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Programa de Doctorado en Ingeniería Aeronáutica – Capítulo V. Introducción a la Mecánica
Comportamiento Mecánico de Materiales - Dr. Alberto Monsalve González 5 - 1
Introducción a la mecánica de la fractura
En este capítulo introductorio, se comentarán algunos aspectos generales de la mecánica de
la fractura, con el objeto de definir apropiadamente características básicas relacionadas con
la interpretación de las imágenes relativas a las superficies de fractura.
En la figura 1(a), se aprecia una vista general de una fractura dúctil ocurrida por tracción.
Se observan tres zonas: una zona central que es donde comienza la rotura y tiene apariencia
plana, una zona intermedia radial y finalmente una zona externa caracterizada por una
superficie oblicua denominada “shear lips”. En la 1(b) se muestra una fractura frágil, no
apreciándose la presencia de cuello, ni shear lips.
En cuanto a los micromecanismos de fractura, en la figura 2 se muestran ejemplos de
fractura por clivaje. En el caso de la figura 2(a) se muestra la fractura por clivaje de un
monocristal de acero al cromo soldado, apreciándose una configuración denominada
“marcas de río”, por la similitud a la apariencia de un río visto desde el aire. Estas marcas
de río tienen su origen en la intersección de las grietas con dislocaciones o con bordes de
grano. En la figura 2(b) se observan los planos de clivaje de una fractura de Cu-25%
atómico de Au que falló por corrosión intergranular debida a corrosión bajo tensión.
En la figura 3 se muestra la imagen típica correspondiente a una fractura ocurrida por fatiga
en una aleación de aluminio 2024-T3. En la figura 3(a) se muestran las estriaciones por
fatiga y una inclusión, la cual aparece a más aumentos en la figura 3(b). Estas estriaciones
son normales en una imagen de fractura ocurrida por fatiga y corresponden a la huella que
deja la grieta al avanzar por el material. Como es de esperar, la dirección de avance de la
grieta es perpendicular a estas marcas, denominadas “marcas de playa”, por la semejanza
que tiene con las huellas que dejan las olas al retirarse.
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(a) (b)
Figura 1. Apariencia macroscópica de (a) Fractura dúctil; (b) Fractura frágil.
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(a) (b)
Figura 2. Superficies de fractura por clivaje (a) Monocristal de acero al cromo soldado; (b) Aleación Cu-25%
at Au, rota por corrosión bajo tensión.
(a) (a) (b)
Figura 3. Fractura por fatiga de una aleación de Al 2024-T3 (a) El rectángulo muestra una inclusión (b)
Imagen aumentada del rectángulo.
La figura 4(a), muestra la superficie de fractura correspondiente a la rotura de acero con
0.02%C, 0.14%S, 0.04%O y 1.1%Mn, ocurrida por flexión a temperatura ambiente. La
aleación se encuentra en estado de colada. Las inclusiones que aparecen son partículas de
MnO y MnS atrapadas entre los brazos dendríticos. Estas inclusiones se descohesionan de
la matriz en las primeras etapas de la fractura, concentrando los esfuerzos debido a la
disminución de área. Por esta razón, se produce un incremento de la deformación plástica
en la zona adyacente a la partícula despegada, lo que se denomina “dimples”. Al expandirse
20 m
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la cavidad dejada por la partícula, más se concentra el esfuerzo y por consiguiente la
deformación, produciéndose el crecimiento de la cavidad y su eventual coalescencia con la
cavidad vecina. Claramente, este micromecanismo de fractura va acompañado de una gran
cantidad de deformación plástica, como puede verse por los grandes contrastes entre claros
y oscuros, lo que en microscopía electrónica de barrido está relacionado con zonas muy
deformadas. Por esta razón, este mecanismo se conoce con el nombre de nucleación,
crecimiento y coalescencia de cavidades y es el típico micromecanismo asociado a la
fractura dúctil. En la figura 4(b) puede verse una imagen amplificada de la zona anterior.
(a) (b)
Figura 4. Micromecanismo de fractura dúctil en acero con 1.1 %Mn, 0.04%O y 0.14%S roto a temperatura
ambiente por flexión. (a) Se aprecian cavidades con partículas (1500X); (b) El EDAX (Energy Dispersive X
Ray Analysis) revela que se trata de partículas de MnO y MnS (4000X).
La figura 5(a) muestra la superficie de fractura de acero bajo en carbono y alto en oxígeno
roto a temperatura ambiente. Muchas de las cavidades contienen partículas de FeO. La zona
correspondiente al rectángulo se muestra en la figura 5(b) y muestra la presencia de una
partícula de FeO que se hace más evidente en la figura 5(c) al utilizar otro tipo de
exposición.
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En la figura 6 se muestra una fractura por impacto de Fe-0.01%C-0.24%Mn y 0.02%Si,
tratado a 950ºC durante 30 min y luego enfriado al aire, de estructura ferrítica con dureza
62 HV. La fractura ocurrió por impacto a –196ºC. La propagación de la grieta por clivaje
fue en la dirección de la flecha.
En la figura 7(a), se muestra la fractura intergranular de una acero Armco, roto en un
ensayo de Charpy a temperatura ambiente. La grieta se produjo por fragilización por
oxigeno.
(a) (b)
Figura 5. Rotura de un acero de bajo carbono y alto oxígeno a temperatura ambiente. (a) Se pueden ver
muchas partículas de FeO (500X); (b) Ampliación del rectángulo de la imagen anterior (2400X).
Figura 5(c). Superficie de fractura idéntica a la
de la figura 5(b) pero con distinta exposición.
(2400X).
Figura 6. Rotura por impacto de acero ferrítico a
–196ºC. La propagación de la grieta fue en la
dirección de la flecha. (300X).
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Tal como se observa, las grietas avanzan por entre medio de los granos, a través de las
juntas. En la figura 7(b) se muestra una ampliación de la superficie de fractura anterior,
mostrando un par de grietas que atraviesan el grano, lo que significa que la rotura no es
puramente intergranular, sino que también presenta zonas de fractura transgranular, es
decir, grietas que atraviesan los granos.
En la figura 7(c) se muestra otra zona de la superficie de fractura, apreciándose la
separación entre los granos.
En la figura 8, se muestra la rotura por fatiga de un eje de acero AISI 1041, sometido a
torsión, pudiendo apreciarse el origen de la rotura en las zonas marcada con A y B. Este eje
fue endurecido por inducción hasta 50 HRC. La grieta A creció a través de gran parte del
perímetro del eje por fatiga, creciendo luego por fractura repentina, tras encontrar una
grieta más pequeña que creció por fatiga en B. Las marcas Chevron en la zona endurecida
indican el origen de ambas grietas.
(a) (a) (b)
Figura 7. Rotura por impacto a temperatura ambiente de una acero Armco, fragilizado por oxígeno (a) Se
muestran grietas intergranulares (55X); (b) presencia de grietas transgranulares (655X).
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En la figura 9, se muestra un perno de la suspensión trasera de un automóvil que falló por
agrietamiento por corrosión asistida por hidrógeno. El acero es de bajo carbono, al boro y
tratado térmicamente, para inducir martensita. Este material se escogió debido a su gran
conformabilidad en frío, lo que permitió fabricar la cabeza del perno con una arandela
integrada tal como se observa en la figura. Los pernos fueron templados y revenidos hasta
44 HRC. Los pernos que fallaron tenían una dureza igual o superior a 44 HRC y además
presentaban una región descarburizada y blanda (permitida por la norma), de alrededor de
0,2 mm de espesor.
Figura 7(c). Otra zona de la fractura anterior
mostrando a 670X la separación entre juntas de
grano.
Figura 8. Rotura a fatiga de un eje de acero AISI
1041, sometido a torsión. Pueden verse en A y B
el origen de la fractura.
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(a) (b)
Figura 9. Perno de suspensión roto por agrietamiento por corrosión asistida por hidrógeno. (a) Imagen de la
rotura; (b) Superficie de fractura del hilo del perno.
(c) (d)
Figura 9(c). Superficie de fractura, mostrando un pit, como origen de la falla, 20X; (d) Zona de fractura
intergranular asistida por hidrógeno, rodeando el origen de la falla, 1000X.
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La sal presente en el pavimento (para derretir la nieve), mezclada con agua, al salpicar en el
mecanismo de suspensión produjo la liberación de hidrógeno. Este hidrógeno contribuye a
atacar la superficie del perno, mediante el micromecanismo de picado, atacando
preferencialmente la zona correspondiente al hilo, como se muestra en la figura 9(c). Sin
embargo, las grietas no tienen facilidad para avanzar en la zona descarburizada, ya que ésta
es blanda y tenaz. Una vez que la grieta logra llegar a la zona de mayor dureza, el
hidrógeno promueve un avance rápido de la grieta a través de las juntas de granos
previamente austeníticos, figura 9(d). Finalmente, en la figura 9(e) se muestra el aspecto de
la fractura que tiene lugar en la zona blanda del perno. Tal como se aprecia, corresponde al
micromecanismo conocido como de nucleación, crecimiento y coalescencia de cavidades,
típico de fractura dúctil. Esta fractura dúctil ocurre con lentitud lo que hace que el perno
haya presentado una vida útil de aproximadamente dos años.
En la figura 10(a) se muestra una fractura por fatiga de un eje de 90 mm de diámetro, de
acero de medio contenido en carbono. La pieza estuvo sometida a esfuerzos
unidireccionales. La imagen muestra cuatro orígenes de grietas que avanzan y se juntan en
la parte superior del eje. En la figura 10(b) se muestra a más aumentos la zona
correspondiente al inicio de la falla, notándose claramente las marcas de playa.
Figura 9(e). Zona de
fractura dúctil:
nucleación, crecimiento
y coalescencia de
cavidades. (500X)
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(a)
(b)
Figura 10. Fractura por fatiga de un eje de medio contenido de carbono (a) Se aprecian los cuatro puntos del
origen de la fractura; (b) Ampliación de la imagen anterior, mostrando las marcas de playa.
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En la figura 11 se muestra la rotura de un eje de transmisión de automóvil por sobrecarga.
El material es un acero AISI 1050 endurecido y revenido hasta 60 HRC. En la figura11(a)
se muestran las marcas tipo chevron en la zona endurecida que indican un punto único de
origen de la falla. Las zonas de grano fino y grueso en las zonas superficiales e interior
respectivamente, muestran que el tratamiento térmico fue correctamente hecho. En la figura
11(b) se muestra la misma fractura vista de perfil.
(a) (b)
Figura 11. Fractura de un eje de acero 1050 por sobrecarga (a) se muestran las marcas chevron que indican el
inicio de la falla; (b) vista de perfil de la fractura.
En la figura 12 se muestra una fractura por fatiga de acero de 16 mm de diámetro de acero
AISI 10B62 usados en resortes de suspensión de automóviles. Se aprecia que el origen de la
fractura probablemente se localizó en la superficie avanzando tan lentamente que ocurrió
corrosión, detectable por la sombra oscura en la zona de fatiga.
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En la figura 13(a) se muestra la fractura de un resorte de suspensión de 13 mm de diámetro
de acero AISI 10B62 con dureza 77 HB. Notar las marcas superficiales que fueron
generadas durante el enrollado. En la figura 13(b) se muestra otra vista de la fractura
anterior, mostrando el origen de la falla en una imperfección superficial. La pequeña zona
de fatiga indica que la fractura repentina se produjo inmediatamente después de generada la
grieta.
Figura 12. Fractura por fatiga de
un resorte de suspensión hecho de
acero AISI 10B62.
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(a) (b)
Figura 13. Fractura de un resorte de acero AISI 10B62 (a) Notar las imperfecciones superficiales(b) grieta que
nace en una falla superficial.
