Figura 3.24 Direcciones de propagación de grietas prexistentes en fracturas súbitas frágiles y progresivas (fatiga, fluencia lenta, corrosión esfuerzo, corrosión fatiga, agrietamiento por hidrógeno, fragilización por contacto con metales sólidos o líquidos, fragilización dinámica, etcétera)
Nota. En modo I de carga (superior); en modos I y II combinados (inferior izquierda); en modos I y III combinados (inferior derecha). Las flechas negras indican la normal de la grieta original y las rojas la normal al plano de propagación.
Fuente: elaboración propia.
Al inspeccionar a altos aumentos las superficies de fractura súbitas frágiles de materiales cristalinos con el estereoscopio óptico o el MEB, y complementar dicha inspección con observación de secciones materialográficas transversales a las superficies de fractura, se podrá determinar con precisión cuál de los mecanismos de fractura frágil está presente: el clivaje, la descohesión intergranular o ambos (figura 3.25). No se puede dar una escala de aumentos específicos, a los cuales se observan con claridad dichos mecanismos, ya que ello depende del tamaño de grano que tenga el material de la pieza analizada.
Figura 3.25 Fracturas frágiles
Nota. Fractura frágil por clivaje de material policristalino: aspecto típico en estereoscopio óptico (superior izquierda), aspecto típico en MEB (superior central); aspecto típico en sección materialográfica (superior derecha), nótese que la superficie de fractura es mucho más recta, que una línea que siga los límites grano (las líneas blancas son límites de grano). Fractura frágil intergranular de material policristalino: aspecto típico en estereoscopio óptico (inferior izquierda), aspecto típico en MEB (inferior central); aspecto típico en sección materialográfica (inferior derecha), nótese que la superficie de fractura es tan quebrada como las líneas de límite grano del material (líneas negras).
Fuente: elaboración propia.
Con lo mencionado hasta ahora, implícitamente se ha supuesto que en una pieza cargada que fracture de manera súbita frágil, se formará una sola grieta global, dentro de la cual habrán varias grietas que viajan una al lado de la otra, separadas por marcas Ratchet, de río o radiales, recordando que a mayor fuerza conductora de grieta, habrá mayor tendencia a tener mayor número de estas marcas (que es el caso de las regiones Hackle). Pero, ¿qué pasa si la fuerza conductora de grieta es tan alta que no se puede consumir toda la energía disponible de esta manera? La respuesta es que se generarán varias zonas agrietadas dentro de la misma pieza, o incluso durante la propagación de las grietas se pueden generar múltiples ramificaciones; esta situación es común en fracturas súbitas frágiles bajo cargas de impacto (figura 3.26).
Figura 3.26 Agrietamientos masivos durante fracturas súbitas frágiles, bajo cargas de impacto balístico
Nota. Acero AISI 1045 con 55 RC de dureza (izquierda); capas de vidrio templado adheridas mediante películas poliméricas flexibles (derecha); la cantidad de grietas formadas tiende a aumentar con la dureza y fragilidad del material.
Fuente: elaboración propia.
3.5.4 Mecanismo de fractura súbita dúctil por formación y coalescencia de microvacíos intragranulares
Este mecanismo de fractura se caracteriza en materiales metálicos policristalinos por estar precedido de un importante grado de deformación plástica, a través del deslizamiento interno de los granos, vía el movimiento de dislocaciones. Producto de esta deformación plástica, el material nuclea microcavidades (microvacíos o microhuecos) principalmente intragranulares, en zonas propicias para ello, donde cada microcavidad es un origen local de grieta. Con el progreso de la deformación plástica, las microcavidades crecen y coalescen (se unen), para formar así la superficie de fractura de la pieza. La trayectoria de grieta es transgranular y se puede formar bajo esfuerzo normal o cortante (figura 3.27).
La formación de un microvacío se puede dar en alguno de los siguientes sitios propicios: (1) alrededor de inclusiones no coherentes con la matriz, donde estas generalmente tienen una baja fuerza de unión con el metal, lo cual facilita que se descohesionen en la medida en que la matriz metálica de los alrededores fluye; (2) alrededor de partículas de segunda fase, donde también se presente descohesión; (3) en inclusiones coherentes o partículas de segunda fase con alta fuerza de unión a la matriz y de naturaleza frágil, las cuales ante el deslizamiento de la matriz pueden fallar por clivaje y formar así un microvacío; (4) en inclusiones coherentes o partículas de segunda fase que estén previamente agrietadas, debido al proceso de deformación plástica experimentado durante la fabricación; (5) en la matriz metálica cerca de una partícula de segunda fase de bordes angulosos, que genere un concentrador de esfuerzo tal que agriete a la matriz; (6) en apilamientos de dislocaciones presentes en bordes de grano; (7) en discontinuidades generadas durante fabricación, como rechupes de fundición, poros, grietas previas, etcétera. Ejemplos de lo anterior se esquematizan en la figura 3.28.
Figura 3.27 Fractura súbita dúctil
Nota. Esquema de la sección metalográfica de un metal policristalino (izquierda); fractura súbita dúctil por formación y coalescencia de microvacíos bajo esfuerzo normal (centro); fractura súbita dúctil por formación y coalescencia de microvacíos bajo esfuerzo cortante (derecha). En los esquemas central y derecho se sugiere deformación previa de los granos antes de la fractura; además, los microhuecos quedan inclinados en el caso de formarse bajo cortante puro.
Fuente: elaboración propia.
Figura 3.28 Ejemplos de formación de microvacíos dentro de un grano metálico
Nota. A partir de la descohesión alrededor de una partícula de segunda fase (superior izquierda); a partir de la fractura previa por clivaje de una partícula de segunda fase (superior derecha); a partir de un microporo (inferior izquierda); a partir de un apilamiento de dislocaciones (inferior derecha).
Fuente: elaboración propia.
Una superficie de fractura formada por microvacíos en un metal, mostrará microhuecos claramente definidos al observarse bajo una técnica como la MEB, donde si estos microhuecos se formaron principalmente alrededor de partículas de segunda fase o inclusiones, será posible observar fragmentos de estas en su interior (figura 3.29, foto izquierda). En aquellos casos donde la formación de los microhuecos no estuvo asociada a partículas de segunda fase o inclusiones, sino a apilamiento de dislocaciones, por ejemplo, solo se observará el microhueco (figura 3.29, central). En general, a escala microscópica no se forman marcas de dirección de crecimiento o de posición del frente de grieta, como ocurre con el clivaje.
Figura 3.29 Imágenes de MEB de metales que fallaron por formación y coalescencia de microvacíos
Nota. Superficie de fractura de duraluminio, donde se puede notar que en el interior de los microhuecos se encuentran fragmentos de las partículas