractura, las cuales pueden usarse para comprender la historia de fractura. La superficie de fractura generada por una grieta que avanza a alta velocidad se muestra en la figura 10.10. Figura 7.10: Diferentes zonas en la fractura rpida frgil

Esta superficie muestra tres zonas diferenciadas. La zona llamada espejo es la superficie de fractura suave, la cual refleja la luz especularmente. A continuacin se encuentra una zona mate llamada niebla, y finalmente una zona de grano relativamente gruesa llamada pluma. En esta fractura particular la grieta se ha propagado bajo factores de intensidad y velocidades crecientes. La zona espejo bajo altas amplificaciones revela peldaos (lneas), paralelas a la direccin de propagacin de la fisura. Esto indica propagacin simultnea de la fisura en planos paralelos y sucede cuando la fisura interacta con huecos. En la zona espejo la fisura tiende a propagarse a lo largo de un solo plano, pro la interaccin con huecos causa la propagacin en diferentes planos.La zona llamada niebla revela una zona de marcas parablicas bajo altas amplificaciones como se muestra en la figura 7.11. Estas marcas se forman cuando el frente de la fisura interacta con otra fisura que se desarrolla al frente de la fisura. Para que esto suceda los esfuerzos en el frente de la fisura deben ser lo suficientemente altos para activarlas. Las aberturas de estas marcas indican que la direccin de propagacin de la fisura. La fisura empieza a propagarse a lo largo de varios planos, generando lneas (peldaos) paralelas a la direccin de propagacin.

Figura 7.11: Marcas parablicas en la zona llamada niebla

En la zona llamada pluma las marcas parablicas son ms profundas que aquellas originadas en la zona niebla, indicando que los esfuerzos al frente de la fisura son lo suficientemente altos para activar las fisuras, las cuales adicionalmente salen de la fisura principal. La fisura se propaga en varios planos generando la formacin de lneas en la direccin de la propagacin de la grieta. Adicionalmente a estas caractersticas, las marcas de ros se observan como en la figura 7.12. Estas marcas son causadas por la propagacin de fisuras secundarias perpendiculares a la direccin de la fisura principal.

Figura 7.12: Regin pluma mostrando marcas de rosEjemplo 1:

La fractografa de un componente que ha fallado se muestra en la siguiente figura. Asumiendo que la carga aplicada fue puramente reversa (R=-1) y uniforme. Determine el factor de intensidad de esfuerzos aplicado. La ley de Paris para este material es:

Solucinda/dn((1x10-6)/10= 10-7 m/ciclo (cerca de 10 estriaciones pueden ser vistas en el espacio de una micra.

Despejando K de la ecuacin de Paris, tenemos:

Ejemplo 2:Para el mismo componente del ejemplo anterior, se observa una fractografa de otra zona. Determine K. Por qu este valor es ms alto que el anterior?.

Solucinda/dn((5x10-6)/7= 7x10-7 m/ciclo (cerca de 7 estriaciones pueden ser vistas en el espacio de cinco micras.

Las estriaciones son ondulaciones en la superficie fracturada causadas por perturbaciones en el sistema de esfuerzos cclicos. La amplitud de una estriacin depende del esfuerzo de fatiga, el cual est en el orden de 10-4 mm o menos. El rango aparente del factor de intensidad de esfuerzos est relacionado empricamente al espaciamiento entre estriaciones mediante la siguiente ecuacin propuesta por Bates y Clark:

Donde : E= mdulo de Young medido en MPa

x= espaciamiento promedio de las estriaciones en mEjemplo 3

Determine K y la velocidad de crecimiento de la fisura para una aleacin de aluminio cuya superficie de fractura se muestra en la siguiente microfotografa. El mdulo de rigidez del material es E=207000 MPa. La fotografa est a 12000X y el espaciamiento de la estriacin es x=4 mm medido en la fotografa.

SolucinPrimero calculamos el espaciamiento de la estriccin x en metros:

Luego podemos estimar el valor de K

con la siguiente ecuacin:

Ahora como el espaciamiento de la estriacin mide la velocidad de crecimiento de la fisura, entonces:

Ejemplo 4Una plancha de acero inoxidable con una fisura de borde de 6 mm fue sometida a carga cclica de amplitud constante a una relacin de esfuerzos R=0. La plancha tiene un espesor B= 5 mm, un ancho W= 200 y es lo suficientemente larga para considerarla como una tira. Estime K y la mxima carga a la cual fall. La ecuacin de Paris para el material es:

Solucin:En la fotografa cada espaciamiento tieneaproximadamente 1 mm. Por lo tanto pode-

mos calcular el espaciamiento real:

Ahora podemos estimar el valor de K:

Por otro podemos estimar la velocidad de crecimiento de la fisura y despejar K de la ecuacin de Paris:

Finalmente para averiguar la carga a la cual fall el material estimamos Kmx:

Ahora podemos calcular mx:

Ejemplo 5Las medidas de los espaciamientos en las estriaciones a 8000x dan 0,03; 0,08 y 0,15 pulgadas respectivamente a tamaos de fisuras de 0,1; 0,2 y 0,3 y espaciamientos en las estriaciones a 2000x de 0,06 y 0,09 pulgadas a tamaos de fisuras de 0,4 y 0,5 pulgadas respectivamente. Determine las velocidades de crecimiento de la fisura y grafique la curva de crecimiento respectiva.

Solucinaespa.Aument.da/dNda/dN(prom)aNN

0.10.0380000.0000038

0.20.0880000.00001000.000006880.114545.45514545.455

0.30.1580000.00001880.000014380.16956.52221501.976

0.40.0620000.00003000.000024380.14102.56425604.540

0.50.0920000.00004500.000037500.12666.66728271.207

Ejemplo 6

Un material tiene un esfuerzo de fluencia de 90 ksi y la velocidad de propagacin de la fisura en este material para R=0 est descrita por la siguiente ecuacin:

El anlisis de falla de un componente muy grande de este material mostr que la fractura ocurri debido a la penetracin de una fisura originada por fatiga de 0,6 plg a partir de la superficie (=0,64). A 2000 aumentos el espaciamiento de las estriaciones muy cerca al vrtice de la fisura mide 0,12 plg. La carga fue de amplitud constante con ocasionales sobrecargas iguales al doble de la carga anterior. Calcule la tenacidad del material y el mximo esfuerzo durante la carga de amplitud constante.

Solucin:Cuando las estriaciones en la fractografa acaban sbitamente, es porque la fractura ocurri por una carga ms alta. La velocidad de la fisura justo antes de la fractura fue:Ahora de la ecuacin de Paris del material podemos calcular K:

Como:

Como R=0, entonces la sobrecarga que fractur el material fue de:Como con este esfuerzo el componente fall entonces el KIC del material ser:

EMBED Equation.3

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