Fractura Fragil 28353v

FRACTURA FRAGIL Las fracturas frágiles aparecen brillantes y cristalinas. Cada cristal tiende a fracturarse en un plano de clivaje único (el cual posee baja energía superficial), plano que varía sólo ligeramente de un cristal a otro; debido a esto una fractura frágil en una muestra policristalina generalmente brillará a la luz. La fragilidad es una característica de los materiales que poseen una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y de tipo hexagonal. La fractura frágil es rápida y tiene lugar sin una apreciable deformación debido a una rápida propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo de planos cristalográficos específicos denominados planos de fractura los cuales son perpendiculares a la tensión aplicada produciendo una superficie de fractura generalmente plana como se muestra en la fig. 3.20.

Fig.3.20.- Aspecto de una fractura frágil en una probeta de Titanio Ti-6Al-4V [18]. En el caso de probeta de aleación de titanio, ella tiene una ranura en el centro como concentrador de esfuerzos. Esta probeta fue sometida a un ensayo Charpy. Ella presenta una pared delgada en un extremo que parece ser deformación plástica que no lo es porque al tratar de ensamblar ambas partes, la probeta retomó sus dimensiones originales [19]. La fractura frágil tiene las siguientes características:      

i) Muy poca plasticidad, las piezas quebradas pueden volver a juntarse. ii) La grieta es inestable, se propaga sin que haya un aumento de tensiones, a velocidades muy elevadas (puede alcanzar cerca de 2000 m/s), lo que acarrea consecuencias catastróficas en una pieza que está en servicio. iii) Generalmente la superficie de fractura es plana y normal a la dirección del esfuerzo máximo aplicado. iv) La grieta a menudo avanza por “clivaje”, quebrando los enlaces a lo largo de planos cristalográficos bien definidos llamados “planos de clivaje”. v) La carga de falla es muy pequeña comparada con la de fluencia. vi) La fractura siempre comienza en un lugar de concentración de esfuerzo, como en algún defecto: porosidad, desgarros o grietas, daños por corrosión, fragilización por hidrógeno, etc.

Ejemplos de materiales que presentan este tipo de fractura: Acero de bajo carbono, aceros de alta resistencia, aleaciones de aluminio y titanio, cerámicas, vidrios y concreto.

C.- Aspectos Macroscópicos de la Fractura Frágil

La mayoría de las fracturas frágiles son transgranulares, es decir, se propagan a través de los granos, sin embargo, si los límites del grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la fractura se propague en forma intergranular. Las bajas temperaturas y las altas deformaciones favorecen la fractura frágil .La característica más importante de las superficie de fractura frágil son las marcas radiales (tal como se ha mencionado en fractura dúctil); estas marcas se extienden por toda la superficie hasta la cercanías de las superficies libres, donde se forman zona de desgarramiento (shear lips) debido al alivio del estado de tensiones triaxiales. Cuando la pieza tiene una dimensión mucho menor que las otras; como son láminas y planchas de acero, placas, barras planas y regiones con capas endurecidas, tal como se muestra en la fig.3.22, las marcas radiales presentan un aspecto característico en forma de “V” llamadas marcas de “Chevron” (o de sargento por los galones) que apuntan hacia el origen de la fractura. Una fractura puede presentar marcas radiales desde su inicio, esto sucede cuando nuclea a partir de un defecto preexistente, por ejemplo, una grieta debido a un tratamiento térmico, falta de fusión en una soldadura, etc. Determinación del origen de la grieta

Uno de los puntos más importantes en la observación de las superficies de fractura es la determinación del inicio de la grieta y ello cuando las condiciones lo permiten, puede hacerse mediante las siguientes observaciones:   

a.- Las marcas radiales o las de chevron apuntan hacia el origen de la grieta (figs. 3.23a, 3.23b ). b.- Cuando la fractura se inicia en la superficie o muy cercana a ella, la región de inicio de la fractura no presenta zona de cizalle. (fig. 3.23a, 3.23b y 3.24). c.- Una pieza fracturada por impacto, especialmente cuando se trata de aceros muy aleados, temperados y revenidos, puede presentar en la superficie una serie de marcas ondulantes cuando el impacto no fue lo suficiente para completar la fractura, la cual debe ser reiniciada. En la región de reinicio aparecen unas marcas ondulantes que convergen en el sentido de la propagación ( fig.3.25).

Aspectos Microscópicos de la Fractura Frágil En la mayoría de los materiales policristalinos, la propagación de la grieta corresponde a sucesivas y repetidas roturas de los enlaces atómicos, a lo largo de planos cristalinos específicos. A este proceso se le conoce con el nombre de “clivaje”. Este tipo de fractura se dice que es “transgranular” (o transcristalina) dado que las fisuras atraviesan los granos. Este tipo de fractura se puede apreciar de forma microscópica en la fig. 3.26 b. En algunas aleaciones, la propagación de la fisura se da a lo largo de los bordes de grano, esta fractura de denomina “intergranular” (o intercristalina). La fig.3.27b es una fotomicrografía obtenida por microscopía electrónica de barrido (SEM), donde se muestra una fractura intergranular típica, en la cual se puede apreciar la naturaleza tridimensional de los granos. Este tipo de fractura normalmente se produce después de algún proceso que debilita o fragiliza la región de los bordes de grano. La fractura frágil ha ocurrido en una gran cantidad de estructuras soldadas tales como barcos, puentes, recipientes a presión y tuberías.

Aspecto característico de la superficie de fractura frágil, líneas de chevron y zonas de cizalle

Fig.3.22.-Ejemplos del aspecto de una fractura frágil y otra dúctil [21]. (Publicados con autorización del Prof. R. Huang, Dep. Aerospace and Eng. Mechanics, The Univ. of Texas at Austin).  (a) La superficie de fractura muestra marcas de Chevron características de una fractura frágil. Las flechas indican el origen de la grieta.  (b) Fractura dúctil. La superficie de fractura es rugosa, plana y perpendicular a la dirección de la carga, ocurre en secciones relativamente gruesas bajo condiciones de esfuerzos planos. Superficies de fractura inclinadas que forman un ángulo de 45º con respecto a la dirección de la carga. Ocurre en secciones delgadas en condiciones de esfuerzos planos.

Fig.3.23.- Fractura frágil de un acero acero estructural, donde se puede ver el origen indicado por la flecha roja

Fig.3.24.- Fractura frágil de una tornillo acero AISI 4340 [22]. (Publicado con autorización de The Hendrix Group) Las marcas ondulantes en la superficie de fractura indican que la grieta se inició en el borde superior. La zona oscurecida contenía una alta concentración de calcio.

Fig. 3.26.- Fractura frágil intergranular de un acero de bajo carbono 3.2.2.- Fracturas de probetas sometidas a ensayo Charpy Un acero de bajo % de carbono presenta una fractura dúctil cuando se ensaya alrededor de la temperatura ambiente, pero se vuelve frágil a temperaturas. más bajas La energía de impacto, también llamada tenacidad de la entalla, se usa para evaluar cuantitativamente esta transición dúctil a frágil. El ensayo Charpy es un método para medir dicha energía de impacto, sus resultados son cualitativos y no tienen aplicación en diseño. La apariencia de la superficie de fractura es indicativa de la naturaleza de la fractura. Para una fractura dúctil, esta superficie aparece fibrosa; por el contrario una superficie totalmente frágil tiene una textura granular ( o de carácter clivaje). La fig.3.28 muestra la superficie de fractura de dos probetas sometidas a ensayo Charpy y las figuras 3.29 y 3.30 muestran con mayor detalle estas fracturas.