capítulo viii - usach · diagnóstico y análisis de fallas fractura por fatiga, aspectos...
TRANSCRIPT
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 1
Capítulo VIII
Fractura por fatiga
Aspectos Morfológicos
1. Introducción
Las fracturas por fatiga se consideran generalmente el tipo más serio de
fractura de maquinaria, debido a que estas fallas pueden y de hecho ocurren
en servicio normal, sin excesivas sobrecargas y en condiciones normales de
operación. Desde luego, si las condiciones de servicios son anormales o bien
está presente un medio ambiente corrosivo, la tendencia a la fatiga aumenta.
Una pieza que está sometida a cargas alternantes está propensa a la fatiga.
Cuando esto ocurre, se nuclean (nacen) pequeñas grietas en el material, que
se propagan bajo la acción de estas cargas fluctuantes. Al menos una parte
de la carga cíclica debe ser de tracción, dado que las grietas no crecen
durante las cargas compresivas. La apariencia final de la fractura por fatiga
puede ser dúctil frágil, dependiendo del tipo de material, de las cargas
aplicadas y de las condiciones ambientales.
En general, existen tres etapas en el proceso de fatiga: iniciación de grietas,
crecimiento y ruptura final.
Etapa 1. Iniciación.
Es la etapa más compleja del proceso de fatiga. Se trata de impedir o de
retardar esta etapa con el fin de impedir la falla por fatiga. Los cambios
submicroscópicos son difíciles de visualizar, difíciles de describir y de
comprender. Sin embargo, la acumulación del daño microscópico, puede dar
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 2
origen a un daño macroscópico capaz de generar una fractura por fatiga. Las
grietas iniciales suelen aparecer paralelas a la dirección de los esfuerzos
cortantes.
El sitio en que aparece el daño, la microgrieta, puede tener una extensión de
unos pocos granos. Existen simultáneamente un gran número de estos
lugares en un material sometido a fatiga, dependiendo del tipo de material, de
las cargas aplicadas (tipo e intensidad), del medio ambiente etc.
Etapa 2. Propagación.
A medida que el proceso de fatiga continua, las grietas inicialmente paralelas
a los esfuerzos de corte, se reorientan en una dirección perpendicular a los
esfuerzos de tensión aplicados.
Una vez que la grieta se forma, concentra los esfuerzos en su punta,
causando la propagación hacia el interior del material, cada vez que se realiza
un ciclo de carga. Cada vez que la grieta avanza, se genera una
estriación en el material, las que son visibles a altos aumentos por
microscopía electrónica de barrido.
Dirección de
crecimiento de grieta
Estriación Deformación
plástica
Etapa 1
(Origen)Etapa 2
Figura 1. Esquema de las etapas 1 y 2 en un proceso de fatiga.
Etapa 3. Ruptura Final.
Al progresar la propagación de la grieta, disminuye la sección
transversal de la pieza, debilitándola y produciendo el colapso final.
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 3
Esta fractura final puede tener, como se ha mencionado, apariencia
dúctil o frágil.
Desde el punto de vista del análisis de fallas, es muy importante tener
suficientemente claro, el punto de inicio de la fractura y el punto de
término, debido a que puede contribuir a esclarecer el origen de la falla,
dando pistas acerca de la relación entre cargas aplicadas y resistencia
mecánica.
Estriaciones de fatiga, un aspecto microscópico de la fatiga.
Las estriaciones son el aspecto más característico del proceso de
fatiga, aunque no siempre puede ser detectado.
Durante el crecimiento de la grieta en la etapa 2, la punta de la grieta
concentra las tensiones, deformando plásticamente la zona
inmediatamente adyacente a la punta de la grieta, enrromando
levemente la punta a escala microscópica, lo que crea una especie de
loma o estriación a ambos lados de la superficie de fractura. En la figura
1 puede apreciarse un esquema que explica el crecimiento de grieta y la
formación de estriaciones.
Figura 2. Estriaciones de fatiga en acero de bajo carbono, 2000X. (8620). La propagación de
la grieta es en la dirección de la flecha.
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 4
Figura 3. Estriaciones de fatiga en aluminio 7075-T6. La muestra fue cargada 10 ciclos a alto
esfuerzo, 10 ciclos a bajos esfuerzos y así sucesivamente. Se obtuvieron 10 estriaciones
gruesas, 10 estriaciones finas etc. 4900X.
Si las cargas se mantienen constantes, las estriaciones de fatiga
aparecen bastante próximas en las primeras etapas del proceso de
fatiga. A medida que la grieta crece, las estriaciones de fatiga se hacen
más distanciadas debido al debilitamiento que se produce en la pieza,
hasta que se produce la fractura final.
No siempre es posible detectar las estriaciones sobre las
superficies de fractura, por varias razones:
1. Las estriaciones no se presentan en materiales muy duros o muy
blandos. Por ejemplo los aceros endurecidos por sobre HRC 50, o
desarrollan estriaciones, o bien las desarrollan débilmente, debido a su
falta de ductilidad. En materiales muy blandos, es difícil observar las
estriaciones debido as susceptibilidad al daño. En la figura 4 se muestran
casos de estriaciones débiles, formadas en aluminio y acero.
2. Las piezas que rozan después de ocurrida la fractura tienen tendencia a
quedar marcadas de manera muy parecida a las estriaciones, como se muestra
en la figura 5. Estas marcas aparecen cuando las dos superficies de fractura
rozan entre sí durante la etapa de compresión.
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 5
Figura 4. (a) Estriaciones de fatiga en una superficie de fractura de aluminio 1100 (2000X); (b)
Estriaciones de fatiga débiles (localizadas entre las flechas) sobre una superficie de fractura en
un acero D-6AC con una resistencia (UTS) entre 1795 y 1930 MPa.
Figura 5. Marcas por roce (ver flecha) en la superficie de fractura de una aleación de aluminio
7075-T6 (5400X).
3. Ciertas microestructuras laminares, como la perlita en aceros y hierros
fundidos, pueden presentar superficies de fractura que se asemejan a las
estriaciones de fatiga. En estos casos, el análisis microscópico debería
mostrar una alineación variable de las láminas, que no es propia de las
estriaciones de fatiga que aparecen normalmente de manera concéntrica.
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 6
Características Macroscópicas de la fatiga.
El diagnóstico de los problemas de fatiga es posible de realizar utilizando bajos
aumento, usualmente menos de 50X. Sin embargo, utilizar microscopía
electrónica de barrido ha contribuido sin duda a mejorar los análisis y a
simplificarlos.
Ausencia de deformación
Dado que la fatiga ocurre a un nivel de esfuerzos por debajo del límite elástico,
normalmente no se aprecia deformación en la superficie. Sin embargo, si se
aplican esfuerzos por encima del límite elástico, es decir, fatiga de bajo número
de ciclos, se producirá deformación macroscópica sobre el material. No
obstante, la fatiga usualmente ocurre a gran número de ciclos.
No está bien definida la diferencia entre lo que es alto y bajo número de ciclos.
Algunos autores sugieren que 100.000 es una cifra apropiada.
La medida de la deformación, aunque sólo sea una medida cualitativa, puede
dar indicios del nivel de carga aplicad en el proceso de fatiga. Grandes
deformaciones son una señal de sobre carga, en tanto bajas deformaciones
están asociadas a cargas moderadas o bajas.
El examen de la pieza fatigada, no sólo debe hacerse sobre la superficie de
fractura, sino que también sobre el resto de la pieza, debido a que e puede
obtener información importante del resto de la estructura. Por esta razón se
debe manejar cuidadosamente, la superficie de fractura y también el resto de la
pieza.
Marcas de playa (Beachmarks).
Las marcas de playa son una característica que aparece en muchos procesos
de fractura por fatiga. Su presencia es una forma de identificar la ocurrencia de
la fatiga.
Las marcas de playa reciben otras denominaciones: beachmarks, stop marks,
arrest marks, clamshell marks y conchoidal marks. El término más empleado es
beachmarks.
Las marcas de playa no deben ser confundidas con las estriaciones de fatiga, a
pesar de que ambas están presentes sobre la misma superficie de fractura. En
principio, hay varios miles de estriaciones de fatiga entre cada marca de playa.
Las marcas de playa aparecen cada vez que el proceso de fatiga ha sufrido
una detención, ver figura 6. En general, hay dos orígenes para las marcas de
playa:
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 7
1. Por deformación plástica microscópica en la punta de la grieta durante los
períodos de interrupción de ciclaje o bien durante los períodos en que los
esfuerzos no son lo suficientemente altos para el crecimiento de la grieta.
2. Por corrosión. Cuando la grieta avanza, la presencia de un medio ambiente
moderadamente agresivo, produce corrosión en la superficie de fractura, lo que
genera marcas sobre dicha superficie debido a que la zona que primero se
forma permanece más tiempo expuesta al medio ambiente. Algunas veces, los
productos de corrosión tienen una diferente coloración e relación al metal sin
corroer, lo cual muchas veces es útil para diferenciar la grieta inicial de la rotura
final por colapso catastrófico.
Figura 6. Fractura por fatiga rotatoria en una eje de acero SAE1040, con dureza aproximada 30
HRC.
Marcas de corredera (Ratchet marks)
Son marcas que aparecen en las superficies fracturadas por fatiga que son
muy útiles en la identificación de los proceso de fractura por fatiga, al igual que
las marcas de playa.
Son perpendiculares a la superficie a partir de la cual se origina la fractura por
fatiga. Por tanto, en ejes circulares las marcas de corredera son radiales y
apuntan hacia el centro. En piezas planas, tal como resortes de hoja, son
inicialmente perpendiculares a la superficie pudiendo posteriormente curvarse.
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 8
Mecanismo de formación de las marcas de corredera
Cuando varias grietas nacen en la periferia de una pieza, cada una de ellas
crecerá en una dirección radial como se muestra en la figura 7. Si os orígenes
de las grietas están en el mismo plano, crecerán hasta encontrarse con la
grieta inmediatamente adyacente. Cuando esto suceda, el material se
fracturará a lo largo de la pequeña distancia entre ambas grietas. Esto a su vez
crea un plano agudo perpendicular a la superficie. Las marcas de corredera no
son los orígenes de las grietas. Cada una de estas marcas separa dos
superficies de fractura por fatiga. El número de marcas de corredera es igual o
es menor en uno al número de orígenes de grietas, razón por la cual su número
es importante para determinar el número de orígenes de grietas por fatiga. Ver
figura 8.
R
R
R
R
O
O
O
O
R
O Ruptura final
(a) (b)
O = Orígenes de la fractura por fatiga
R = Marcas de correderas entre orígenes
de fatiga
Vista aumentada
Figura 7. Esquema de la formación de marcas de corredera.
Similitudes entre estriaciones y marcas de playa
Las estriaciones y las marcas de playa identifican la posición de la punta de la
grieta a un momento dado.
Las estriaciones de fatiga y las marcas de playa crecen a partir del origen en
una configuración circular o semicircular.
Las estriaciones y las marcas de playa son líneas paralelas y no se cruzan con
otras líneas procedentes de otros orígenes.
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 9
Algunas superficies de fractura no presentan ni estriaciones ni marcas de
playa. Los metales muy duros no forman estriaciones durante la segunda
etapa. En general, las estriaciones de fatiga son difíciles de observar.
Las marcas de playa no aparecen si la pieza ha estado funcionando
continuamente o con sólo pequeñas interrupciones.
Las marcas de playas y las estriaciones de fatiga, pueden ser apantalladas
cuando las superficies de fractura han sufrido daño posterior a la fractura.
Figura 8. Fractura por fatiga en un perno de 5/8 de pulgada, roto por fatiga axial. (a)
Numerosas grietas de fatiga separadas por marcas de corredera radiales; (b) Acercamiento de
varios orígenes de grietas separadas por marcas de corredera; (c) Grietas por fatiga en la raíz
del hilo del perno (flechas) que aún no han crecido lo suficiente para unirse a las grietas vecina
y formar una marca de corredera.
Diferencias entre estriaciones de fatiga y marcas de playa.
La diferencia fundamental entre estriaciones de fatiga y marcas de playa es su
tamaño. Las estriaciones son microscópicas en tanto que las marcas de playa
son una morfología macroscópica. Las estriaciones de fatiga presentan una
distancia menor cuando la grieta está en su etapa inicial, y comienzan a
distanciarse a medida que la grieta crece.
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 10
Las marcas de playa suelen ser visibles a simple vista. No aparecen cuando el
proceso de fatiga se realiza sin interrupciones como sucede en las pruebas de
laboratorio.
Las estriaciones se diferencias además de las marcas de playa en el origen de
cada una de ellas. Las estriaciones representan el avance del frente de grieta
por la aplicación de un ciclo de carga.
La figura 9 es una representación esquemática del avance de un conjunto de
grietas que se originan en los puno O, los que a su vez forman marcas de
corredera en R. Las grietas a avanzar generan las seriaciones de fatiga (S)
formando a su vez las marcas de playa (B) cada vez que el proceso sufre una
detención.
Figura 9. Representación esquemática de una superficie de fractura. En O se originan las
grietas que avanzan dejando estriaciones de fatiga hasta que en R coinciden dos rentes de
grietas. En ese momento se genera un plano de fractura, una marca de corredera. Las marcas
de playa se generan cada vez que el proceso de fatiga sufre una detención.
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 11
Figura 10. Superficie de fractura por fatiga de un eje de acero 150, con una dureza
aproximada HRC35, que fue sujeta a fatiga rotatoria. Se observa la presencia de marcas
ratchet, que son las pequeñas marcas brillantes sobre la superficie, lo que indica que las
grietas fueron iniciadas en varios lugares. Las marcas excéntricas indican que la carga
sobre el eje no estaba balanceada; la fractura final se encuentra cerca del costado
izquierdo.
Figura 11. Origen subsuperficial de la fatiga (flecha banca) en una muestra sometida a
flexión inversa en un acero aleado de bajo contenido en carbono. El ensayo fue detenido
debido a que la grieta por fatiga avanzó a través de un tercio del diámetro de la muestra
que tenía 0.250 in de diámetro. La grieta penetró hasta un punto intermedio a entre el
núcleo y la periferia. Fue dejada por varios meses hasta que la muestra fue fracturada
Diagnóstico y análisis de fallas
Fractura por fatiga, aspectos morfológicos 12
(zona clara). El color oscuro de la fractura original fue el resultado de la corrosión por la
atmósfera del laboratorio.
Figura 12. Origen sub superficial de una grieta en un eje de acero 1541 de 3,25 in de
diámetro endurecido por inducción que fue ensayado en laboratorio en flexión rotatoria.
La fractura primaria se originó en A, mientras una grieta pequeña avanzó desde B.
Nótese que no se observan marcas de playa dado que el ensayo continuo y que ambos
orígenes se encuentran cerca del borde interno de la zona endurecida por inducción. La
grieta de fatiga más grande (desde A), se encontraba en el tercio izquierdo de la
superficie de fractura, antes que se activara la fractura frágil en la periferia. Nótese las
marcas Chevron en la zona inferior derecha y la fractura dúctil en el centro.