BIBLIOGRAPHY

Las grietas por fatiga son pequeñas para una fracción muy grande de la vida total de algunos componentes de ingeniería y estructuras (hasta del 90% de la vida útil). Las características del crecimiento de éste tipo de grietas, es en algunas ocasiones muy diferente de lo que se podría esperar con base en la velocidad de crecimiento de grietas por fatiga convencional. Se ha observado, que la velocidad del crecimiento de estas grietas por fatiga, son más rápidas comparadas con la correspondiente macro grietas considerando el mismo valor

nominal de la fuerza de fractura cíclica (∆K)[25]. También se ha establecido que, las grietas

pequeñas crecen a una velocidad no despreciable cuando el valor nominal de ∆K es menor

que el valor umbral ∆Klim, el cual es determinado por los métodos tradicionales para evaluar

macro grietas. En contraste a la velocidad de crecimiento de macro grietas, en el cual regularmente se observa un incremento de la velocidad de crecimiento de grieta al aumentar

∆K, en la velocidad de crecimiento de grietas pequeñas en algunas ocasiones se ha

observado un incremento, en otras un decremento ó la velocidad permanece constante con

el incremento del ∆K.

La razón fundamental para este diferencias, entre las mediciones de la velocidad de crecimiento de grieta de grietas pequeñas y macro grietas, es a menudo la falta de similitud.

A pesar de que los valores nominales calculados de ∆K para macro grietas y grietas

pequeñas pueden ser iguales, las fuerzas que actúan para el crecimiento de grieta pueden ser muy diferentes en ambos casos, debido a los efectos de plasticidad localizada, cierre de grieta, las influencias microestructurales o la química localizada en la punta de grieta. En algunos casos, la mecánica del medio continuo asume la homogeneidad del material y, en

escalas pequeñas la cedencia puede ser superada en las zonas de generación de grietas pequeñas.

La caracterización de las grietas pequeñas es un tema complejo, debido a una amplia gama de factores que pueden afectarlas y a la variedad de microestructuras de los materiales utilizados en la construcción de estructuras de ingeniería.

2.3.1 Tipo de grietas pequeñas

Toda grieta pequeña no es lo mismo, diferentes mecanismos son responsables de los diversos efectos sobre un tipo de grieta en particular. El criterio que propiamente caracteriza a un comportamiento de una grieta pequeña en una situación en particular, puede ser

inapropiado en otra situación. Por ejemplo, en algunas referencias bibliográficas[25,26], se

pueden describir a las grietas pequeñas como: microestructuralmente pequeñas, mecánicamente pequeñas, químicamente cortas y grietas cortas:

Grieta microestructuralmente pequeña.

Una grieta considerada microestructuralmente pequeña, es cuando todas las dimensiones de la grieta son pequeñas en comparación con las características dimensiónales de la microestructura del material. Las variables microestructurales relevantes que define esta escala, puede cambiar de un material a otro, pero la escala microestructural comúnmente utilizada es el tamaño de grano. La grieta pequeña y la zona plástica en la punta de grieta pueden estar contenidas dentro de un grano, o el tamaño de grieta puede ser del orden de unos pocos diámetros del tamaño de grano promedio.

Grieta mecánicamente pequeña

Una grieta es considerada como mecánicamente pequeña, cuando todas las dimensiones son pequeñas, comparadas con las dimensiones de alguna característica mecánica. La característica mecánica relevante es, típicamente, la zona de deformación plástica, por ejemplo la punta de grieta o la región de plasticidad en alguna discontinuidad mecánica (muesca). La grieta puede estar totalmente dentro de ésta área, o el tamaño de la región plástica puede ser simplemente una fracción suficiente del tamaño total de la grieta.

Grieta químicamente pequeña

Experimentos sobre una variedad de aceros ferríticos y martensíticos en ambientes acuosos de cloro, han mostrado que bajo condiciones de corrosión-fatiga, las grietas pequeñas pueden crecer significativamente más rápido que las macro grietas con

valores comparables de ∆K. Este fenómeno se cree, es el resultado de la influencia

del tamaño de grieta sobre las reacciones químicas que ocurren en la punta de la grieta por fatiga. El mecanismo responsable de este efecto del tamaño de grieta químico, se cree que es el resultado de la fragilización por hidrógeno dentro de las grietas pequeñas (para el caso de los aceros), resultado de una dependencia del tamaño de grieta de uno o más factores que controlan la evolución de el medio

Tesis de Doctorado en Ciencias Capítulo 2 Proceso de falla por fatiga ambiente sobre la punta de grieta, como es: mezclas convectivas, difusión iónica o reacciones electroquímicas superficiales.

En la siguiente sección, nos referiremos al termino de grietas cortas las cuales son otro tipo

de clasificación de las grietas pequeñas.

2.3.2 Grietas cortas

Como ya se ha descrito anteriormente y de acuerdo a la norma ASTM E647-95[26], existen

diferencias al referirse entre grieta corta y grieta pequeña. Una grieta es definida como grieta

pequeña, cuando todas las dimensiones físicas (especialmente, longitud y profundidad de

grieta) son pequeñas en comparación con alguna escala relevante de medición por ejemplo: la microestructura, algún parámetro la mecánica del medio continuo o una dimensión física.

Las dimensiones físicas específicas que definen a una grieta pequeña varían con el material,

la configuración geométrica y las cargas aplicadas. Una grieta es definida como grieta corta

cuando sólo una dimensión física (típicamente la longitud de una grieta) es pequeña en

comparación de alguna escala empleada en la descripción de la grieta pequeña. En la tabla

2-2, se indican los tipos de grietas pequeñas en comparación de una dimensión.

Cabe aclarar que históricamente, no se ha hecho una distinción entre grietas pequeñas o cortas, inclusive los dos términos se han intercambiado en la literatura y algunos autores europeos emplean el término de grieta corta para hacer notar lo que aquí sea descrito como grieta pequeña.

Tabla 2-2 Clasificación y tamaños de grietas pequeñas por fatiga[26].

Tipo de grieta pequeña Dimensión

Mecánicamente pequeña a # ry

Microestructuralmente pequeña a #5-10 dg

Físicamente pequeña a #1mm

Químicamente pequeña a más de 10 mm

Notas:

a denota una característica de la dimensión de grieta (longitud o

profundidad)

ry es el tamaño de la zona plástica o campo plástico de la

muesca.

dg es una dimensión de una característica microestructural, a

menudo tamaño de grieta.

En este trabajo, el término de grieta corta corresponde a lo que se ha definido en la tabla 2-2, como una grieta del tipo físicamente pequeña, es decir, es una grieta con una longitud de grieta menor o igual a 1 mm y que puede interactuar con la microestructura del material. Como aclaración, el término de longitud física de una grieta superficial es representado como

2c. Mientras que la profundidad física de una grieta superficial se representa por la letra a,

Figura 2-4 Descripción de una grieta superficial[27].

En lo que respecta a la iniciación de grietas Hu Y. M. et al[28], demostraron que en una

aleación de titanio, las microgrietas preferentemente se inician en las fronteras de los granos o se generan en las bandas de deslizamiento cercanas a las fronteras de grano, la dirección de crecimiento de micro grietas en ambos casos es cercana a 90° de la dirección de la carga. Un efecto importante de las bandas de deslizamiento en la punta de grieta es que aumenta la velocidad de la coalescencia de grietas y por lo tanto, crece la velocidad en la generación de grietas cortas. También se encontró, que los ángulos agudos en la frontera de los granos son los sitios ideales para la iniciación de grietas ínter granulares. La coalescencia de grietas juega un papel importante en el desarrollo de las fallas por fatiga, en ésta investigación se observó que la fractura fatal en una probeta, fue resultado de la unión de dos macro grietas y cada una de estas macro grietas, fueron formados por la coalescencia de grietas cortas. Sin embargo, cabe señalar, que una porción substancial del tiempo total de la falla es empleada en la fase de generación y coalescencia de nanogrietas y de grietas cortas, por lo tanto es necesario que sea tomado en cuenta este proceso para cualquier estimación de confiabilidad.

2.3.3 Métodos para medir grietas pequeñas

Por lo general se realizan estudios analíticos, para predecir la velocidad de crecimiento de grietas pequeñas a partir de datos obtenidos de macro grietas, los cuales comúnmente están disponibles. En algunas aplicaciones, sin embargo, éstas aproximaciones no es la más adecuadas y es necesario obtener evidencia directamente de los experimentos para caracterizar a las grietas pequeñas. Desafortunadamente, las velocidades de crecimiento de grietas pequeñas no pueden ser medidas con los procedimientos normalizados desarrollados para medir las macro grietas. Las pruebas para medir el crecimiento de grietas pequeñas, por lo general requieren diferentes geometrías y técnicas de preparación de las probetas de prueba, diferentes técnicas de medición de la longitud de grieta y equipo, así como, diferentes técnicas de análisis de datos.

De acuerdo al apéndice X3 de la norma ASTM E647-95[26], existen varios métodos para

medir el crecimiento de grietas cortas, de las cuales se describen las que proporcionan la adquisición de imágenes para un posterior análisis:

Método de Réplica

Mientras los ciclos de fatiga se interrumpe y se aplica una carga estática a la probeta, una pequeña película de acetato de celulosa es humedecida con acetona y se pega a la superficie de la probeta y deja secar en pocos minutos. La réplica de acetato se graba de forma permanente a la topografía de la superficie, incluyendo las grietas y después se observa en un microscopio óptico o de barrido electrónico para medir la longitud de grieta.

Tesis de Doctorado en Ciencias Capítulo 2 Proceso de falla por fatiga Fotomicroscopía

Para implementar la fotomicroscopía, una cámara de 35 mm es utilizada en un microscopio metalográfico para grabar las imágenes de las grietas, las cuales se obtienen de la muestra, para ello se interrumpe la prueba de fatiga y se saca a la probeta de la máquina de prueba. Una serie de imágenes de alta magnificación son obtenidas y, posteriormente se mide la longitud de grieta por medio de una computadora.

Microscopio de barrido electrónico

Una pequeña probeta es sometida a ciclos de carga sobre un marco de carga colocado dentro de un microscopio de barrido electrónico y entonces, se toman fotografías o videos como sean requeridos por el usuario. Estéreo imágenes pueden ser capturadas con alta resolución, para medir el crecimiento de la grieta en la superficie de la probeta.

Otras técnicas que solamente proveen la velocidad de crecimiento de grieta son: pruebas de diferencia de potencial, interferometría láser y ultrasonido. En el caso de querer solamente observar el tamaño de una grieta, en la frontera del umbral del crecimiento de grietas, se

sugiere emplear la técnica de ∆K decreciente, con el fin de encontrar grietas iniciales sin el

efecto de la cerradura de grietas. El siguiente capítulo se enfocará a describir la metodología experimental y los resultados de las diversas pruebas realizadas, así como, el análisis de los mismos mediante el empleo de la correlación de variables.