Mecánica de la fractura y análisis de falla en metales

Capítulo 1

CONCEPTOS GENERALES

La fractura es un fenómeno que actualmente recibe gran atención por parte de los académicos, ingenieros e investigadores, debido a que los materiales utilizados en los componentes o estructuras presentan defectos o imperfecciones, que con el paso de los ciclos de cargas se convierten en grietas; estas grietas hacen que las estructuras no resistan los esfuerzos a que están sometidos y la vida útil esté por debajo de lo calculado o programado.

La Mecánica de Fractura es la disciplina que se encarga del estudio y la evaluación de los componentes agrietados con la finalidad de determinar si los componentes pueden seguir operando satisfactoriamente, además de prevenir fallas catastróficas en componentes mecánicos donde se ven involucradas vidas humanas.

Esta disciplina se está aplicando en la actualidad en la industria naval, aeronáutica, aeroespacial y nuclear, como también se usa con mayor frecuencia en el diseño automotriz, diseño mecánico y mantenimiento de plantas de generación de potencia y en las industrias químicas y petroleras.

La Mecánica de Fractura como herramienta de diseño, brinda parámetros que son de gran utilidad cuando se lleva a cabo el análisis de Integridad de una estructura o un componente mecánico. Los parámetros de fractura son: el factor de intensidad de esfuerzo (K), que define la magnitud de los esfuerzos en punta de grieta; la integral J, parámetro que caracteriza la resistencia a la fractura cuando ocurre una propagación estable de la grieta antes de que se produzca la fractura final y, por último, el CTOD, que se basa en la medida de la abertura de la punta de grieta. Estos parámetros son los encargados de dar una base teórica para realizar el análisis de la Integridad de una estructura, además brindan las herramientas para la selección del material adecuado que soporte las cargas que se generan en servicio.

1.1. Definiciones y conceptos básicos

La Mecánica de Fractura es una disciplina que actualmente recibe gran atención, como una herramienta para el análisis, diseño y evaluación de componentes mecánicos y estructurales con el fin de desarrollar estructuras más resistentes a los defectos. Las aplicaciones prácticas de la mecánica de la fractura se enfocan finalmente en obtener una mayor seguridad y economía en la operación, inspección y mantenimiento de estructuras y componentes en servicio, al reducir el problema de las fallas inesperadas y catastróficas.

La fractura es la separación o fragmentación de un sólido bajo la acción de una carga externa. Usualmente, para fracturar un material se requiere incrementar la carga progresivamente hasta cuando ocurre un proceso de nucleación (formación de una pequeña fisura de tamaño inferior a la micra) y propagación de grietas.

La grieta es una fisura o discontinuidad en la superficie externa o en la parte interna de una pieza mecánica que produce:

■Reducción de la capacidad para soportar cargas.

■Mayores desplazamientos y distorsiones.

■Desempeño inadecuado y riesgo de falla.

■Reducción de la vida útil del componente.

Hay casos donde la fractura inicia desde una grieta preexistente o defectos en el material. Es importante tener en cuenta que para que una fractura ocurra no necesariamente la grieta tiene que existir por todo el volumen del cuerpo, sino que con una pequeña zona que esté agrietada puede llevar a la fractura.

Entre las causas que pueden producir una falla se encuentran: un procesamiento defectuoso, un diseño defectuoso o el deterioro de la pieza (Fig.1.1).

Fig. 1.1 Causas que producen fallas en piezas mecánicas

■Fallas debidas a procesamiento defectuoso:

•Imperfecciones debido a composición defectuosa (inclusiones, impurezas e inadecuada selección del material).

•Defectos que se originan durante la manufactura de lingotes y piezas de fundición, como segregación interior, porosidad, cavidades e inclusiones no metálicas.

•Irregularidades y errores debido al maquinado, esmerilado y estampado (ranuras, quemaduras, rasgaduras, escamas, fisuras y fragilidad).

•Defectos debido al trabajo (dobleces, costuras, fisuras y exceso de formación local).

•Defectos por la soldadura (porosidad, acanaladuras, fisuras, tensión residual, falta de penetración, presencia de fisuras debajo de los puntos de soldadura y zonas afectadas térmicamente).

•Anormalidades debidas al tratamiento térmico (sobrecalentamiento, quemadura, presencia de fisuras por Templado, crecimiento de grano, excesiva austenita retenida, descarburación y precipitación).

•Imperfecciones debidas al endurecimiento superficial (carburos intergranu-lares, núcleo suave y ciclos térmicos erróneos).

•Defectos debidos a los tratamientos superficiales (limpiado por electro-depositado, revestido, difusión química y fragilización por hidrogeno).

•Defectos por ensamble (desacoplamiento de las piezas, polvo o abrasivo atrapado y esfuerzos residuales).

•Fallas en la línea de separación en el forjado debido a deficientes propiedades transversales.

■Fallas debidas a consideraciones de diseño defectuoso:

•Falla dúctil (exceso de deformación elástica o plástica y fractura por rasgadura o corte).

•Fractura frágil (debido a imperfecciones o concentración de esfuerzos localizado de intensidad crítica).

•Falla por Fatiga (cargas cíclicas, calor cíclico, Fatiga por corrosión, Fatiga por contacto durante el rodamiento y Fatiga por rozamiento).

•Falla por alta temperatura (fluencia, oxidación, fusión local y deformación).

•Fracturas estáticas demoradas (fragilización por hidrogeno, fragilización cáustica y lento crecimiento de imperfecciones estimuladas por el ambiente de trabajo).

•Concentración de esfuerzos localizados excesivamente severos, inherente en el diseño.

•Inadecuado análisis de esfuerzos, o imposibilidad de efectuar un cálculo racional de esfuerzos en una pieza compleja.

•Error al diseñar con base en propiedades estáticas tensíles, en vez de las propiedades significativas del material que miden la resistencia de este a cada posible modo de falla.

■Fallas debidas al deterioro durante las condiciones de servicio

•Condiciones de carga excesivas o imprevistas.

•Desgaste (erosión, daño superficial por fricción, aterramiento, ranuración y cavitación).

•Corrosión (incluyendo ataque químico, esfuerzos por corrosión, Fatiga por corrosión, grafitación de hierro fundido y contaminación por la atmósfera).

•Mantenimiento inadecuado o mal dirigido o reparación no apropiada (soldadura, esmerilado, enderezamiento en frío, entre otros.).

1.2. Tipos de fractura

De acuerdo a la capacidad del material para deformarse plásticamente antes de romperse, las fracturas se clasifican en dos grandes grupos: frágiles y dúctiles.

Los materiales dúctiles típicamente exhiben una sustancial deformación plástica, con alta absorción de energía antes de la fractura. Por otro lado la fractura frágil se caracteriza por presentar una pequeña deformación plástica y una baja absorción de energía en la fractura (Fig.1.2).

Fig. 1.2 Curvas esfuerzo-deformación para fractura dúctil y frágil, tracción