FractografíaDr. Carlos Fosca MODOS DE FRACTURA Fractografía Dr. Carlos Fosca FRACTOGRAFÍA Ciencia y arte que trata del examen o interpretación de las superficies de fractura con objeto de conocer las causas por las que una determinada pieza se rompe. Macro-fractografía: observación y estudio de la fractura a “ojo desnudo” , con una lupa o un binocular hasta 40 X Micro-fractografía: observación y estudio a través del microscopio óptico y electrónico. Fractografía Dr. Carlos Fosca FRACTOGRAFÍA A partir del análisis fractográfico se pueden determinar los caracteres morfólógicos de las superficies de rotura, que permitan determinar el mecanismo de iniciación, forma de propagación y consumación de la rotura. Defectos de fabricación Sobrecargas en servicio Fractografía Mantenimiento o reparaciones mal ejecutadas Causa de rotura Diseño inadecuado Ambiente agresivo Dr. Carlos Fosca IDENTIFICACIÓN DEL TIPO DE FRACTURA Una de las partes más importantes del análisis de falla es la identificación del tipo de fractura, la cual esta condicionada por una serie de factores: + tipo y condiciones de carga, + velocidad de crecimiento de la grieta + apariencia micro y macroscópica de la superficie de fractura, etc. Fractografía Dr. Carlos Fosca Condiciones de carga: + + + + Fractura por sobre-carga. Fractura por impacto Fractura por esfuerzos Fractura por fatiga Fractografía Dr. Carlos Fosca Condiciones de carga: Fractura por sobre-carga: Cuando una fractura se origina como consecuencia del lento o moderado incremento de los esfuerzos mecánicos en un componente mecánico. Fractura por impacto: Cuando la rotura de un componente se origina por el incremento de los esfuerzos mecánicos a velocidades muy altas. Fractura por esfuerzos: Cuando la fractura se produce como consecuencia de la aplicación sostenida de esfuerzos mecánicos bajo condiciones de carga estática a lo largo de un período de tiempo. Fractura por fatiga: Cuando la fractura de un componente se produce por la acción de esfuerzos cíclicos. La grieta se propaga de manera estable hasta la rotura y con una velocidad relativamente lenta (< 6 m/s). La fractura dúctil tiene una apariencia macroscópica fibrosa. Carlos Fosca FRACTURA DÚCTIL (FALLA POR SOBRECARGA) La fractura dúctil se caracteriza por la rotura de un componente acompañado de una apreciable deformación plástica y de un considerable consumo de energía. como suele ocurrir en elementos de gran espesor. El plano de rotura es normal a la dirección de los esfuerzos máximos aplicados y la última porción de área de la fractura se produce en forma de un pico que se extiende hasta la superficie del componente. En estas fallas es evidente la formación de un cuello o estricción antes de la fractura. Carlos Fosca Fractura dúctil con superficie plana se produce cuando el componente esta sometido a un estado triaxial de tensiones que corresponde a una condición de deformación plana. Fractografía Dr.Fractografía Dr. siendo esta región tanto mas pequeña cuanto mas grande es el espesor de la pieza. grisásea y puede presentar una superficie plana o una superficie inclinada respecto a la dirección de aplicación de los esfuerzos máximos. regresar . Fractografía Dr. Carlos Fosca . Carlos Fosca Fractografía Dr. que es típica de elementos de sección delgada o de regiones próximas a la superficie. Carlos Fosca Fractura dúctil con superficie inclinada se produce bajo solicitaciones de carga en condiciones de esfuerzos planos. Carlos Fosca Estado de esfuerzos plano y deformación plana centro y superficie x z .Fractografía Dr. Este tipo de rotura puede o no presentar estricción y la superficie de fractura esta localizada formando un ángulo de aproximadamente 45° respecto de la superficie regresar Fractografía Dr. Carlos Fosca Estado de esfuerzos plano y deformación plana Deformación plana Planos de máximos esfuerzos de corte σy σy σx σx σz = 0 σz = ν(σx+ σy) Esfuerzo plano Fractografía Dr.Fractografía Dr. Carlos Fosca Zona plástica Esfuerzo plano Deformación plana . Carlos Fosca Inclusiones pueden inducir la acumulación de dislocaciones que favorezcan la nucleación de microcavidades precursoras de la fractura ductil .Fractografía Dr. Carlos Fosca MECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTIL La fractura dúctil se produce como consecuencia de la nucleación y coalescencia de microcavidades (dimples) en el interior del material. límites de granos o apilamientos de dislocaciones Fractografía Dr. La nucleación de estas microcavidades se producen en las discontinuidades o micro-concentradores de tensiones como pueden ser partículas de segundas fases. inclusiones no metálicas. Fractografía MECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTIL Dr. Carlos Fosca . Carlos Fosca Las microcavidades se producen en las interfases de las inclusiones o partículas duras dispersas en la matriz.Fractografía Dr. + Conforme crece la deformación en el material las microcavidades crecen. Carlos Fosca Fractura dúctil (dimples) + Se produce por coalescencia de microcavidades. coalescen y eventualmente forman una superficie de fractura continua + Esta fractura exhibe una numerosa cantidad de depresiones (tipo copas) “dimples”.Fractografía Dr. límites de grano. y apilamiento de dislocaciones). observada a mas de 100X. inclusiones. Fractografía Dr. exhibe una serie de numerosas micro-depresiones que son el resultados de la coalescencia de las microcavidades y que reciben el nombre de "dimples" (hoyuelos). + Nucleación de microcavidades en regiones localizadas de deformación (partículas de fases secundarias. Cara superior . Carlos Fosca MECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTIL La superficie. Cara inferior . Cuanto mayor es la dispersión y cantidad de precipitados o fases secundarias.Fractografía Dr. mas pequeños serán los dimples que se observen en la superficie de fractura. Carlos Fosca MECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTIL precipitados La cantidad y distribución de los "dimples" son consecuencia de la cantidad de zonas activadas para la nucleación de microcavidades. Imagen SEM Fractografía Dr. Carlos Fosca MECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTIL Acero para muelles Acero Maragin . . Carlos Fosca CAUSAS DE LAS FRACTURAS DÚCTILES Las fallas en servicio que ocurren como consecuencia de fracturas completamente dúctiles son poco frecuentes. la cual puede ser consecuencia de diversos factores: sub-dimensionamiento del componente bajas propiedades mecánicas del material proceso de fabricación inadecuado materiales defectuosos sobre-esfuerzos mecánicos. sin embargo.Fractografía Dr. cuando ello ocurre la fractura dúctil se origina como resultado de una sobrecarga. etc. Carlos Fosca MECANISMO DE LA FRACTURA DÚCTIL Fractografía Dr. Carlos Fosca . Fractografía Dr.Fractografía Dr. Las superficies de fractura frágil tienen una apariencia brillante. Carlos Fosca FRACTURA FRÁGIL La fractura frágil se caracteriza por una rápida propagación de la grieta sin apreciable deformación plástica y por un menor consumo de energía comparada con la fractura dúctil. granular con poca o ninguna estricción. El plano de fractura es perpendicular a la dirección de los máximos esfuerzos de tracción. Carlos Fosca FRACTURA FRÁGIL Una vez que el frente de las grietas alcanza la periferia de la sección de fractura se produce un cambio en el estado tensional pasando de un estado triaxial de tensiones (en el centro de la pieza) a un estado de esfuerzo plano (en la superficie). Fractografía Dr. . Carlos Fosca FRACTURA FRÁGIL Si observamos la superficie de fractura de una probeta cilíndrica como la que se muestra en la figura siguiente. Estas "crestas" se mueven paralelas a la dirección de la propagación de la fisura y se forman cuando dos grietas adyacentes no coplanares se conectan entre sí. Ello provoca que en la última porción de la fractura se observen picos debidos a ruptura por corte aunque en mucho menor grado que en una fractura dúctil.Fractografía Dr. veremos que esta tiene una serie de "crestas" radiales que se originan del centro de la superficie de fractura. Cuando la fractura se produce a una temperatura alta (en relación a la temperatura de transición dúctil/frágil del acero en cuestión) la presencia de crestas radiales es mucho más evidente mientras que a bajas temperaturas pueden llegar incluso a estar ausentes.Fractografía Dr. la extensión de esta región esta influenciada por la temperatura al cual se produjo la fractura. . Origen de la grieta "crestas" radiales Fractografía Dr. Carlos Fosca FRACTURA FRÁGIL Asimismo. Carlos Fosca FRACTURA FRÁGIL Las "crestas" radiales observadas normalmente en una fractura frágil permiten orientarnos en la búsqueda del origen y de la dirección de propagación de la grieta. laminaciones. presencia de fases secundarias.Fractografía Dr. etc. etc. Estos picos se presentan en la región final de fractura. Segregaciones. defectos de forja. debidas a corrosión . Entalles: discontinuidades causadas por cambios de sección. Si la fractura frágil de produjo a baja temperatura es probable que estos picos no se observen. presencia de hidrógeno. Fractografía Dr. Fisuras resultantes de tratamientos térmicos. Carlos Fosca CAUSAS DE UNA FRACTURA FRÁGIL Las fallas de estructuras o componentes mecánicos mediante fractura frágil se originan por la presencia de defectos inicialmente originados durante el proceso de fabricación o a lo largo de la operación en servicio. Defectos del material: plieges. defectos de mecanizado o daños en servicio (rayado) 2.grandes inclusiones no metálicas. microestructuras indeseables. 3. Estos defectos actúan como concentradores de tensiones y pueden ser en términos generales: 1. es decir en la periferia y nunca en el origen de la misma. Carlos Fosca FRACTURA FRÁGIL La existencia de los picos por rotura de corte en los bordes de la superficie de fractura orienta en la búsqueda del origen de la fractura. inlcusiones. 4. Carlos Fosca .Fractografía Dr. Carlos Fosca Fractura Frágil La fractura frágil se caracteriza macroscópicamente por que: + hay poca o ninguna deformación plástica precede a la fractura + la fractura es generalmente lisa y perpendicular a la superficie del componente + la fractura puede tener una apariencia granular o cristalina y es a menudo altamente reflectiva a la luz + pueden observarse marcas “chevron” (herradura) + el crecimiento de la grieta es muy rápido Fractografía Rotura de un rodillo de laminación Dr. etc) Fractografía Fractura frágil por clivaje Dr. marcas de herradura “chevron”. + Debido a que las aleaciones de ingeniería son policristalinas (contienen granos. inclusiones. Carlos Fosca Fractura frágil por clivaje + Clivaje es una fractura de baja energía que se propaga a lo largo de planos cristalográficos bien definidos conocidos como planos de clivaje. Carlos Fosca . dislocaciones y otras imperfecciones) la fractura de cilvaje exhibe numerosas superficies de propagación (“ marcas de río” “marcas de plumas”. marcas de “lengua”. subgranos.Fractografía Dr. La fractura inicial fue frágil pero luego la fisura se detiene de manera dúctil Fractografía Modos de fractura Fractura de un eje por fatiga torsional Se aprecia inicio de la fisura por fatiga Marcas chevron Fractura final por sobrecarga (dúctil) Dr. Carlos Fosca .Fractografía Dr.4 sy) mediante detonación de carga explosiva. Carlos Fosca Fractura frágil por clivaje Esta tubería fue sometida a un ensayo de presión (0. Carlos Fosca Fractura mixta (frágil-dúctil) Origen de la fractura Fractura frágil (superficie) por sobrecarga de flexión en un eje de automóvil (AISI 1050) con temple superficial (60 HRC) Fractografía Dr.Fractografía Dr. Carlos Fosca Marcas de “chevron” Resultan de un crecimiento discontinuo de superficies de fractura por clivaje. . crecimiento y unión de varias superficies de fractura. como consecuencia de la iniciación. El frente de propagación de la fractura chevron tiende a ser curvado (parabólico) envolviendo una serie de fisuras que crecen radialmente. Fractografía Dr. Ello se debe a que es necesario cierto nivel de deformación plástica para la formación de líneas chevrón Fractografía Marcas de “chevron” Dr. Carlos Fosca . Carlos Fosca Marcas de “chevron” Este tipo de fractura es observado en aceros de baja resistencia mecánica que exhiben cierta ductilidad. pero no se observan en materiales frágiles. Fractografía Dr. Carlos Fosca Fractura frágil intergranular Fractura descohesiva (intergranular) en un acero AISI 8740 debido a fragilización por hidrógeno originada por un tratamiento indecuado de deshidrogenado después de un cadmiado . Carlos Fosca Fractura frágil intergranular Fractura descohesiva (intergranular) en un acero AISI 8740 debido a fragilización por hidrógeno originada por un tratamiento indecuado de deshidrogenado después de un cadmiado Fractografía Dr. Fractografía Dr. Carlos Fosca FATIGA Mecanismo de la falla por fatiga + Microdeformación plástica + Iniciación de una o más microgrietas + Propagación o coalescencia de microgrietas para formar una o mas macrogrietas + Propagación de macrogrietas + Falla final . Carlos Fosca FATIGA Iniciación de microfisuras Fractografía Dr. .Fractografía Dr. sufren también endurecimiento. Carlos Fosca FATIGA Microdeformación plástica + Aleaciones monofásicas recocidas se endurecen. + Otras aleaciones como Al-Cu. + Aleaciones con precipitados coherentes con la matriz (Ni3Al en aleaciones base Ni) experimentan fuerte endurecimiento. Carlos Fosca FATIGA Microdeformación plástica + Microdeformaciones provocan movimiento de planos de deslizamiento a través de dislocaciones + Dislocaciones emergen a la superficie + las cargas oscilantes provocan acumulación local de escalones de dislocaciones en la superficie (extrusiones e intrusiones) aumentando la rugosidad (bandas de deslizamiento) + durante la deformación plástica cíclica se produce endurecimiento en ablandamiento del material Fractografía Dr. mientras que aleaciones endurecidas en frío se ablandan. en partículas de segunda fase. Fractografía Dr. + La acumulación de dislocaciones que emergen en la superficie se concentran en los obstáculos presentes (límites de granos. etc) acumulando una gran cantidad de energía elástica .Fractografía Dr. reduciendo la densidad de dislocaciones. películas de óxidos. fases secundarias. Carlos Fosca FATIGA Microdeformación plástica + Los aceros templados se endurecen por microdeformación cíclica + Los aceros templados y revenidos se ablandan + El ablandamiento se debe al cambio producido en la estructura de dislocaciones con la deformación cíclica. Dependerá de cual ocurre mas fácilmente. límites de granos. Carlos Fosca FATIGA Iniciación de microfisuras + Se originan en: bandas de deslizamiento. en inclusiones o interfases matriz/fase secundaria. Carlos Fosca FATIGA Iniciación de microfisuras Formación de intrusiones y extrusiones en un cristal sometido a esfuerzos alternantes. fisuración de una fase secundaria. Fractografía Dr. etc. . descohesión a través de límites de grano. .Fractografía Dr. Carlos Fosca FATIGA Iniciación de microfisuras + Cuando la energía de deformación acumulada excede en el doble la energía para formar una superficie libre se produce una microfisura (fisura en la matriz.) + La amplitud de deformación crítica para provocar fisuración esta relacionado con la severidad al entalle del material. Carlos Fosca FATIGA Iniciación de microfisuras El espaciamiento entre las estriaciones es una medida del lento avance de la fisura de fatiga (por ciclo de deformación) Fractografía Dr. Carlos Fosca FATIGA Propagación de microfisuras La acumulación de dislocaciones emergentes forman una microfisura que se propaga inicialmente siguiendo la dirección establecida por la microdeformación plástica (etapa I) I II .Fractografía Dr. Carlos Fosca FATIGA Propagación de microfisuras deslizamiento Esfuerzos de compresión Avance de la fisura durante un ciclo de carga . Fractografía Dr.Fractografía Dr. Carlos Fosca FATIGA Propagación de microfisuras Alcanzado un tamaño esta microfisura crece bajo la acción de los esfuerzos aplicados moviéndose en la dirección normal a los esfuerzos de tracción máximos (etapa II) Esta microgrieta sigue creciendo hasta alcanzar un tamaño macroscópico (macrogrieta) y hasta reducir la sección efectiva que soporta los esfuerzos hasta un nivel intolerable provocando una sobrecarga que fractura del material. Fractografía Dr. Carlos Fosca . En cambio si se ha encontrado relación entre la velocidad de crecimiento de la grieta y el módulo élástico E en esta etapa II Fractografía Fracturas debidas a fatiga Dr. Del mismo modo. la microestructura no juega un papel muy importante. Carlos Fosca FATIGA Propagación de microfisuras En la etapa II de la propagación de la fisura la relación R = σmin/σmax tiene poca influencia en la velocidad de propagación de la grieta. Carlos Fosca Fracturas debida a fatiga Fractografía Dr.Fractografía Dr. . Carlos Fosca Fractura por fatiga Fractura por fatiga torsional (fractura tipo “peeling”) en un eje de acero AISI 1030. Fractografía Dr. Fractografía Dr. Carlos Fosca Fractura por fatiga Inicio de la fisuración Marcas de playa Fin de la fracura Fractura por fatiga flexorotativa en eje de acero AISI 1040 (30 HRC) . Carlos Fosca Fractura por fatiga La fractura comenzó en diferentes puntos de la superficie Fractura por fatiga en un eje AISI 1040 (30 HRC) sometido flexión rotativa. se observan marcas múltiples en la superficie lo que indica que la fractura se origino en diversos puntos debido a un fuerte concentrador de tensiones en la superficie. Carlos Fosca Fractura por fatiga Fractura por fatiga en un eje AISI 1050 (35 HRC) sometido a flexión rotativa.Fractografía Dr. Fractografía Dr. Carlos Fosca Morfologías de la fractura por fatiga para diferentes tipos de carga Tracción-tracción ó tracción compresión . Carlos Fosca Morfologías de la fractura por fatiga para diferentes tipos de carga Flexión unidireccional Fractografía Dr. Carlos Fosca Morfologías de la fractura por fatiga para diferentes tipos de carga Flexión bidireccional .Fractografía Dr. Carlos Fosca Morfologías de la fractura por fatiga para diferentes tipos de carga Flexión y torsión rotativa .Fractografía Dr.