2.3.2.1Iniciación De La Grieta
Las fallas siempre empiezan en una grieta, la cual puede estar presente desde el proceso de fabricación o manufactura (macrodefectos) o bien, ser inherente a la estructura microscópica del material (microdefectos).
2.3.2.1.1Microdefectos
Vacantes, inclusiones y distorsiones a nivel de la estructura cristalina; estos defectos hacen posible la deformación de los materiales y las aleaciones intermetálicas, pero al mismo tiempo, son el origen y medio de propagación de las grietas. A un mayor nivel se presentan inclusiones (impurezas) y segregación en los bordes de grano de aleaciones.
Figura 2.21. Defectos De La Estructura Cristalina (Vacante. Inclusión & Distorsión)
2.3.2.1.2Macrodefectos
Producidos durante la fabricación del material o el proceso de manufactura
• Impurezas metálicas y no metálicas (escoria, arena, gases) atrapadas durante la fundición, las cuales producen inclusiones y macroporos que actúan como concentradores.
• En la fundición por moldeo, una velocidad de enfriamiento excesiva o una mazarota mal calculada, provocan cavidades por contracción del material y fisuras, aparte de originar tensiones residuales, caso en el cual conviene utilizar tratamientos térmicos para aliviar dichas tensiones.
• Procesos de conformado en frío (laminado, rolado, doblado, embutido, etc.) pueden producir agrietamientos superficiales debidos a esfuerzos de cizallamiento.
• Procesos de mecanizado (torneado, fresado, cepillado, corte) con variables mal calculadas (velocidad de avance y profundidad de corte) o defectos de herramienta (ángulos incorrectos, filos mellados) producen irregularidades superficiales por arrancamiento de material en vez de corte continuo, sobre todo al final de la carrera. Se debe procurar obtener ángulos de corte redondeados (raíz de filetes de rosca, cuñeros, cambios de sección, etc.).
• Soldadura: defectos como mala penetración, fisuras, atrapamiento de gases y escoria entre pases, etc., generan concentradores de esfuerzos importantes que además se suman a los esfuerzos residuales que deja el proceso.
• Otra posibilidad (aunque mínima) es que el material esté libre de defectos, pero en presencia de concentradores de esfuerzos, las grietas aparecerán inevitablemente cuando los esfuerzos máximos locales superen la resistencia del material. Las grietas se originarán por esfuerzos cortantes debidos al desplazamiento de planos cristalinos alrededor de un microdefecto.
Figura 2.22. Cavidad Por Contracción & Bolsas De Gas En Piezas De Fundición
2.3.2.2Propagación De Las Grietas
En el tema de mecánica de la fractura se había determinado que una grieta en presencia de carga estática permanecía estable siempre y cuando la intensidad de esfuerzo fuera menor a la tenacidad del material (ki < kc).
Considérese ahora una grieta (independientemente de la presencia o no de concentradores), en cuyo extremo agudo se presentan esfuerzos normales superiores a los nominales (ver mecánica de fracturas) en virtud de una carga completamente alternante sobre una pieza de material dúctil (Figura 2.23.). Durante el periodo de tensión la grieta se abre creciendo un poco y su extremo se hace menos agudo reduciendo un tanto la concentración de esfuerzos; durante la compresión la grieta se cierra volviéndose aguda de nuevo pero con mayor longitud. De esta manera la grieta crece durante cada ciclo a razón de 10 a 10 in ciclo−8 -4 sin importar que
i c
k < k ; la zona de fluencia en el extremo de la grieta impide que ésta avance aún más rápido evitando la fractura súbita de la pieza. El avance cíclico se refleja en la superficie de fractura como marcas de estrías microscópicas alrededor de la grieta y/o concentrador de esfuerzos.
Figura 2.23. Condición De Carga Completamente Alternante En Un Eje
Si bien el torque ejercido puede ser constante al igual que la fuerza externa transversal, esta última no gira con el eje, por lo
cual genera un momento flector variante. El punto A está sometido a un esfuerzo normal máximo a tracción, B no está cargado al estar sobre el eje neutro y C se encuentra bajo un esfuerzo normal máximo a compresión. Todos los puntos experimentan un esfuerzo a cortante máximo
2.3.2.3Corrosión
La corrosión consiste en la transformación química del sustrato metálico en óxido, el cual al carecer de cohesión no ofrece resistencia alguna y finalmente se desprende de la pieza dejando expuesta la capa subyacente del material originando así un proceso continuo. Por esto, la combinación de carga estática más corrosión genera una grieta de lento crecimiento.
La peor condición es la combinación de corrosión y carga dinámica; el avance de la grieta es mucho más rápido y depende de la frecuencia de ciclaje (a menor frecuencia, más tiempo tiene el medio corrosivo para atacar la grieta).
Falla: cuando ki > kc se presenta una falla frágil. Recordando que
i nom
k = β ⋅ σ ⋅ π ⋅a, se puede llegar a la condición de falla por dos causas simultáneas: a) aumenta σnom por un incremento en la
carga o reducción del área, y b) aumenta la longitud de la grieta a lo que incrementa el valor de ki bajo una situación de carga
estática más corrosión, o carga dinámica (con o sin corrosión).
2.3.3 Diagrama S-N
August Wohler en sus estudios experimentales, sometió probetas de diferentes materiales a cargas alternantes (generando esfuerzos nominales de valor conocido) durante un número determinado de ciclos hasta la rotura. De esta manera pudo obtener estadísticamente una correlación negativa del tipo exponencial entre el número de ciclos y la resistencia última del material: a mayor número de ciclos menor era la resistencia última del material. Sin embargo notó que algunos materiales
(ferrosos) bajo cargas alternantes pequeñas nunca fallaban, y a este valor particular de esfuerzo lo llamó “el límite de resistencia a la fatiga Se” (el apóstrofe indica un valor sin corregir, pues varía
de acuerdo a ciertos factores que se verán más adelante).