tema_6.1 modos de fractura

7/26/2019 Tema_6.1 Modos de Fractura

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Fractografa Dr. Carlos Fosca

MODOS DE FRACTURAMODOS DE FRACTURA


FRACTOGRAFFRACTOGRAFAA

Ciencia y arte que trata del examen o interpretacin

de las superficies de fractura con objeto de conocer

las causas por las que una determinada pieza se

rompe.

Macro-fractografa: observacin y estudio de lafractura a ojo desnudo , con una lupa o un binocular

hasta 40 X

Micro-fractografa: observacin y estudio a travsdel microscopio ptico y electrnico.


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FRACTOGRAFFRACTOGRAFAA

A partir del anlisis fractogrfico se pueden determinar

los caracteres morflgicos de las superficies de rotura,

que permitan determinar el mecanismo de iniciacin,

forma de propagacin y consumacin de la rotura.

Causa de rotura

Diseo

inadecuado

Defectos de

fabricacin

Mantenimiento o

reparaciones mal

ejecutadas

Sobrecargas enservicio

Ambiente

agresivo


Una de las partes ms importantes del anlisis de

falla es la identificacin del tipo de fractura, la cual

esta condicionada por una serie de factores:

tipo y condiciones de carga,

velocidad de crecimiento de la grieta apariencia micro y macroscpica de la superficie

de fractura, etc.

IDENTIFICACIIDENTIFICACIN DEL TIPO DE FRACTURAN DEL TIPO DE FRACTURA


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Condiciones de cargaCondiciones de carga::

Fractura por sobre-carga.

Fractura por impacto

Fractura por esfuerzos

Fractura por fatiga


Fractura por sobre-carga: Cuando una fractura se originacomo consecuencia del lento o moderado incremento de los

esfuerzos mecnicos en un componente mecnico.

Fractura por impacto: Cuando la rotura de un componentese origina por el incremento de los esfuerzos mecnicos a

velocidades muy altas.

Fractura por esfuerzos: Cuando la fractura se producecomo consecuencia de la aplicacin sostenida de esfuerzos

mecnicos bajo condiciones de carga esttica a lo largo de

un perodo de tiempo.

Fractura por fatiga: Cuando la fractura de un componentese produce por la accin de esfuerzos cclicos.

Condiciones de carga:Condiciones de carga:


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FRACTURA DFRACTURA DCTIL (FALLA POR SOBRECARGA)CTIL (FALLA POR SOBRECARGA)

La fractura dctil se caracteriza por la rotura de un

componente acompaado de una apreciable deformacin

plstica y de un considerable consumo de energa.

La grieta se propaga de manera estable hasta la rotura y

con una velocidad relativamente lenta (< 6 m/s).

La fractura dctil tiene una apariencia macroscpica

fibrosa, grissea y puede presentar una

o una respecto a la direccin de

aplicacin de los esfuerzos mximos.superficie inclinada

superficie plana


En estas fallas es evidente la

formacin de un cuello o

estriccin antes de la fractura. El

plano de rotura es normal a la

direccin de los esfuerzos

mximos aplicados y la ltima

porcin de rea de la fractura se

produce en forma de un pico que

se extiende hasta la superficie del

componente, siendo esta regin

tanto mas pequea cuanto mas

grande es el espesor de la pieza.

Fractura dFractura dctil con superficie planactil con superficie plana

se produce cuando el componente esta sometido a un estado

triaxial de tensiones que corresponde a una condicin de

deformacin plana, como suele ocurrir en elementos de gran

espesor.

regresar


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se produce bajo solicitaciones

de carga en condiciones de

esfuerzos planos, que es

tpica de elementos deseccin delgada o de

regiones prximas a la

superficie. Este tipo de rotura

puede o no presentar

estriccin y la superficie de

fractura esta localizada

formando un ngulo de

aproximadamente 45respecto de la superficie

Fractura dFractura dctil con superficie inclinadactil con superficie inclinada

regresar


y

x

z

centro

superficie

Estado de esfuerzos plano y deformacin plana


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x

y

z = (x+ y)

Deformacin plana

z = 0

y

x

Esfuerzo plano

Planos de mximos

esfuerzos de corte

Estado de esfuerzos plano y deformacin plana


Zonaplstica

Deformacin plana

Esfuerzo plano


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La fractura dctil se produce como consecuencia de la

nucleacin y coalescencia de microcavidades (dimples) en

el interior del material. La nucleacin de estas

microcavidades se producen en las discontinuidades omicro-concentradores de tensiones como pueden ser

partculas de segundas fases, inclusiones no metlicas,

lmites de granos o apilamientos de dislocaciones

MECANISMO DE LA FRACTURA DMECANISMO DE LA FRACTURA DCTILCTIL


Inclusiones pueden

inducir la acumulacin de

dislocaciones que

favorezcan la nucleacin

de microcavidadesprecursoras de la fractura

ductil


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Las microcavidades se producen en las interfases de las

inclusiones o partculas duras dispersas en la matriz.




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Fractura dFractura dctil (ctil (dimplesdimples))

Se produce por coalescencia de microcavidades.

Nucleacin de microcavidades en regioneslocalizadas de deformacin (partculas de fases

secundarias, inclusiones, lmites de grano, y

apilamiento de dislocaciones).

Conforme crece la deformacin en el material las

microcavidades crecen, coalescen y

eventualmente forman una superficie de fractura

continua

Esta fractura exhibe una numerosa cantidad de

depresiones (tipo copas) dimples.


La superficie, observada a mas de 100X, exhibe una serie

de numerosas micro-depresiones que son el resultados de la

coalescencia de las microcavidades y que reciben el nombre

de "dimples" (hoyuelos).

.


Cara superior

Cara inferior


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La cantidad y distribucin

de los "dimples" son

consecuencia de la

cantidad de zonasactivadas para la

nucleacin de

microcavidades. Cuanto

mayor es la dispersin y

cantidad de precipitados o

fases secundarias, mas

pequeos sern los

dimples que se observen

en la superficie defractura.

MECANISMO DE LA FRACTURA DMECANISMO DE LA FRACTURA DCTILCTILprecipitados

Imagen SEM



Acero para muelles Acero Maragin


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Las fallas en servicio que ocurren como consecuencia de

fracturas completamente dctiles son poco frecuentes, sin

embargo, cuando ello ocurre la fractura dctil se origina

como resultado de una sobrecarga, la cual puede ser

consecuencia de diversos factores:

CAUSAS DE LAS FRACTURAS DCAUSAS DE LAS FRACTURAS DCTILESCTILES

sub-dimensionamiento delcomponente

bajas propiedades mecnicas del

material

proceso de fabricacin

inadecuado

materiales defectuosos

sobre-esfuerzos mecnicos, etc.


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La fractura frgil se

caracteriza por una rpida

propagacin de la grietasin apreciable

deformacin plstica y por

un menor consumo de

energa comparada con la

fractura dctil.

FRACTURA FRFRACTURA FRGILGIL

Las superficies de fractura frgil tienen una apariencia

brillante, granular con poca o ninguna estriccin. El plano de

fractura es perpendicular a la direccin de los mximosesfuerzos de traccin.



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Si observamos la superficie de fractura de una probeta

cilndrica como la que se muestra en la figura siguiente,

veremos que esta tiene una serie de "crestas" radiales

que se originan del centro de la superficie de fractura.Estas "crestas" se mueven paralelas a la direccin de la

propagacin de la fisura y se forman cuando dos grietas

adyacentes no coplanares se conectan entre s.



Una vez que el frente de las grietas alcanza la periferia de la

seccin de fractura se produce un cambio en el estado

tensional pasando de un estado triaxial de tensiones (en el

centro de la pieza) a un estado de esfuerzo plano (en la

superficie). Ello provoca que en la ltima porcin de la

fractura se observen picos debidos a ruptura por corte

aunque en mucho menor grado que en una fractura dctil.



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Las "crestas" radiales observadas normalmente en una

fractura frgil permiten orientarnos en la bsqueda del origen

y de la direccin de propagacin de la grieta.


"crestas" radiales

Origen de la grieta


Asimismo, la extensin de esta regin esta influenciada por

la temperatura al cual se produjo la fractura. Cuando la

fractura se produce a una temperatura alta (en relacin a la

temperatura de transicin dctil/frgil del acero en cuestin)

la presencia de crestas radiales es mucho ms evidente

mientras que a bajas temperaturas pueden llegar incluso a

estar ausentes.



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La existencia de los picos

por rotura de corte en los

bordes de la superficie de

fractura orienta en labsqueda del origen de la

fractura. Estos picos se

presentan en la regin final

de fractura, es decir en la

periferia y nunca en el

origen de la misma.

Si la fractura frgil de

produjo a baja temperaturaes probable que estos

picos no se observen.



Las fallas de estructuras o componentes mecnicos mediante

fractura frgil se originan por la presencia de defectos inicialmente

originados durante el proceso de fabricacin o a lo largo de la

operacin en servicio. Estos defectos actan como concentradores

de tensiones y pueden ser en trminos generales:

CAUSAS DE UNA FRACTURA FRCAUSAS DE UNA FRACTURA FRGILGIL

1. Entalles: discontinuidades causadas por cambios de seccin,

defectos de mecanizado o daos en servicio (rayado)

2. Defectos del material: plieges, laminaciones,grandes

inclusiones no metlicas, defectos de forja, etc.

3. Segregaciones, inlcusiones, microestructuras indeseables,

presencia de fases secundarias, etc.

4. Fisuras resultantes de tratamientos trmicos, presencia de

hidrgeno, debidas a corrosin


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Fractura Frgil

La fractura frgil se caracteriza macroscpicamente por

que:

hay poca o ninguna deformacin plstica precede a la

fractura

la fractura es generalmente lisa y perpendicular a la

superficie del componente

la fractura puede tener una apariencia granular o

cristalina y es a menudo altamente reflectiva a la luz

pueden observarse marcas chevron (herradura)

el crecimiento de la grieta es muy rpido


Rotura de un rodilloRotura de un rodillode laminacide laminacinn


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Fractura frgil por clivaje

Clivaje es una fractura de baja energa que se propaga

a lo largo de planos cristalogrficos bien definidos

conocidos como planos de clivaje.

Debido a que las aleaciones de ingeniera son

policristalinas (contienen granos, subgranos,

inclusiones, dislocaciones y otras imperfecciones) la

fractura de cilvaje exhibe numerosas superficies de

propagacin ( marcas de ro marcas de plumas,

marcas de herradura chevron, marcas de lengua,

etc)




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Esta tubera fue sometida a un

ensayo de presin (0,4 sy)

mediante detonacin de carga

explosiva.La fractura inicial fue frgil pero

luego la fisura se detiene de

manera dctil


Modos de fractura

Fractura de un eje por fatiga torsional

Se aprecia inicio de

la fisura por fatiga

Marcas chevron

Fractura final por

sobrecarga

(dctil)


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Fractura frgil (superficie) por sobrecarga de flexin en un eje

de automvil (AISI 1050) con temple superficial (60 HRC)

Origen de la fractura

Fractura mixta (frgil-dctil)


Marcas de chevron

Resultan de un crecimiento discontinuo de superficies de

fractura por clivaje, como consecuencia de la iniciacin,

crecimiento y unin de varias superficies de fractura.

El frente de propagacin de la fractura chevron tiende a ser

curvado (parablico) envolviendo una serie de fisuras que

crecen radialmente.


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Marcas de chevron

Este tipo de fractura es observado en aceros de baja

resistencia mecnica que exhiben cierta ductilidad, pero

no se observan en materiales frgiles.

Ello se debe a que es necesario cierto nivel de

deformacin plstica para la formacin de lneas chevrn


Marcas de

chevron


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Fractura descohesiva (intergranular) en un acero AISI

8740 debido a fragilizacin por hidrgeno originada por

un tratamiento indecuado de deshidrogenado despus

de un cadmiado

Fractura frgil intergranular


Fractura descohesiva (intergranular) en un acero AISI

8740 debido a fragilizacin por hidrgeno originada por

un tratamiento indecuado de deshidrogenado despus

de un cadmiado

Fractura frgil intergranular


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FATIGA

Iniciacin de microfisuras


FATIGA

Microdeformacin plstica

Iniciacin de una o ms microgrietas

Propagacin o coalescencia de microgrietaspara formar una o mas macrogrietas

Propagacin de macrogrietas

Falla final

Mecanismo de la falla por fatiga


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FATIGA

Microdeformaciones provocan movimiento de

planos de deslizamiento a travs de dislocaciones

Dislocaciones emergen a la superficie

las cargas oscilantes provocan acumulacin local

de escalones de dislocaciones en la superficie

(extrusiones e intrusiones) aumentando la

rugosidad (bandas de deslizamiento)

durante la deformacin plstica cclica se produce

endurecimiento en ablandamiento del material



FATIGA

Aleaciones monofsicas recocidas se

endurecen, mientras que aleaciones

endurecidas en fro se ablandan.

Aleaciones con precipitados coherentes con lamatriz (Ni3Al en aleaciones base Ni)

experimentan fuerte endurecimiento.

Otras aleaciones como Al-Cu, sufren tambin

endurecimiento.



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FATIGA

Los aceros templados se endurecen pormicrodeformacin cclica

Los aceros templados y revenidos se ablandan

El ablandamiento se debe al cambio producido

en la estructura de dislocaciones con la

deformacin cclica, reduciendo la densidad de

dislocaciones.



FATIGA

Se originan en: bandas de deslizamiento,

lmites de granos, en partculas de segunda

fase, en inclusiones o interfases matriz/fase

secundaria. Depender de cual ocurre mas

fcilmente.

La acumulacin de dislocaciones que emergen

en la superficie se concentran en los

obstculos presentes (lmites de granos, fases

secundarias, pelculas de xidos, etc)

acumulando una gran cantidad de energa

elstica



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FATIGA

Cuando la energa de deformacin acumuladaexcede en el doble la energa para formar una

superficie libre se produce una microfisura

(fisura en la matriz, , descohesin a travs de

lmites de grano, fisuracin de una fase

secundaria, etc.)

La amplitud de deformacin crtica para

provocar fisuracin esta relacionado con la

severidad al entalle del material.



FATIGA


Formacin de intrusiones y extrusiones en un

cristal sometido a esfuerzos alternantes.


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FATIGA


El espaciamientoentre las

estriaciones es una

medida del lento

avance de la fisura

de fatiga (por ciclo

de deformacin)


FATIGA

Propagacin de microfisuras

La acumulacin de

dislocaciones

emergentes forman una

microfisura que se

propaga inicialmente

siguiendo la direccin

establecida por la

microdeformacin

plstica (etapa I)


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FATIGA


Alcanzado un tamao esta microfisura crece

bajo la accin de los esfuerzos aplicados

movindose en la direccin normal a los

esfuerzos de traccin mximos (etapa II)

Esta microgrieta sigue creciendo hasta alcanzar

un tamao macroscpico (macrogrieta) y hasta

reducir la seccin efectiva que soporta los

esfuerzos hasta un nivel intolerable provocando

una sobrecarga que fractura del material.


FATIGA

deslizamiento

Esfuerzos decompresin

Avance de lafisura duranteun ciclo de carga



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FATIGA


En la etapa II de la propagacin de la fisura la

relacin R = min/max tiene poca influenciaen la velocidad de propagacin de la grieta.

Del mismo modo, la microestructura no juega

un papel muy importante.

En cambio si se ha encontrado relacin entre la

velocidad de crecimiento de la grieta y el

mdulo lstico E en esta etapa II


Fracturas debidas a fatiga


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Fracturas debida a fatiga


Fractura por fatiga torsional (fractura tipo

peeling) en un eje de acero AISI 1030.

Fractura por fatiga


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Fractura por fatiga en un eje AISI 1040 (30 HRC)

sometido flexin rotativa.

Fractura por fatiga

La fractura comenz en

diferentes puntos de la

superficie


Inicio de la fisuracin

Fin de la fracura

Fractura por fatiga flexorotativa en eje de acero

AISI 1040 (30 HRC)

Marcas de playa

Fractura por fatiga


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Fractura por fatiga

Fractura por fatiga en

un eje AISI 1050 (35

HRC) sometido a

flexin rotativa, seobservan marcas

mltiples en la

superficie lo que

indica que la fractura

se origino en diversos

puntos debido a un

fuerte concentrador

de tensiones en lasuperficie.


Morfologas de la fractura por fatiga paradiferentes tipos de carga

Traccin-traccin traccin compresin


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Flexin unidireccional


Flexin bidireccional



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Flexin y torsin rotativa

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