Cap. 8 Fractura Por Fatiga Aspectos Morfologicos - Prof. Alberto Monsalve

Diagnóstico y análisis de fallas

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

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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

Etapa 1 (Origen)

Etapa 2

Estriación

Deformación plástica

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.

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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.

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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.

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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.

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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:

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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.

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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 O R

O = Orígenes de la fractura por fatiga R = Marcas de correderas entre orígenes de fatiga

O R

Vista aumentada

O R O

Ruptura final

O

R

(a)

(b)

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.

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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.

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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.

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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

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(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.

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