COMPORTAMIENTO Y ENSAYO DE MATERIALES M20 ESCUELA INGENIERIA MECANICA UNR USO INTE INTERN RNO O PRO PROHI HIBI BIDA SU DIFUSION versión2017 Rev. 3
COMP RTAMIENTO E LOS MATERIALES COMPORTAMIENTO
1. INTROD INTRODUCC UCCION ION
El objeto de nuestro estudio es seguir profundizando en la comprensión y predicción de la respuesta del material situado, es decir que está formando parte de un mecanismo real, en el cual en mayor o menor medida podemos parametrizar para estimar las condiciones a las cuales está sometido. Muchas veces una falla nos "habla" respecto a las condiciones a las que estuvo realmente sometido el material más allá de toda estimación, en esos casos como un médico forense podremos también "escuchar" esas pistas o señales que nos ayudarán a comprender el estado de solicitación y la respuesta asociada del material. Para esto esto empe empezare zaremos mos por entender entender que la respuesta de un material, como hemos visto en los años anteriores, depende de la composición química, microestructura, historia termom termomecá ecánic nica a Y TAMBIÉ TAMBIÉN N de su esta estado do de soli solicit citaci ación. ón. Durante esta materia veremos como com o la respue respuest sta a del mat materi erial al (su com compor portam tamien iento) to) es con condic dicion ionada ada por los dif difere erente ntess estados de solicitación (dirección del estado de tensiones, modo y velocidad de aplicación de la carga, geometría, temperatura, tensiones residuales, estados combinados, et etc) c) Metodológicame Metodológ icamente nte empez empezaremo aremoss por las piez piezas as ffallada alladass para para avanz avanzar ar hacia hacia las las causas y la comprensión de los fenómenos involucrados. En el desarrollo de la tecnología de los materiales siempre el objetivo es elegir el material de menor costo que pueda responder satisfactoriamente la necesidad del servicio. Viend Viendo o la lass dis distin tinta tass forma formass de de falla falla de los component comp onentes es (materiale (materialess y sus esta estados dos de de sol solicita icitación) ción) nos pregun preguntarem taremos os por qué, así recorreremos el el camino de ver, analizar y comprender. En ese ese camino, estudiaremos distintos ensayos mecánicos (tracción, choque, fatiga, creep) que nos ayudarán en esta comprensión y nos darán herramientas de evaluación y comparación para los diversos materiales bajo los distintos estados de solicitación. solicitación. Empecemos viendo los distintos distintos tipos de piezas falladas. En el siguiente esquema vemos el campo de acción de los enfoques desarrollados por la Ciencia de los materiales y la Ingeniería de los materiales. Para nosotros ambos enfoques serán complementarios pero nuestro objetivo fundamental es la aplicación concreta de los materiales en piezas reales
2. FALLAS EN MATERIAL ES
En el sentid sentidoo genera general de la palab palabra, ra, una falla se defi define ne como un evento o condición no deseable. A efectos de la discusión relacionada con el análisis de fa fallllaa y la prev preven enci ción ón,, se habla de falla, cuando un componente es incapaz de realizar adecuadamente su función previs prevista. ta. La La func función ión prev previst ista de de un un com compo pone nent nte e pue puede de va vari riar ar en gran medida. Por ejemplo, cambio de color de un ele ento arquitectónico es un fracaso de su estét estética ica pretendid pretendida. a. Esta inca incapa paci cida dadd se se pu pued edee def defin inir en varios niveles diferentes. ·
Cuando Cuan do la la estr estruc uctu turr que ueda da tota tallme men nte inu inutil tilizad izada. a. El sis siste a o componente es inoperable
·
Cuando esta aún puede ser utilizada utilizada pero ya no es capa de desempeñar su fun ión satisfact satisfactoriame oriamente. nte. El componente componente que funciona, pero no realiza su función prevista. Esto se consi era una pérdida de la f nció nción. n. Un moto motorr a reacción reacción que se ejecuta pero sólo puede producir empuje parcial (insuficientes ara permitir a una aeronave para desp despegar) egar) es un un ejemplo ejemplo ddee una pérdida de la función.
·
Cuando un serio deterioro de la misma la torna insegura para continuar de dese peñándose en servicio. El sistema o componente ha sufrido una pérdida de vida útil. Por ejemplo, un cable de alambre para un ascensor ha perd pe rdid idoo su su vid vida a d servicio cuando se ha sostenido fracturas por fatiga de algunos de los hilos individuales, debido a irregularid des en la envoltura sobre la polea. A alambre continúa funcio ncionando nando,, la presencia presencia de fracturas fracturas po cabl ca bles es se se trad traduc uce e en una situ situación ación de insegur inseguridad idad y por l falla. Otro ejemplo s ría el el de de un ci circuito in integrado qu que funci
esar de que el cable de fatiga fat iga de alg alguno unoss de los tanto se considera una na de fo form rmaa no fiab fiable le..
El enfoque del análisis de falla lógicamente requiere en en prime rimerr luga lugarr de un una a clar claraa com ompr pren enssión ión de la defini finicción de de falla falla y la distinci distinción ón entre entre los i dicadores (es decir, los anismo o de daño daño, y la consecuencia. sínto síntomas mas), ), la causa, el mecanism Aunque puede ser consi onsiderad derado o por algun algunos os como un ejercici ejercicio de semántica, una clara comprensión de cada significado y su rol en el análisis de falla, ejora en gran medida la cap apac acid idad ad de comp mpre rennde derr llas causas y las opciones de mitigación para especificar la acción correctiva apropiada. Cuando un un pr producto iin ngenieril dde eja de de re re lizar una o más de sus funciones mucho antes de su tiem tiempo po de de vi vida da en en se serv rvici icio o es esper perad ada, se dice que el mismo falló. A pesar de que los di señadores y fabricantes seguirán fortal ciendo los vínculos entre el diseño, fabricación y desem empe peño ño en se serv rvic icio io,, las las fa fallllas as va vann a ocu ocurrir y seguirán ocurriendo por una razón u otra. Las f llas een n servicio servicio dde e productos productos ingen ingenierile ierile pueden causar pérdidas de vidas, paradas no progr ma mada dass de de pla plant nta as ind indus ustr tria iale les, s, incr increeme tos de mantenimiento de equipos y costos de repa ación así como muy costosos litigios perjuicios. Una falla en servicio es esperable que se dé en el eslabón más débil de la ca ena de proceso continuo de ingeniería de diseño-fa fab bricación-desempeño como se pretende demostrar en los siguientes ejemplos
En nue nuest stra rass ment mente es la palabra perfecto es usualmente conectada con el ideal. Aunque se sabe sabe que el el ideal ideal en las piez piezas as reales reales no exist existe, e, es ppor or eso eso que que se introduce la tolerancia, un rango en el cual la desviación entre la pieza real y el ideal es ac ptado. En la práctica, los proces procesos os de fab fabric ricaci ació ón inevitablemente introducen algunas imperfecciones o discon dis contin tinuid uidade adess de dentr ntro o d cualquier producto como cavidades, poros y pequeñas grietas. Cuando algunos defectos se encuentran en el producto sin a ectar adversamente sus requisitos funcionales o u desempeño en servicio los mismo son clasificados como imperfecciones. 2.1 2.1 Defecto Defecto
Un defecto es una di scontinuidad que excede los límites esta blecidos por el código aplicable. La magnitud o tipo de discontinuidad compromete las funciones de servicio de la pieza cuando excede dichos límites. Por lo tanto, una disconti uid uidad ad só sólo lo es considerada un defecto uando se excede de los límites estable idos por la norma aplicada. (Puede ser co siderado un defecto según una norma, ero ser aceptable según otra). Los ssigu iguien iente tess son típi típica cas discont discontinuid inuidades ades que se se encuent encuentran ran e la superficie de las soldaduras según la nor a AWS (American Welding Society) B1 11 (guía (guía para para la inspección visual de sol ad adur uras as)) y D1. D1.1 1: 1. Porosidad 2. Falta de de Fusión 3. Falt Falta a de pe pene netr trac ació ión n 4. Soc ocaavad aduura 5. Falt Faltaa de de mate materi rial al de de aporte 6. Solapado 7. Fisuras 8. Inclusiones metálicas y no metál metálica icass 9. Exce Exceso so de so sobr bre e es esor
Porosidad disper sa
Falta de Fusió
Falta de Penetración
Falta de ma matterial de aporte
Falta de Fusió
Falta de Fusión
Tipo de Fisuras 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
En cráte cráter r Frontal En ZAC Desgarro laminar Longitudinal En Raíz En superficie de la Raíz En garganta En late lateral ral Por debajo soldadura En interface En el metal de aporte
Perfiles Perfiles de soldadura de filete permisibles permisibles
Criterios Criterios de acepta aceptación ción y rechazo en la Inspección Visual de soldaduras. Se visualiza la diferenciación entre los requ rimient rimientos os de las sol soldad daduras uras baj bajo o cargas cargas está estátic tic s y cargas cíclicas Di s c o n t i n u i d ad Superficie Desalineación Sobreespesor Socavadura Fisuras Falta de Fusión Falta de Penetración Quemado d e Raíz Raíz Poros individuales
ASME VIII y IX
Libre de defectos que impidan ev luación En f (t y junta ) En f (t y junta) El enor de 0,8mm o 10% t No permitidas No permitidas No permitidas No especifica Di ensi ensión ón 3x1, 3x1, el lími límite te es 3, 3,22 o
API 1104
Buena terminación Máximo valor mm Máximo 1,6m Existe un rango de tolerancia en función del largo No permitidas, salvo de 4mm en enganches. Existe un rango de tolerancia en función del largo Existe un rango de tolerancia en función del largo Existe un rango de tolerancia tolerancia en función función del diám diámet etro ro exte exteri riior y espesor 3mm 3m m o 25%t 25%t o según cartilla
20%t En f(t y distribuc distribución) ión) existe cartilla cartilla Existe un rango rango de tolerancia tolerancia en funció función n del largo Grupo de Poros En f (t) Menor a 2t o 13mm y ancho 1,6mm Escoria Menor a 3t o 50mm y ancho 1,6mm Grupo de Escorias t en 12t, salvo que sucesivas excedan 6L con L largo mayor de las sucesivas. Criterios de aceptación y rechazo en dos códigos distintos (ASME y API). Se visualiza la la diferencia de tolerancias
Los requerimientos son establecidos por las condiciones de servicio. La necesidad de remover un defecto es en mayor medida debido a su efecto concentrador concentrador de tensiones y triaxialidad de tensiones (no tanto por su extensión, o proximidad a la superficie). La reparación de un defecto la define el código (no el operario, no el supervisor, no el Ing. en Soldadura, no el inspector); esto define lo que se conoce como criterio de aceptación y rechazo. Clasificación
Poder clasificar los defectos defectos nos permite permite identificarlos y categorizarlos, categorizarlos, y de esta esta manera establecer su causa raíz para evitarlos Por su Etapa de Gestación Gestación · Diseño · Fabricación o
Inherentes: Se producen producen durante la solidificación solidificación del Lingote. Inclusiones: no metálicas, escoria, óxidos, óxidos, sulfuros. Segregaciones: Distribución no no uniforme de elementos. Rechupe: contracción durante solidificación. Poros y Porosidad: Gas insoluble en el metal fundido. Ejemplo en Fundición: Fisuras por contracción, corte frío, cavidades, poros y porosidades, rechupes y microrechupes
Posibles defectos en lingotes
Defectos en molde de fundición
Defectos en molde de fundición o
y de Proceso: Laminación / Forjado, Rectificado, Sold Soldad adur ura a / Trat Tratam amie ient nto o té térm rmiico: todos estos procesos involucran modificaciones en l material y la posibilidad de generación de disconti uida uidade dess (ej: (ej: Tens Tensio ione ness durante la soldadura: las tensiones térmicas son proporcionales a E y a T, la emperatura pastosa para el acero es de 1500ºC (dará aproximadamente proximadamente 1475ºK, E=200GPA, Coeficiente = .12.10 -6 K-1) generando 3,5G 3,5GPA PA;; ten ensi sion ones es de dell ord orden de la deformación plástica.
·
De Servicio: Servicio: Pérdida Pérdida de material material (Corrosión, (Corrosión, erosión, erosión, desg desgaste aste,, cavitació cavitación, n, etc) / Fatiga Fatiga / Creep
Por el Mecanismo Mecanismo s de Daño Daño Aso ciado · Mecanismos Asociados a Tensiones
Alternancia tensión. Fatiga (90% fallas generales en servicio) o Velocidad de aplicación. Impacto o Tensiones residuales o Concentra Concentración ción de tens tensiones iones o Triaxialidad de tensiones · Mecanismos Asociado a Modificaciones Modificaciones Microestructurales Microestructurales o Creep (1/2 Tf). o Grafitización o Descarburación · Mecanismos Asociados a Pérdidas de Material Material o Corrosión: ácido por concentración, base por dilución. Agua Agua hid hidrat rato o ferr ferroso oso (Fe + 2H2O 2H2O = Fe (OH) (OH)2 2 + H2). H2). Oxige Oxigeno no hid hidrat rato o férri férrico co (4Fe (4Fe (OH)2 (OH)2 + O2 + 2H2 2H2O O 4Fe 4Fe (OH) (OH)3) 3).. Ácid Ácido o clor clorhí hídr dric icoo → clor clorur uros os fer ferro roso soss de alta alt a sol solubi ubilid lidad ad (Fe (Fe + 2C 2ClH→ lH→ Cl2Fe+ Cl2Fe+ H2). H2). o Acción Electroquímica Electroquímica o Corrosión Intergranular o Corrosión por picadura y rendija o Corrosión Bajo Tensión · Mecan Mecanismo ismoss Mixt Mixtos os o Mecanismo Mecan ismo Creep Creep –Fatiga –Fatiga o Daño por fatiga térmica. o
Por su Geometría Geometría · Tridimensionales · Bidimensionales · Lineales · Puntuales
2.2 2.2 Ciclo de vida
El concepto de gestión del ciclo de vida se refiere a la idea de la gestión de la vida útil de un sistema, sistema, estructura estructura o componente. La Vida útil se defi define ne com comoo el intervalo intervalo de tiempo de un equipo que trabajando bajo las condiciones de diseño, mantiene sus propiedades físico-químicas. físico-químicas. El coeficiente de seguridad seguridad suele aumentar aumentar la vida útil real sobre la teórica, porque en alguna medida, el coeficiente de seguridad es un resguardo que será mayor cuanto cuanto mayor sea el desconocimiento desconocimiento de la respuesta respuesta (también en el tiempo) de un componente. Cuantificarr la vida consu Cuantifica consumida mida y residua residual,l, se ba basa sa en diversos diversos estud estudios ios y aproximacio aproximaciones nes qque ue preten pretenden den garantiz garantizar ar el funci funcionami onamiento ento segu seguro, ro, y esta establece blecerr las debilidades y zonas con mayor velocidad de acumulación de daño que permitan evaluar la posibilidad de un programa de reparaciones reparaciones y cambios. En En relación a los materiales, materiales, existen dos aplicaciones aplicaciones del concepto concepto de "exten "extensión sión de Vida", uno uno que se vincula las mejoras en diseño y fabricación de los materiales que lleva a los avances tecnológicos en los mismos. La experiencia documentada documentada y la comunicación han permitido su desarrollo sostenido sost enido en el titiempo. empo. Un Un ejemplo ejemplo de ello ello es la evolu evolución ción de los los ac aceros eros inox inoxidable idabless austeníticos:
Desarrollo histórico de los aceros austeníticos MEJORA EN EL DISEÑO
Diagrama muestra el aumento aumento de Vida Vida Útil con la mejora mejora en el diseño
Hay un costo asoci do con con es este te desar desarrol rollo lo tecno tecnológ lógico ico por el aumento de los costos de in investigación, lo los co co tes de diseño, materiales y fabricación, costes y mayores costos de mantenimiento, etc.
Ciclo de vida de la generación de un producto
Esto Estoss incr increm emen ento toss en la etapa de desarrollo del producto se raducen raducen en aume aumentos ntos en las las ven venta tass por por las las ven venttaj s tecnológicas asociadas a la utilización . La segunda aplicación ión de dell co conc ncep epto to de "ext "exten ensi sión ón de vi a" es el estudio de un comp co mpon onen ente te real real pa part rtic icul ullar. En este caso, los estudios suelen ba sarse en el avance de los mecanismos de daño presentes resentes (verifica (verificados) dos) en el comp component onente (ej: creep, fatiga) y su relación de compromiso co con n la la int integ egri rida dad d est estru ruct ctur ural al de la total otalii ad del sistema. Una vez evaluada la integridad del conjunto, se verifican las puntuali ad ades es y se iden identitififica cann y cuanti cua ntific fican an esos esos luga lugare res ccon on mayor mayor velo velocidad cidad de acumu acumulació lación de daño, su accionar marginal (la posibilidad de daño esta circunscripta) y su po ibilidad de reparación o recambio. Esta acción an anál ális isis is e inte interv rven enci ción ón en el co comp mpon onee te) formaría parte de la extensión de vida del ismo y hablaremos más en detalle de esto (ver apunt apuntee ""Aptit Aptitud ud para pa ra el servic rvicio io y Ext Exten enssión de Vida").
La comprensión de la etapa de gestación gestación en la que la falla se produce es esencial esencial para la determinación de la causa raíz. La vida útil de un component componente e se asemeja a una distribución tipo "bañera".
Distribución del tiempo típico de fallos ( "curva de la bañera")
Fallas Fallas tempranas tempranas en la vida se se asoci asocian an a menudo menudo con con problemas problemas de de diseñ diseño, o, fabric fab ricaci ación, ón, o proble problemas mas de con contro troll de calidad. calidad. 2.3 2.3 Análisis de falla
El análisis de falla es un proceso crítico en la determinación de las causas fundamentales de los problemas problemas físicos y para este curso curso su comprensión, nos dará un aporte concreto de la respuesta respuesta del material ante distintos estados estados de solicitación y cómo diversida dive rsidadd de fac factore toress inte internos rnos y exte externos rnos lo modifi modifican. can. El análi análisis sis de falla falla es un proceso proceso complejo, se basa en muchas disciplinas técnicas técnicas diferentes, diferentes, y utiliza una variedad de de técnicas de observación, inspección y pruebas de laboratorio. Uno de los factores clave en la correcta correcta realización realización de un análisis de falla es mantener una mente abierta mientras se examina examina y an analiz aliza a la evidencia evidencia ffomen omentando tando una perspec perspectiva tiva cclara lara e imparcia imparciall de la falla. fal la. En det determ ermina inadas das circun circunsta stanci ncias as se requie requiere re la col colabo aborac ración ión de exp expert ertos os en otras otras disciplina disciplinass para integr integrar ar el análisis, análisis, desarro desarrolland llando o una comprens comprensión ión cuantit cuantitativ ativaa de los factores fact ores de tens tensión ión y anteceden antecedentes tes en el diseño, diseño, fabricación fabricación y servicio servicio de la historia historia del importancia cia y el el valor valor del anális análisis is de la la falta es la producto o sistema averiado. La importan seguridad, la fiabilidad, fiabilidad, el rendimiento y la economía de los sistemas sistemas . Una caracterí característic stica a rechazable rechazable (por el código código de fabricación fabricación)) se define como como un defecto. Para el practicante de Seis Sigma, un defecto se considera cualquier cosa que inhibe un proceso proceso o, en un sentido amplio, amplio, cualquier cualquier condición que no cumple con la expectativa del cliente. La siguiente es una una guía de las actitudes actitudes que impiden un análisis de falla: · No hacer nada y quizás esperar que el problema desaparezca desaparezca · Negar la existencia del problema, minimizar su importancia, o cuestionar los motivos de los que señalan el problema · Solucionar el problema de forma aleatoria, no sistemáticamente · Centrarse en pistas falsas
Distribución de las causas de falla en investigaciones de fallas industriales n USA ·
En una cultura organizacional lucida, los productos o siste as requieren un enfoque sistemático para la res lución de problemas, basado en el a álisis, para alcanzar los niveles de calidad y sati fac facció ción n del del client cliente e defi definid nido o por por los nue nuevv s sistemas de gestión. El aspe as pect ctoo cul cultu tura rall es crít crític ico, ya que aquellos aquellos que tienen tienen problema problemas identificados deben ser alentados a reconocerl s, a dar la cara, para que desde la r alidad pueda accionarse hacia una solu solución. ción. Se equiere el compromiso de formular las soluciones e implementar los cambios necesarios. Modelos Modelos de resolución de problemas.
Una amplia gama de mé méto todo doss y mo mode delo loss de reso resolu luci ci n de problemas están disponibles, presentando va vari ried edad ad de en enfo foqu ques es y proc proces esos os para la resolución de cualquiera de los tipos enerales de problemas. Todos estos étodo étodoss y mod modelo eloss tie tiene nenn sus raíces en el método cient científic ífico o (que se se resumen resumen de de la siguien siguientte manera): 1. Definir el problema 2. Proponer una hipótesi s 3. Recopilar datos 4. Prueba de la hipótesis 5. Elaboración de las co clusiones Estos pasos principales del modelo definen el proceso de re olución de problemas: 1. Identificar : Describir la sit situa uacción ión act actua ual.l. Def efin inir ir la defic ficie cia en términos de los sínt síntom omas as (o indi indica caddore ore ). De Determinar el el im impacto de de la de defici ncia en el componente, producto, si sistema y clie te. Pon una meta. Recopilar datos para proporcionar una medida de la deficiencia. 2. Determinar la causa r íz: Analizar el problema de identificar la causa (s). 3. Desarrollar acciones orrectivas: Lista de posibles soluciones para mitigar y prevenir la rec recurre urrenc ncia ia del pro probl ble em . Gen Genera erarr alte alterna rnativ tivas. as. Desarr Desarroll ollar ar un pl n de implementación. 4. Validar y verificar las acciones acciones correcti correctivas: vas: medid medidas as correctiv correctivaas de prueba en el estudio pilo piloto to.. Med Medir ir la efec efectitivi vid d d del cambio. Validar las mejoras. Co pruebe que problema se corrige y mejora la satisfacción del cliente. 5. Estandarizar : Incorpo ar las medidas correctivas en el sistema de documentación de las normas normas de la la empresa empresa, orga organi niza zaci ción ón o indu indust stri ria a para para prev prevee ir la recurrencia de los productos o sistemas si ilares. Monitorear los cambios para gar ntizar su eficacia. El segundo paso en el modelo de resolución de problemas, determinar la causa raíz, introduce un proceso uy sig signif nifica icativ tivo. o. Soluc Solucion iones es para para preve prevenir la recurrencia de los problemas no se pueden de desa sarr rrol olla larr sin sin la la ide ident ntifific icac ació ión n de de la la ca ca sa raíz.
Modelo de resolución de problemas
Términos tales como dúctil y frágil, grietas y fracturas, y el crecimiento de la grieta estable e inestable son omnipresentes en el análisis de fallos. Incluso estos términos aparentemente básicas son utilizadas de forma errónea y malas interpretaciones. La terminología debe utilizarse utilizarse con prudencia prudencia cuando cuando se comunica. comunica. Toda comunicación comunicación durante las etapas etapas preliminares de una investigación investigación debe deben n ser hecha de forma crítica crítica y en potencial. Métodos de análisis de la causa raíz: Los principios de análisis de causa raíz (ACR) se
puede aplicar para asegurar que la causa se entiende y acciones correctivas apropiadas puede ser identif identificad icado. o. Un eejercic jercicio io ACR pued puede e ser simple simplement mentee un ejercic ejercicio io men mental tal momentáneo o un extenso análisis de gráficos logístico. Método Método mediante mediante ana analogía logía con el el "árbol"
Causa raíz, analogía analogía con la fisonomí fisonomía a de un árbol
En este método se visualizan los sistemas e indicadores como las ramas y follaje, el tronco como la/s causa/s evidentes y las raíces del árbol como las causas ocultas. Hay tres tres niveles niveles propue propuest stos os de análisi análisiss de las raíces raíces:: raíces raíces fís física icas, s, raíces raíces human humanas as (impli (implican can factores fact ores humano humanos), s), y raíces raíces laten latentes tes (implican (implican factor factores es de la organizac organización ión y los procedimientos). Estas caus causas as raíz se ddefine efinen n mejor mejor por por los los ejemplo ejemploss de llas as siguiente siguientess Tablas
Cuán pro Cuán profu fund ndam amen entt uno entra en las causas fundamentales depende de los objetivos de la ACR (an lisi lisiss caus causa a raiz raiz). ). Esto Estoss obje objetitivo voss se bas bas n normalmente en la comp co mple lejijida dad d de la situ situac aciión y el riesgo riesgo asociado asociado con con la reiter reiteració ació de la fal falla. la. En la mayorí may oríaa de los ca casos sos,, s desea identificar las causas que son ra onablemente corregible. Raíz Raíz Físi Física ca de la Falla alla El an anál ális isis is sist istemá mátiti o de las fallas del equipo revela causas fundamentales físicas que caen en las cuatro categ ategorías orías vistas vistas en la gest gestación ación de un d fecto:
Deficiencias de diseño: esta es una muy común causa de falla. a. Tama Tamaño ño y for form ma de la pieza: Esto es generalmente det rminad rminado o en bas base e al análisis de las tensiones actuantes o las limitaciones geo étricas. b. Material: Esto stá referido a la composición química y l tratamient tratamientoo (por ejem ejempl plo o trat tratam amie ien nto térmico) necesario necesario para alcanzar las ropiedades requeridas. c. Propiedades: Estas están relacionadas principalmente on el aná anális lisis is de tensiones, pe pero ot otras propiedades como la resistencia a la corrosión pueden llegar a tener que consi erarse. · Defectos en los m ateriales ateriales (inherent (inherentes) es) o Defe Defectos ctos en la Fabricación/Instalación. Además de las caus usa as vista istass en defe fect ctoo se incl incluy uyen en:: mo monn ajes incompletos o inadecuados (bul n de fijaci fijación ón fal faltan tante) te).. · Anom Anomal alía íass dur duran antte el se servi rvicio cio.. Además Además de las cau causas sas vist vist s en defecto se incluyen: a. Mal uso: El co pon ponente ente es es puesto puesto bajo bajo condici condiciones ones para las cuales no fue diseñado. ·
b. Mant Mantenimi enimiento ento inad inadec ecua uado: do: La Lass tare tareas as de de ma mant nten enim imie ienn o adecuado abarcan un rango tan amplio omo pu puede se ser el el pintado de de la las su superficies de los componentes, su correcta limpieza periódica periódica y lubrica lubricación ción
Vida útil vs aumento solicitación modificando curvado en el diseño
Vida Vida út útilil v aume aumento nto solicit solicitaci ación ón modif modifica icando ndo la terminac terminació ió superficial
Ejemplos concretos Análisis del rotor de n compresor fallado
Las flflechas in indican la las po porci nes fracturadas de cuchillas
superficie de fractura hoja de compresor que muestra mues tra los orígene orígeness d fa fatitiga ga en el lado lado de baja baja presión de las cuchillas (derecha), como se indica por las flechas
Anális Análisis is de fal falla la en en rotor rotor
La falla se produce en el radio de acuerdo en el cambio de sección
Análisis Análisis Falla en manubrio manubrio bicicleta bicicleta Las flechas indican las iniciaciones iniciaciones de fatiga en varias perforaciones Que fueron realizadas por el usua usuari rio o x3
El manubrio manubrio fue modificado modificado por el usuario
Vida útil afectada afectada por el aumento de la la severidad de la condición de servicio
Diagrama Diagrama de flujo flujo falla bulón bulón (ejemplo (ejemplo simplifica simplificado do del "árbol") "árbol")
Bulón roto
Inadecuada es ecif ecific icac ació ión n
Sobrecarga en servicio
Defecto
Inadecuado método de control
Factor o evento Puerta "or" "or" requiere requiere una una entrada entrada para para la ocurrencia ocurrencia Puerta "y" requiere todas las entradas para la ocurrencia
Diagrama "espina de pescado". Un simple análisis de causa y efecto puede tomar la
forma de un diagrama de espina de pescado que puede ser construido como siguiente: 1. Claram Clarament entee des descri cribir bir la falla falla a la derec derecha ha del diag diagram rama a 2. Identificar las categorías principales de causa como como ramas que que convergen convergen a la falla 3. Lluvia Lluvia de ideas ideas y listado listado de todas todas las las cau causas sas en en cada rama. rama. 4. Analizar Analizar los datos datos has hasta ta que lla a caus causa a raíz es es ident identifica ificada da (puede (puede ser más de una) una)
Diagrama de espina de pescado simplificado
Método Método d e los " cinco ¿Por ¿Por qué?
Es una técnica sencilla que pretende conducir al usuario a niveles más profundos de identifica ident ificación ción de la causa causa raíz El siguiente ejemplo demuestra demuestra este concepto simple: · Evento: Falla en el puente de una autopista 1. ¿Por qué? qué? Daño Daño por corrosión corrosión en en la estruct estructura ura de acero 2. ¿Por ¿Por qué qué?? Acum Acumul ulac ació ión n de ag agua ua 3. ¿Por qué? Residuos Residuos obst obstruye ruyeron ron los canal canales es de desag desagüe üe 4. ¿Por ¿Por qué? qué? No se reali realizó zó el mant manteni enimie miento nto de limpi limpieza eza ddee los can canales ales 5. ¿Por ¿Por qué? Red Reducc ucción ión de de los fo fondo ndoss para para manteni mantenimie mient ntoo (causa (causa raiz raiz))
Existen otras herramientas herramientas que precisan precisan ser consideradas en la conducción de un un análisis de falla. En adición a las técnicas técnicas de la causa causa raíz, son importantes: importantes: a) recolección de toda información existente existente respecto a la falla b) entrevistas con el personal relacionado c) investigaciones de laboratorio d) análisis de tensiones e) análisis por mecánica de fractura
Estresores Estresores o Factores Factores Estresantes Estresantes
Para determinar la causa de la falla del material, hay que considerar los factores de estrés activos. Un factor de estrés es una influencia externa que puede ser una causa directa o indirecta de la falla. La comprensión comprensión de estas estas influencias es importante para el análisis análisis de falla y efectivamen efectivamente te dete determina rminarr la causa raíz. Del Del mismo modo, la mitigación mitigación de los factore factoress estresant estresantes es es a menu menudo do la solución solución más más lógica lógica para reducir reducir la susceptibilidad de falla. La influencia influencia de los factores de estrés estrés depende en gran medida
de la susce susceptib ptibilida ilidad d de de los los comp componen onentes tes y materiales, materiales, los criterios criterios de rendimient rendimiento, o, la magnitud magni tud del del facto factorr de estrés estrés y la expo exposició sición. n. Los seis seis fact factores ores de estrés estrés son: son: · Mecánicos: Cargas estáticas, estáticas, dinámicas o cíclicas, presión, presión, impacto, tensiones residuales por fabricación, cargas inerciales por final de movimiento.
· · · · ·
Químicos: la exposición inadvertida inadvertida aguda o crónica crónica a un ambiente químico químico agresivo, problemas de compatibilidad de materiales Electroquímicos: Un Un material susceptible susceptible en un medio acuoso corrosivo corrosivo Térmico: la exposición a temperaturas temperaturas elevadas elevadas resulta en la degradación degradación del material Radiación: Radiación: la luz ultraviole ultravioleta, ta, la luz solar, solar, la radiación radiación ionizante ionizante provenien proveniente te de plantas nucleares, etc. Eléctrico: la aplicación aplicación de cargas eléctricas eléctricas debido a la presencia presencia de campos eléctricos
Cuatro c ategorías ategorías d e Fallas Fallas
La falla física física de los materiales materiales puede puede ident identific ificarse arse en much muchas as cate categorí gorías as según el sistema de clasificación clasificación elegido. La siguiente siguiente calificación puede puede ayudar al análisis de la falla fal la y la preve prevenci nción ón de erro errores: res: 1. Distor Distorsió siónn o deformac deformación ión no no deseada deseada 2. Fractura 3. Corrosion 4. Desgaste Distorsión: Un fallo de la distorsión se produce cuando los cambios geométricos impiden que un componente funcione correctamente como un cojinete de polímero hinchado en una bomba o una unión doblada en una transmisión.
Ejemplo de distorsión distorsión en un vástago de válvula válvula sobrecargado sobrecargado
Fractura. Una fractura se define generalmente como la separación de material.
Ejemplo de una fractura fractura por fragilidad fragilidad del acero A36 estructural, estructural, después de sufrir una etapa inicial inicial por fatiga (zona de iniciación con flechas).
2.4 2.4 Comportamiento Comportamiento mecánico mecánico
Comportamiento mecánico de un mate material rial es la respuesta que que el mismo da en función de sus propiedades a un estado de solicitación especifico. El mismo no sólo depende de las características intrínsecas del material sino de los estresores externos que condicionan o modifican dicha respuesta (ej. la resistencia de un material se ve afectada si la carga es cuasi estática o por impacto). El comportamiento de un material (su respuesta) depende de las condiciones de servicio (o estresores), de la composición química, la microestructura microestructura y la historia termo-mecánica. Es esencial esencial en este este punto visualizar a los materiales situados, es decir, ya constitutivos de una pieza dentro de un mecanismo, circunscripto por un medio ambiente cuyas características caracter ísticas son variables en el tiempo de servicio Comportamiento
Composición química
Microestructura
Historia termo-mecánica
Estresores
Un aná análisis lisis inicia iniciall hemos hemos visto visto los años años ant anterior eriores es en la respues respuesta ta dúc dúctil til o frágil frágil de un material ante un estado cuasi estático de aplicación de la carga
diagramas tensión-deformación típicas. Fuente
Estas respuestas de los materiales se han categorizado para su análisis y comp co mpar arac ació iónn com como o las las prop propie ieda dade dess de los los mat mater eria iale les, s, y co como mo ant antic icip ipam amos os,, esa esass propiedade propiedadess depende dependen n tambi también én del eestad stado o de solicitac solicitación. ión. Nosotros Nosotros punt puntualiz ualizaremos aremos en las propiedades mecánicas, que son la respuesta del material ante la aplicación de una carga (elasticidad, plasticidad, ductilidad, maleabilidad, dureza, fragilidad, tenacidad, fatiga, maquinabilidad, acritud, colabilidad, resiliencia. Ver apunte "Ensayos Mecánicos 004"). Ahora entendemos que cuando hablamos de una cuantificación respecto a una propiedad, propiedad, siem siempre pre es es circunscri circunscripta pta a las condi condicione cioness del del ensay ensayoo utiliza utilizado do para para su su determinación (ej: condicionamientos dimensionales, ambientales, tipo y velocidad de aplicación de las cargas, etc). Durante el cursado iremos avanzando en la comprensión y previsión de estas respuestas respuestas y los factores que la modifican modifican para evaluar a los materiales en sus aplicaciones. Ensayos y Toma de Muestr Muestr as
Una de las herramientas de análisis fundamental para la determinación de la causa raíz, son los ensayos y las tomas de muestras. El objetivo es la recolección de información representativa, esta palabra es clave porque se requiere identificar el mecanismo de daño presente, la severidad del mismo y la extensión de ese mecanismo en el equipo. Durante el cursado cursado veremos diversidad de Ensayos destructivos destructivos (la pieza ensayada ensayada no podrá seguir desarrollando el servicio luego de realizado el ensayo) y Ensayos No Destructivos (su ejecución no altera el servicio posterior de la pieza). La elección del tipo y extensión de ensayo es crucial para tener información valedera.
3. MECANICA MECANICA DE DE LA FRACTURA FRACTURA
Muy rara vez la fractura de un material en ingeniería ocurre debido a una sobrecarga imprevista imprevista en un material material exento exento de defectos. defectos. Gene Generalme ralmente, nte, la fractura fractura es causada causada por la presencia de una fisura: fisura: debido a la acción normal de la carga sobre la pieza o es estructura tructura la fisura se desenvuelve (iniciándose este proceso, por por ejemplo, a partir de un defecto defecto o
concentrador concentra dor de tens tensiones iones y/o generad generador or de una distribuci distribución ón triaxial triaxial de tensiones) tensiones) y crece lentament lenta mentee en tamaño tamaño hast hastaa llega llegarr al colapso colapso o la salida de servicio servicio del del equip equipo, o, pieza pieza o estructura. De esta forma, el control de fractura es entendido entendido como una una metodologí metodología a para evitar las fracturas de materiales materiales debido a la la presencia de fisuras en función función de la carga aplicada aplicada al material material durante durante su uutiliz tilización ación een n servicio. servicio. Por Por ello se defin define e a la filosofía filosofía de tolerancia de daños como la aplicación de la metodología de ccontrol ontrol de fractura en función de los siguientes siguientes objet objetivos ivos:: A) El efecto de las fisuras en la resistencia mecánica del material. B) El crecimiento de la fisura en función del tiempo. La herramienta matemática y experimental aplicada para llevar adelante el análisis en base a la filosofía filosofía de toleran tolerancia cia de de daños daños por fatiga fatiga es llamada llamada mecán mecánica ica de de fractura. fractura. Ella provee los conceptos conceptos y las ecuaciones utilizadas utilizadas para determinar determinar cuánto una fisura fisura crece y como este crecimiento crecimiento de fisura afecta la resistencia resistencia del material de una estructura. estructura. Con ello se puede es establ tablecer ecer clarament claramente e cuando cuando retirar de servicio servicio una pieza pieza antes de que llegue llegue a su colapso o ante ante la presencia de una pieza pieza con fisuras se se puede dete determinar rminar hasta que que carga la misma podrá operar en forma segura segura
La mecánica de la fractura y particularmente la mecánica de fractura lineal elástica ("Linear Elastic Fracture Mechanics" LEFM) es una ciencia que estudia los mecanismos y procesos de propagación de grietas en sólidos, así como la distribución de tensiones y deformaciones que ocurren en un material agrietado o con discontinuidades, sometidos a cierta tensión externa. Esta ciencia surgió con los trabajos fundamentales de Griffith (1921, 1924) sobre criterios de propagación de grietas en sólidos, basados en conceptos de transformación de energía elástica en energía de superficie y por esta razón se conoce como una formulación energética de la mecánica de la fractura, donde se compara la energía disponible para la propagación de una grieta (tasa de liberación de energía G) con la energía necesaria para producir su agrietamiento (energía de agrietamiento G IC). Irwin (1957) introduce el análisis en términos de tensiones, mostrando que frente a la fisura se genera un volumen finito, zona plástica, en la cual parte de la energía elástica se consume en deforma deformación ción plástica. plástica. Así se introduce el concepto de factor factor de intensidad de tensiones tensiones (k). Nosotros nos centraremos primariamente en la descripción y comprensión de las diversas superficies físicas de fracturas, el resultado final del proceso de rotura en el cual se manifiesta la respuesta que ha tenido el material. Un análisis fractográfico comienza con una observación visual de las características de la superficie de fractura. Se pueden obtener así los primeros indicios de las causas de la nucleación de la fisura, mecanismo y dirección de la propagación, y eventualmente eve ntualmente se puede tener alguna estimación de la magnitud de las cargas actuantes. Pero es el análisis de la
superficie a mayores aumentos, como los que proporciona el microscopio electrónico de barrido, el que permite la caracterización del proceso microscópico de propagación de la fisura, identificando así las cavidades típicas de la rotura transgranular dúctil, las facetas de clivaje de una rotura frágil, las superficies de corrosión bajo tensiones o las estrías típicas de un proceso de fatiga. Veamos en más detalle la técnica de microscopia electrónica de barrido. Microsco icroscopia pia electró lectrónic nica a de barrid barrido o MEB (SEM (SEM Scanning Scanning Electron Electron Microscop Microscope): e): Esta Esta
técnica aplicada a la evaluación de las superficies de fractura nos permitirá identificar y entender los mecanismos de daño presentes, visualizando el comportamiento mecánico del material y muchas veces siendo determinantes en el análisis de la causa raíz de la falla. En el microscopio electrónico de barrido, un campo magnético permite enfocar los rayos catódicos (electrones) y obtener una imagen tridimensional, por el examen de la superficie de las estructuras, permitiendo la observación y la caracterización de materiales orgánicos e inorgánicos, proporciona aumentos de 200.000 diámetros.
Instalación completa
Incidencia del Haz electrónico en la superficie
Comparación funcionamiento
Un haz delgado de electrones, es producido en la parte superior del microscopio por medio del del calentamie calentamiento nto de un filamento filamento metáli metálico co (10-30 KV). El rayo rayo de electrone electroness primarios sigue un recorrido a través de la columna de vacío del microscopio, esto, con el propósito, de evitar la dispersión de los electrones. El trayecto del haz de electrones es enseguida modificado por un conjunto conjunto de bobinas deflectoras deflectoras que lo hacen recorrer recorrer la muestra punto por punto y a lo largo de líneas paralelas (barrido), y a su vez atraviesa las lentes condensadoras o electromagnéticas que le permiten ser reenfocado o centrado hacia la muestra. Posteriormente, el diámetro del haz de d e electrones puede ser modificado al pasar por las lentes objetivas que controlan la cantidad de electrones dentro de este. Cuando los electrones primarios golpean la muestra, son emitidos electrones secundarios por el propio espécimen. Estos electrones electrones secundarios secundarios son atraídos atraídos por por un colector colector donde se se aceleran y se dirigen al escintilador, donde la energía cinética Es convertida en puntos de mayor o de menor luminosidad, es decir, en luz visible. Esta luz es dirigida a un amplificador donde se convierte en señal eléctrica, eléctrica, la cual pasa a una pantalla de observación observación donde la imagen es formada línea por línea y punto por punto. Los circuitos que dirigen las bobinas de barrido (que obligan al haz a barrer la muestra), son las mismas que dirigen la parte de colección c olección de electrones y que producirán la imagen. El MEB tiene una resolución de 10 nm y una profundidad profundidad de foco de 10 mm, mucho menor que el microscopio electrónico de transmisión. La ventaja del MEB es que
proporciona imágenes tridimensionales. Las muestras deben ser preparadas (mediante tratamientos específicos específicos y recubrimientos en caso que el material no sea conductor) Comparación de la imagen de una fractura por clivaje obtenida por microscopio de luz (a: campo luminoso lumino so y b: campo oscuro) oscuro) y MEB MEB (c y d). d). Mue Muest stra ra Fe - 2.5S 2.5Sii so some metitido do a impa im pact ctoo a -195 -195 ° C. C. (a (a y c) x 12 120. 0. (b y d) x 240.
3.1. 3.1. Modos Modos de fractur a
La Fractura Fractura en aleac aleaciones iones de ing ingenierí eniería a se ppuede uede producir producir transg transgranul ranularmente armente (a través través de de los gran granos) os) o un inte intergr rgranu anular lar (a (a lo largo largo del del lím límite ite de de grano) grano).. Sin emba embargo rgo,, independienteme independientemente nte de la trayectoria trayectoria de la fractura, hay esencialmente cuatro cuatro modos de fractura: fractura: hoyuel hoyuelos, os, clivaje, clivaje, fat fatiga iga y desc descohesi ohesión. ón. Cad Cada a uno de estos estos modos modos tiene tiene una fractura características características aspecto de la superficie y un mecanismo mecanismo o mecanismos mecanismos por los que la fractura se propaga. propaga. La mayor parte de los mecanismos propuestos propuestos para explicar explicar los diferentes modos modos de fractura se se basan a menud menudo o en interacciones de dislocaciones, la activación activación de deslizamien deslizamientos tos comp complejos lejos y relaciones relaciones cristal cristalográ ográficas ficas.. 3.1.1. Rotura por hoyue hoyuelos los o micromicro-huecos huecos ("dimples")
Cuando la sobrecarga es la causa principal de la fractura, las aleaciones estructurales más comunes fallan por un proceso conocido conoc ido como como coale coalesce scencia ncia micro-huec micro-huecos. os. Los micro-hueco micro-huecoss se nuclea nuc lean n en region regiones es cercan cercanas as a dis disco conti ntinu nuida idades des,, tal tales es com comoo segundas segun das fases fases,, partícul partículas, as, inclus inclusiones iones,, límites límites de grano, grano, disloc dis locaci acione oness de api apila lamie miento nto.. A medida medida que que la tens tensión ión en en el material aumenta, aumenta, los micro-huecos crecen, crecen, se unen, y, finalmente, finalmente, forman una una superficie superficie de fractu fractura ra contin continua. ua. Este Este tipo tipo de de supe superfic rficie ie de fractura fractura presenta presenta numerosas numerosas depresiones en forma de copa que son el resultado directo de la coalescencia de micro-huecos. Las depresiones en forma de copa se se denominan hoyuelos, y el modo de fractura fractura se se conoce conoce com como o rotura rotura por hoyu hoyuelos. elos.
Influencia de la dirección del esfuerzo máximo (σ ). En la forma de hoyuelos formados por la coalescencia de micro-huecos
El tamaño del hoyuelo en una superficie de fractura se rige por el número y la distribución de micro-huecos que son nucleados. nucleados. Cuando los sitios de nucleación son pocos y muy espaciados, los micro-huecos crecen hasta un tamaño grande antes de la coalescencia coalescencia y el resultado es una superficie de de fractura que contiene contiene grandes hoyuelos. hoyu elos. Los hoyu hoyuelos elos pequeños pequeños se fo forman rman cuando cuando se activan activan numerosos numerosos sitios sitios de nucleación y los micro-huecos adyacentes se unen antes de que tengan la oportunidad oportunidad de crecer a un tamañ tamañoo mayor. mayor. La prese presenci ncia a de extre extremad madame amente nte pequ pequeño eñoss hoyuel hoyuelos os se encuentran a menudo en los materiales reforzados por dispersión de óxidos. La dist distribuc ribución ión de los los sitios sitios de nucle nucleación ación de los micro-huec micro-huecos os pu puede ede influir influir significativamente significativamente en el aspecto de la superficie superficie de fractura. En algunas algunas aleaciones, la distribuci distribución ón no unifo uniforme rme de las partícul partículas as que favorece favorecenn la nucle nucleació ación, n, el proceso proceso de nucl nu clea eaci ción ón y el crec crecim imie ient nto o an antitici cipa pado do de mic micro ro-h -hue ueco coss aisl aislad ados os du dura rant ntee el cic ciclo lo de de carga carga producen producen una superficie superficie de fract fractura ura con varios varios tamaños tamaños de hoyuel hoyuelos os (ver (ver
figura). Cuando los mi micr croo-hu huec ecos os se nu nucl clea ean n en en los los lími límite tes de grano. grano. (ver (ver Figura Figura), ), resultará una rotura por hoyu hoyuelos elos intergranul intergranular. ar.
Ejemplo Ejemp loss del del modo modo d ruptura por hoy oyu uelos. (A) Hoyuelos grandes y peq peque ueños ños,, ac acero ero pa para ra herra rami mieentas mar martemp mpe e ed tipo 234 para disco de sierra. Los hoyuelos extremadamente pequeños en la pa part rtee su supe peri rior or iz izqqui uier er a se han nucle nucleados ados por por num numeros erosas as partíc partícula ulass muy próximas entre sí. (D.-W. Huang, Instituto de Minería de Fuxin, y C. R. Br Brooks, Universidad de Ten nesse). (B) Las inclusiones de sulfuro grandes y pequ ñas en el acero sirv rven en como sitios de de nu nucleaci ón de los micro-v micro-vacios. acios. (R. D. Buchheit, Battelle Co Colum bus Laboratories)
Ruptura intergranular po por hoy hoyuelo ueloss en una prob probeta eta de ace acero ro resu resulta ltante nte d la coalescencia de microhuecos en los límites límites de grano.
La forma de los hoyuelos se rige por el estado de te nsión dentro del material que da la forma a l s mic microro-hue hueco coss y gob gobier ierna na la forma forma en en qu quee se un unen en.. Cu Cuan ando do la frac fracttura ura se des desarro arrollllla por una ca carga rga de tracc tracción ión uni uniax axial ial,, la formación de hoyuelos esencialmente será equiaxial delimitadas por un labio o llanta (ver figura inicial). Dependiendo de la icroestructura y la plasticidad del material, los hoyu hoyuelos elos pued pueden en exhibir una muy profunda forma cónica o puede ser bastante poco profunda. La forma ormaci ción ón de hoy oyue uelllos los poc poco o pro profu fund ndos os pu pued ede e imp implilica carr qu quee la unión de micro-huec micro-huecos os porr ciza po cizallllam amie ient nto o a l largo largo de las banda bandass de deslizamie deslizamiento. nto.
Diferentes titipos de de ho hoyu elos fo forma mad dos du durante la la co coalescencia de de mi micro- huecos. (A) cónicos equiaxiales de un resort de acero. (B) hoyuelos hoyuelos poco profundo profundoss de una muestra de acero martensítico
Tipos de estados de solicitación ( ) En el modo I, desgarro por tra ción, los hoyuelos son equ quia iaxi xial ales es y se fo form rman an en am amba bass su supe perf rfiicies de la fractura. ( ) En el el modo modo II, II, ciz cizal alla ladu dura ra,, los los hoyu hoyuel elos se alargan apuntando en direccion direcciones es opuesta opuestass en cada cada superfi superfici cie de fractura. ( ) En el modo III, rasgado por cizallamiento, los hoyuelos se allargan ap apuntando en en direcciones co coinci entes en cada superficie de fractura Las superfici s de fractura que resultan de los es ados de solicitación por desgarro (modo I) o por cizallamiento (Modos II y III) presentan hoyuelos alargados. Un hoyuelo alargado tie tiene ne un eje más largo largo y un un ext extrem remoo está abierto; es decir, el hoyuelo no está co mpletamente rodeada por un labio o llant anta. a. En el cas caso o de una fractura con ho hoyuel s tipo de lágrima, los hoyuelos alarg dos en ambas caras de fractura están orientadas en la la misma dirección; y los ex extre os cerrados apuntan a la origen de la fractura.. Esta característica de los hoyuelos de esga esgarro rro se pued puedee utilizar utilizar para pa ra esta establ blec ecer er la irección de propagación de fractura. na fractu fractura ra de es esfue fuerzo rzo cortante, sin embargo, presenta presenta hoyu hoyuelos elos alargados alargados que apuntan en direcciones opuest opu estas as en las cara caras de la fractura.
Formación Formaci ón de hoyuelos hoyuelos alargados. alargados. (a) (a) fractura por desgarr desgarro. o. (b) Fractura Fractura por Cizallad Cizalladura ura
Hoyuelos alargados Hoyuelos alargados formados en las superficies superficies de fractura fractura de cizallamiento cizallamiento y por torsió torsión. n. (A) fractura por cizal cizallamient lamientoo de de un tornil tornillo lo de de titanio titanio comerci comercialmen almente te puro. puro. (B) Mayor aument aumento o muestra hoyuel hoyuelos os uniformemente unifor memente distri distribuidos. buidos. (C) (C) hoyue hoyuelos los rasgados rasgados en torno a la la superfi superficie cie de un alambre alambre de cobre cobre de una sola sola hebra fractura fracturada da por torsió torsión. n. (D) Mayor aumento, aumento, hoyuelo hoyueloss alargados alargados
Debido a que las fracturas fracturas reales rara vez se producen producen por tensión o esfuerzos cortantes puros, las diversas diversas combinaciones combinaciones de modos de carga I, II, y III, III, como el ca cambio mbio cconst onstante ante en la orientació orientación n del plano de propagaci propagación ón de la fractura, fractura, resultan resultan en esta estados dos de te tension nsiones es asimé asimétrico tricoss de las superfic superficies ies conjuga conjugadas das de fractura. fractura. Con Con las diferentes diferentes combinaciones combinaciones de modos I,I, II, y III, se podrían podrían dar hasta 14 variaciones de formas formas y orientac orientación ión de de los hoyu hoyuelos elos en las super superficies ficies de fractur fracturaa conju conjugadas gadas
Para la formación de hoyuelos se ha demostrado que es necesaria la presencia de partículas de nucleación en el material.
3.1.2. Rotura por Clivaje livaje ("Clevage")
La rotura rotura por por Clivaje Clivaje es un una a fractura fractura de baja baja energía que se propaga a lo largo de planos cristalográficos de bajo índice bien definidos conocidos como plan planos os dde e clivaje. clivaje. En teoría, teoría, las dos dos superficies superficies con onju jug gad adas as de un unaa rot otur uraa po porr cliv clivaj ajee de debbe en enccajar ajar perfec perfectam tament ente, e, sie siendo ndo tot totalm alment entee pla planas nas y sin rasgo rasgoss distintivos. Sin embargo, las aleaciones de ingeniería son so n po polilicr cris ista talilino noss y co cont ntie iene nenn lími límite tess de gran grano o y subgrano, inclusiones, inclusiones, dislocaciones, dislocaciones, y otras imperfecciones imperfecciones que afectan afectan el modo en que la fractura se propaga. Estas imperfecciones y cambios en la orientación red crista cristalin lina, a, tal tales es com como o la pos posibl ible e fal falta ta de corr corresp espon onden dencia cia de de los pplan lanos os de bajo bajo indic indicee (plano (planoss de de cliv clivaje aje)) en los lím límite itess de de gran grano o o sub subgra grano, no, produc producen en marcas marcas caracterí característica sticass en la superfi superficie cie de de fractu fractura ra de de clivaje, clivaje, tales como esca escalones lones de clivaj clivaje, e, figura fig ura de ríos, ríos, marcas marcas de plu plumas mas,, marcas marcas tip tipo o "Chev "Chevron ron"" (es (es un pat patrón rón tip tipo o "V" "V" o espina de pescado) o lenguas. Como se se muestra muestra esquemáticamente esquemáticamente en la Figura, las fract fractura urass por cliv clivaje aje con frecu frecuenc encia ia se inici inician an en mucho muchoss pla planos nos de de clivaj clivajee parale paralelos los.. A
medida que avanza medida avanza la fractura, fractura, sin embargo, embargo, el número número de planos planos activos activos disminuye disminuye por un proceso de unión que formará escalones progresivamente progresivamente más altos. Esta Esta red de pas pasos os de cliv clivaj aje e es co cono noci cida da com omo o pat patró rón n o fig figur uraa de río. río. De Debi bido do a que que las las derivaciones del patrón de río río se unen en la dirección de propagación propagación de las grietas, grietas, estass marcas pueden esta pueden utilizarse utilizarse para establecer establecer la dirección dirección de propagación propagación..
MARCAS CARATERÍSITCAS CARATERÍSITCAS CHEVRON ("V" o espina de pescado)
Las flflechas in indican el origen de la falla (el vertice de la "V" apunta hacia l origen.
Fractura Fractura en Acero 4340 emplado sometido a impacto
Fractura en Fundición
PATRON TIPO "RIOS" Formac mació iónn de la rotur rotura a po porr cli cliva vaje je (esquemático) mostrandose el efecto de los límites de subgranos. (a) Lí Límite de inclinac inació ión. n. (b) (b) Lím Límititee de la tor edura
Existe un límite de inclinación cuando planos pri cipales cipales de clivaje clivaje de de dos gr nos o subgranos co tinuos forman un pequeño án ángulo co con a un eje común paralelo a la int rsec rsecci ción ón.. En eest stee caso caso la ractura prácticamente no presentará interrupciión, ión, sin sin emb embar argo go,, cu cuan ando do el plan plano o pri princ nciipal de clivaje esta rotado respecto un eje per endicular al lími mitte de gran rano o subgran , se pro produ ducce una torsi orsióón
en la propagaci propagación ón de de la fractura. fractura. Cuan Cuando do hay hay una una desal desalineac ineación ión significat significativa iva de los planos pla nos de cliva clivaje, je, la frac fractur tura a se propag propaga a con la pres presenc encia ia de de pequ pequeño eñoss (bajo (bajos) s) escalones escalones de clivaj clivaje. e. A medida que que la fractura fractura se propaga propaga alejá alejándos ndosee de los lím límites, ites, numerosos numerosos planos planos de de clivaje clivaje se unen, unen, lo que resulta resulta eenn un menor menor número número de plan planos os de clivaje clivaje y escalones escalones mayo mayores res (altos). (altos). La mayorí mayoría a de los límites límites son una combi combinació naciónn entre inclinación y torcedura.
Ejemplo de torceduras torceduras de los planos planos de propagaci propagación ón de clivaje clivaje y escalon escalones es y ríos en una aleación aleación Fe0.01C0.24Mn-0.02Si que fue fracturado por impacto "Ríos" en acero acero A508 (C0.22, (C0.22, Ni0.62, Ni0.62, Cr0.13, Cr0.13, Mo0.56). Mo0.56). Visualizar las líneas de desgarro (áreas claras) entre los planos paralelos de clivaje.
No debe confundirse este patrón que corresponde a la formación de una fisura con el de propagación del conjunto de fisuras en el material (ver en resumen) que también tiene forma de ríos pero se ramifica al avanzar en función de la carga aplicada (ver resumen)
OTRAS FIGURAS: LENGUAS Y PLUMAS Presen Presencia cia de de "lengu "lenguas" as" (ver flecha flechas) s) en la la supe superf rfic icie ie de frac fractu tura ra por por cli cliva vaje je de una una soldadura de un acero 30% Cr. Las lenguas se observan ocasionalmente en cliv cl ivaj aje e cu cuan ando do la fr frac actu tura ra se de desv svía ía de dell plan pl ano o de co cort rte e y se pr prop opag aga a po porr un una a distancia dista ncia corta con una orientac orientación ión doble. doble.
(A)marc (A)ma rcas as tip tipo o pl pluma uma en en un solo grano de un metal de soldadura de acero al cromo que qu e fal falló ló po porr cl cliv ivaj aje. e. (B (B)) escalones de clivaje en una alea al eaci ción ón de CuCu-25 25% % en Au qu que e falló porr po stressst s-ccorr rro osion crakin cra king g tran transgr sgranul anular. ar.
Fractura Fractura por Clivaje Clivaje en la intersecci intersección ón de los planos planos {1 0 0} en Cr (bcc ) sometido sometido a tensiones tensiones de rodadura (tensiones de Hertzian) desarrollando triaxialidad en el material.
3.1.3. Rotura por Fatiga
Es la fract fractura ura resu resulta ltante nte de de la aplicación aplicación de una una carga carga repetit repetitiva iva o cíclica. cíclica. Se produc producee general generalment mentee en tres tres etapa etapas: s: inicia iniciació ción, n, propa propagac gación ión (mayor longitud), y fractura catastrófica. La superficie de fractura de un componente fallado por fatiga es generalmente plana, sin evidencias de grandes deformaciones plásticas macroscópicas. Puede ser normal o estar orientada a 45º respecto de la tensión aplicada. Si el espesor de la muestra es grande respecto de las dimensiones de la zona plástica en el extremo de la fisura, la fractura se propaga en un plano normal a la tensión aplicada. Cuando la zona plástica es comparable al espesor de la muestra, la fisura se propaga en un plano orientado a 45º de la tensión aplicada y de la superficie libre.
PRIMERA ETAPA: se produce principalmente por el agrietamiento debido a una regresión repetitiva de los sistemas de deslizamiento ( lanos de deslizamiento) activos en el metal. uele desarrollarse por los planos de de lizamiento más cercanos a los 45° de la áx áxima ima tensi tensión ón.. El crecim crecimien iento to de la la grieta está fuertemente influencia influ enciado do por la icroestru icroestructura ctura y tens tensión ión media media.. El 90% e la vida de fatiga puede serr con se consu sumid midoo en en la inic iniciació iación n de una una grieta grieta viab viables. les. La La rieta tiende a seguir los planos cr cristalográfic fic s, pero cambia de dirección en las dis ontinuidades, ontinuidades, tales como los límites de grano. Cu Cuan ando do hay hay gran grande dess ampl amplititud udes es de de de defo form rmac ació iónn plás plástitica ca,, las las grietas de fatiga p eden iniciar en los límites de grano. La I Etap Etapaa se ob obse serv rvaa normalmente en fracturas de baja tensión y ciclos de alta fre uencia y está ausente en ciclos de baja frecuencia y altos valores de tensión.
Típica superficie de fra tura de la eta tap pa I. La superfi rficie de fra fractura está compue compuesta sta po porr face facetas tas,, a menu me nudo do se asem asemej ejan an a llas las de cliv clivaj aje, e, y no pres presen enta tan n las las ccon onoc ocid idas as "lin "lin as de fat fatiga iga"" (A) Superfi Superficie cie de Fractur Fracturaa tipo tipo Cliva Clivaje je de l a I Etapa una aleación de Ni-14Cr-4.5Mo-1 Ti-6 l-1.5Fe-2.0 (Nb + Ta) fundida. (B) Su S uperficie de fractura tipo tipo esca escale lera ra de la I Etapa Etapa en una alea aleaci ción ón de ba base se coba coballto fu fund ndiida ASTM ASTM F75
SEGUNDA ETAPA: La ma mayyor parte de una fra fractura por fatig tigaa se com compon ponee de llaa II Etapa, que se produce generalmente por la fractura tr nsgranular y está más influenciada por la agni agnitud tud de la tensión tensión aaltern lternativa ativa que or la tensión media y la microestructura. La su supe perf rfic icie ie de frac fractu tura ra su suel ele e pres presen entt r marcas de detención conocidos como estrías rías dde e fati fatiga ga o lílínea neass dde e pl play aya, a, que que so so n un registro visual de la posi po sici ción ón del del fre frent nte e de la la gri grie eta po porr ffat atig iga a dur dura ant nte e la la pro proppag agaación de la grieta a través el material.
la
Estrías de fatiga uniformemente unifor memente distri distribuidas buidas en una aleación de aluminio 2024-T3. (A) cresta con forma de lág ágri rima ma y la in incl clus usiión (re recctángul ulo o). (B (B)) Zona rectángulo anterior con mayor may or au aumen mento to,, mue muest stra ra continuidad de la trayectoria de la fractura a través de y alrededor de la inclusión.
Estría Estríass de fati fatiga. ga. (A) La estrías (flecha) (flecha) en la superficie superficie de fractura de un acero inoxidable austenítico. (B) estrías de fatiga en los lími límites tes de gran granos os dde e tantal tantalio io eenn la zon zona a afectada por el calor de una soldadura.
Hay básicam nt nte e dos dos mode modelo loss que que se han han pro propu pues estt para explicar la II Etapa de pro propa paga gaci ción ón de la fatiga. Uno se basa en suavizado por deformación plástica del vértice de de fisura. E te mo mode delo lo no pu pued ede e exp explilica carr la au aussen ia de estrías cuando un metal es ensayado n vacio y no predice adecuadamente la coincidencia pico a pico y vallllee a val va valle le de de la la dos mitad mitades es de de una fractura. fractura. El otr otr modelo se basa en el deslizamiento en el vértice de fisura. La concentración de t ensiones en la fisura por fatiga resulta en la eneración de una pequeña zona con deformación plástica en el vértice de la fisura, mientras mientras que que el resto del materia materiall est está sometido a una carga elástica. Como se uest uestra ra en la Figura, Figura, la grieta grieta se ab abrre durante el crecimiento ascendente de la te nsión en el ciclo de carga, mediante el deslizamiento por planos de deslizamiento alt rnativamente. A medida que avanza el eslizamiento, la punta de la grieta se suaviza por deforma deformación ción,, pero pero vuelve vuelve a afil afilars ars por la reversión parcial durante la descarga del ciclo de fatiga. Esto resulta en un e fuerzo de compresión en la pu punt ntaa de de la grie grietta deb debid ido o a la rela relaja jacción ión de de la las ten tensi sioo es de tracción elásticas residu residuale aless ind induci ucida da en la po porc rció ión n no no fis fisur urad ada a del del mat mater erii l. La grieta no vuelve a cerrarse (soldarse), ya que las nuevas superficies de deslizamie amient ntoo creada creadass durant durantee la apertura de la fi ura por desplazamiento se oxidan al instante, lo que hace la inv inversi ersión ón com compl plet eta a del deslizamiento improbable.
Mecanismo de propagación de la fisura por deslizamiento alternativo en el vértice de la fisura (se simplifica simpli fica para para visualiza visualiza los con conce cept ptos os bá bási sicos cos). ). Avan Avance ce de de la fisu fisura ra p r deslizamiento en los planos alternativos de desliza iento y romper la punta embota embotamiento miento por deslizamiento en planos de alternativos de deslizam ie ien nto po porr el au aume ment nto o de de la la ten tensi sión ón de tr trac acci ción ón.. La gr grie ieta ta se ci cierr erra a y se afi afila la nuevamente por la rev rs rsió ión n parc parcia iall del del de desl sliz izam amie ient nto, o, ta tamb mbié ién n gen gener er do por deslizamiento a través de pl plan anos os al alte tern rnat ativ ivos os d desliz deslizamiento amiento con el aumento de la tensión de ompresión.
Esquematización de las su supe perf rfiici cies es co conj njug ugad adas as de fr frac actu tura ra.. Las fl flec echa hass i dican la dirección de prop pr opag agac ació iónn de gri griet etas as.. ( A) Perfil de dientes de sierra en aleación de alu inio. (B) Mal formado perfil de dien di ente te de si sier erra ra en ac acer er . (C) (C) Per Perfil fil tip tipo o ranura ranura en ale aleaci ación ón de alu alumini minio o
En condicion s normales, normales, cada estría estría es el resultad resultado de un ciclo de carga y marc ma rcaa la la pos posic ició ión n d l frente de la gr grieta por fatiga en en el mo mo ento en que se formó la estría. Sin embargo,, cuando cuando hay una dismin disminución ución repentin repentin de la carga aplicada, la grieta puede detenerse rse tem tempo pora ralm lmen ente te,, y no se fo form rman an es estr trías. La grieta grieta reanuda reanuda su propagación sólo desp spué uéss de un cier cierto to nú núme mero ro de cicl ciclos os a la l tensión más baja. Este fenómeno de detención ión de la grie grieta ta se cree cree que que es es deb debid idoo a la l presencia de un campo de la residual de c mp mpre resi sió ón den denttro de la la zon zona a plá plást stic icaa n el vertice de la fisura producido luego del últ último imo ciclo ciclo de de fat fatiga iga de alt alta a tens tensión ión.. La propagación de la falla por fatiga y, por tan to, el espaciamiento de las estrías pue en ser afectado por una serie de variables, tales como las condiciones de carga, r sistencia del material, la microestructura, y ell medio ambiente, por ejemplo, la temperatura y la presencia de gases y fluidos corr sivos o fragilizantes. Considerando solament mentee las cond condicion iciones es de carga - que incluirí la tensión media, la tensión alterna y la frec frecue uenc ncia ia cícl cíclic icaa - la magnitud de la tensión sión alt alterna erna tien tiene e el el may mayor or efec efecto to so re el espaciamiento de estr es tria iaci ción ón.. E Ell aum aumen ento de la magnitud de la tensión alterna p roduce un aumento en el espaciado estriación. LA TERCERA ETA A: es la fase de propagaci propagación ón terminal terminal d una grieta por fatiga, se desplaza progresivame ment nte e por por los los mod modos os de de frac fractu tura ra es está tátiticca, po porr ho hoyu yuel elos os o cliv clivaj aje. e. La tasa de de crecimie to aumenta aumenta durante durante la Etapa Etapa III hast hastaa ue la grieta por fatiga se vuel vu elve ve iine nest stab able le y la pieza falla. Debido a que la propagación ción en la Etap Etapa a II IIII es está tá dominada cada ve más por los modos de fractura estática, es sensible a la micr mi croe oest stru ruct ctur uraa y a la te tens nsió ión n
Dife Diferen renci ciaa esqu esquemá emátitica ca ent entre re estr estria iacio cio es por fatiga dúctiles (a y c) y frágiles (b y d)
Patrón de Ch Chev evro ron n en la superficie de fractura de un eje de acero 1541 templado superficial por ind inducc ucción ión.. Los vér vértic tices es en forma for ma de V apunta apuntan n al punt punto o de inici iniciació ación n la ini inicia ciació ción n de marrcado po ma por la la flflecha en la la p rte sup superio eriorr de la fig figura ura.. El desarrollo por fatiga se visualiza en la región superior circular. Lueg Lu ego o al al pro produ duci cirs rse e la la sob sobre reca carr a, la fractura rápidamente se propaga creado el patrón de hevron en la región circular templada, pero no en el núcleo de mayor tenacidad (perlítico) con mayor rugosidad
3.1.4. Rotura por descoh descohe esión
La falla por desc he hesi sión ón ex exhi hibe be po poca ca o ning ningun una a de deform ormac ació iónn plá plást stica y no se produce por
hoyue hoy uelo los, s, cliv clivaj ajee o atiga. Este tipo de fractura es general ente el resultado de un entorno re reactivo o u a mi micro croest estruc ructur tura a única única y está está aso asocia ciadd casi exclusivamente con la rotura a lo largo de los límites de grano. Los límites de grano contienen los componentes de pu to de de fusión más bajos de nuestra aleación ción.. También También son lugres lugres propicios para la difusión y seg segre reg gac ació ión n de de el eleme ment ntos os tales ales como el hidrógeno, azufre, fósforo, antimonio, rsénico, y carbono; los iones haluro, tales como cloruros; así como las vías de pene enetra tració ción n de los met metale aless de baj bajoo pun punto de fusión, tales como galio, mercurio, cad io y estaño. La presencia de estos co stituyentes en los límites puede reducir significativamente la fuerza de cohesión del material en los límites y promover la ruptura por desco descohesi hesión. ón.
(A) descohesión po por Bo Borde de gra granos nos equi equiaxi axiale aless (B) des descohe cohesió sión n por una fase de límite de grano débil. (C) descohesión a lo largo de los bordes de grano alargados
La ruptura por descohesión no es el resultado de un roceso de fractura único, y pu pued edee ser ca cauusado por varios varios mecani mecanismos smos diferente diferentes. s. Los procesos descohesivos implican el debilita iento de los enlaces atómicos, la educción de la energía superficial requerida para ara la la de deforma ormacción ión loc loca aliz lizad ada a, la la pre pre ión de gas molecular, la ruptura de las películas protectoras, y la disolución anódica n los sitios sitios acti activos; vos; está estánn asociados a la fragilizac zación ión por por hidró hidrógen geno o y el stress stress corosi corosioo craking craking (SCC). (SCC).
Rupturaa por Ruptur por desco descohes hesió ió en un acero 8740 debido debido al embridamiento embridamiento por hidrógeno. La falla se debió al recocido seguido de un recubrimiento por cadmio, durante el cual no se liberó el hidrógeno. (A) Macro. (B) Mayor aumento revelándose l la falla intergranular
Acero Inoxidable ma m artensítico AISI 17-4 PH PH (endurecimi mie ento po por pr precipitación) de un balancín del tren de aterrizaje que falló debido a SCC intergranular
Creep Creep o Fluencia lenta: es un una a fal falla la dep depend endien iente te del del tiempo, que se produc producee ccuan uando do
un metal se somete a tensión durante períodos prolongados a temperaturas elevadas que son por lo general en el rango de 40 a 70% de la temp ratura de fusión absoluta dell meta de metal.l. Con Con poc poca as excepciones las fallas por fluencia lenta exhi exhiben ben supe superfici rficiee de fractura intergranular (las rupturas rupturas transg transgranu ranulares lares para este esta estado do de solicitaci solicitación, ón, en general resultan de alta altass tensio tensiones nes aplicadas aplicadas y fallan por un un proceso de formación de vací va cíoo-sim simililar ar a la d la co coa alesc lescen enccia de mi micro-h ro-hue ueccos de la rupt ruptur uraa po porr ho hoyu yuel elos os). ). Veremos en detalle este mecanismo cuando abordemos el COMPORTAMIENTO COMPORTAMIENTO EN SERVICIOS A ELE ADAS TEMEPERATURAS. 3.1.5. Roturas oturas únic s
Mecanismos ono onocid cidos os com como o cua cuasisi-cli cliva vaje je o fla flauta utas, s, xhib xhiben en un aspe aspecto cto único único,, y no se puede colocar fá fácilmente de dentro de de cualquiera de de los principales modos e fractura vistos. Debido a que pueden producirse en las lea leacio ciones nes com comune uness baj bajoo ciertas condiciones e falla, éstas fracturas se se discutirán bre emente. CUASI-CLIVAJE: presenta características tanto de clivaje deformación plástica. El término cuasi-clivaj no describe describe con precisión precisión la fractura fractura, ya que implica que la fractura se parece, ero no es, de clivaje. Se inicia en las fa etas cent centrales rales de clivaje; clivaje; al desarrollarse la g ieta, los planos de clivaje se combinan co conn zo zona nass de rupt ruptur uraa po por r hoyuelos, y los escalones de clivaje se continúan en la las cr crestas de los hoyu hoyuelos elos tipo lágrimas. En los aceros eros,, las las fa face ceta tass de de cli clivvaje aje de de la la frac fractt ura cuasi-clivaje ocurren planos {100}, {110} y {11 {112} 2}.. E Est ste e tér térmi mino no se ap aplilica ca a u a variedad de tipos de frac fractturas uras y se se ha observado en los aceros, incluyen o los los en endu dure reci cido doss po por r enfriamiento rápido y tem empl ple e, en end dure urecido cidoss po porr prec precip ipititad ad s, y aceros inoxidables austeníticos; aleaci nes de titanio; aleaciones de níquel; e incluso aleaciones de aluminio. Las condi iones que impiden la deformación plástica (ej: la triaxialida triaxialidadd en una entalla, fragiliz ción por hidrógeno, corrosión bajo tensión, alta velocidad de aplicación de carga) prom promue uevven la frac fractu tura ra po porr cu cuas asii-cl cliv ivaj ajee, y materiales materiales que suele suelenn fallar por hoyuelos pasan a fallar por este e ste mecanismo.
Superficie de falla por Cuasi-clivaje acero 4340, planos de clivaje en la martensita presentando figuras tipo ríos separadas por las crestas de hoyuelos tipo lagrimas Imagen de de la falla falla en un acero acero HY 80 (2½Ni (2½Ni 1½Cr ½Mo) ½Mo) utilizado utilizado en recipiente recipiente a presión que contienen hidrógeno hidrógeno bajo tensión en el cual se han inducido pequeñas fisuras
Modelización de la superficie de Fractura por cuasi-clivaje a) muestra escalón de Clivaje combinándose con las crestas crestas de hoyuelos tipo lágrimas lágrimas b) estructura estructura de desgarro dentro dentro de los hoyuelos Falla por Cuasi-clivaje caracterizado por agrupaciones de planos de clivaje clivaje y hoyuelos (marcación (marcación))
Falla "ojo de pescado" en el material de aporte de una soldadura soldadura de acero acero ferrítico ferrítico por ataque ataque por hidróge hidrógeno no sometido a una carga aplicada cuasiestáticamente y temperatura temperatura ambiente. ambiente. Se distin distinguen guen dos áreas - al centro, centro,
la pupila, es un poro, i clus clusió ión n o una una pequ pequeñ eña a disc discon onti tinu nuid idad ad (es (es la ú nica imperfección asociada al "ojo de pescado". La sección circundante, el 'iris', se ha fracturado por el embridamiento por la presencia local de hidró eno con un modo de falla de cuasi-clivaje.
ESTRIADO. En esta topografía se visualizan ranuras a larg largad adas as o hu huec ecos os qu quee conectan planos mu distanciados de clivaje. (A) strías y planos de de cl clivaje result nte de una sobrecarga mecá ica de una aleación de Ti0. 0.35 35O O. (B) las las est estrías rías y los los planos planos de clivaje vaje resu resullta tant ntee de dell SCC en fase - alea aleaci ción ón reco recoci cida da de Ti-8 Ti-8Al Al-1Mo-1V en en meta metanol nol.. (C) (C) íde ídem m en el vacío. (D) (D) Las Las estrí estrías as se produ producen cen cerca de la entalla de la fra fractura en aleación recocida Ti-8Al-1Mo-1V sometida a fatiga en agua salada. salada.
Aunque las e trías trías no son hoyu hoyuelos elos alargados alargados,, son son ell resultado de un proceso de deformación plá tica. Las estrias son las mitades de hu ecos tubulares formados por la interseción planar del mecan mecanismo ismo de desliz deslizamien amiento to plana de intersección y tienen crestas de de desgarro sgarro en las caras de fr fractu actura ra opuest opuestas as. Las crestas crestas de desg desgarro arro se unen en la direc ión de de pro prop pagación de de la la fr fractura, ffoorm ndo una disposición que se asemeja a los patrones de río de clivaje. Aunque el estriado se ha observado principalmente en los sistemas metalicos hexagonal compa ta (HCP), tales como las aleaci ale acione oness de titani titanio y circ circon onio io,, ta tamb mbié ién n se se ha ha reg regist istrad rado en aceros inoxidables austeníticos tipo 31 fra fragiliz ilizad ados os po porr hid hidróg rógeno no.. Las Las alea aleacciones de titanio que tienen un rela relatitiva vame ment ntee alto contenido de oxígeno o de aluminio (alfa-estabilizadores) se fracturaron a temperaturas aturas criogénica criogénicass o por SCC media mediante nte strías. 3.1.6. Topogra opografí fía a d Rotura tipo desgarro desgarro
Este tipo de uperficie de falla se ha encontrado en ceros, aluminio, titanio y níquel bajo una v riedad de de cco ondiciones co como ssoobrec rga, embridamiento por hidrógeno y fatiga. Aleaciones α -beta Ti-6Al-4 Ti-6Al-4V V . (A) solución tratada y envejecida part partíc ícul ula as primarias alfa diam aproxim damente 10 micras en una mattriz de aproximadamente 70% en ma volu volumen men de α fina finass Widma Widmans nstä tätt tten en y .
(B) Fractografía de una aleación de Ti-6Al-4V β , fina microestructura martensítica Widmanstätten.
Aunque Aunque el mecanismo mecanismo dde e nucle nucleación ación y propag propagación ación ppreciso reciso no ha sido sido identifica ident ificado, do, la fractu fractura ra parece parece ser el resultad resultado o de un proceso proceso de desg desgarro arro microplástico que opera a escala muy pequeña (submicrónica). Las fracturas TTS no exhiben tanto la deformación plástica como la ruptura hoyuelo, a pesar de que se observan a menudo en combinación con hoyuelos. hoyuelos. Las fracturas fracturas se caracterizan generalmente por áreas o facetas relativamente suaves, a menudo planas, que por lo genera gen erall contien contienen en crest crestas as de des desgar garro ro fin finas. as. Puede Puede ser ser debido debido a la nuclea nucleació ciónn de micro-huecos espaciados estrechamente y el crecimiento limitado antes de la coalescencia, dando como resultado hoyuelos extremadamente poco profundos. Sin embarg emb argo, o, est esta a hip hipóte ótesis sis parece parece poc poco o probab probable, le, porque porque se obs observ ervan an a men menudo udo hoyuel hoy uelos os bien de desar sarrol rollad lados os en aleacion aleaciones es con carbur carburos os uni unifor formem mement entee dispe disperso rsos, s, como el acero acero HY-130, HY-130, y porque esta fractur fractura a se observa observa bajo diferen diferentes tes estados estados de tensión.
4. ESTUDIO APL ICA DO DE FALLAS POR FRACT FRACTURA URA
Siguiendo en el análisis isis inte integr gral al y situ situad ado o de FRAC FRACTU TURA RA como una de las categorías de falla, el desarrollo de na fisura en el espesor del material presentará recorridos que depend dep enderá eránn fuert fuerteme emente nte de la magnitud del estado de tensiones. La velocidad de avance será será una cara caract cterí eríst stica ica dde e l a severidad de acción del mecanismo de daño presente.
Cambio en la bifurcación grieta on magnitud de la carga y la velocidad de propagación de las grietas. (A) La baja velocidad (carga baja) y alta tenacidad. (B) Una velocidad más alta (mayor carga) y alta tenacidad. (C) de alta velocidad (carga alta) alta) y baja baja te tenaci nacidad. dad. (D) Un Un velocidad más alta (mayor carga) y baja tenacid tenacidad ad.
El propósito último de la Fractología y los otros métodos de aná anális lisis is de de falla falla eess la determinación (técnica) de la causa raíz que suele darse por varias condiciones como el uso u operación inapropiada, alla alla en la la fab abri riccación ción,, dis dise eño ina inaddec ecuu do, inadecuado o pobre manten man tenimi imient ento o o repara reparació ción o una combinac combinación ión de los ante anteriores riores.. La Fractología Fractología provee de una herram herramien ienta ta únic únicaa par par determinar los factores causantes de la falla como ser: · El ma material fue utiliz do por por enc encim ima a de de las las exi exige genc ncia iass imp impue uesstas por el diseño · La pieza no tenia las propiedades asumidas en el diseño · Una dis disco cont ntin inui uiddad fue los suficientemente suficientemente critica para causar la falla Las sig siguie uiente ntess tabl tabla a hace hacen n una introduc introducción ción desd desde e el punt de vista macroscópico y microscópico a las características presentes en las superficie de fr ctura. Veremos con más detalle detal le las caracter característi ísticas cas de la falla dúctil y frágil, del estado monótono (sin variación) de carga y cíclica (de fatiga). implificando, diremos: · Estado Estado mon monóto ótono no v fa fatitiga ga:: las las ma marc rcas as de play playa a indi indica can n fa fatt iga, pero su ausencia no confirma que sea un estado monótono de solicitación. · Dúctil vs frágil, m croscópicamente: croscópicamente: macroscópicamente macroscópicamente la fractura dúctil revela cambios de la la se secci n transversal de la parte de la fractura /o la presencia de labios de cor corte te.. La fra fract ctur ur frágil ma macroscópicamente es es pe perpendicul cular ar a la direcc dirección ión de la carga principal y no tien tiene e evid eviden enci cia a de de defo form rmac ació ión n ante anteri ri r. Macroscópicamente Macroscópicamente la fractura fractura pued puedee tene tene un una a apar aparien iencia cia mix mixta ta duc ductiltil-frá frágil gil.. Es Es más usual poder identificar la secuencia Frágil dúctil macroscópicamente, y más usual la secuencia dúctil frágil con un abordaje microscópico · Dúctil vs frágil, icroscópicamente: icroscópicamente: microscópicamente microscópicamente la fractura dúctil se caracteriza por el m do de de hoy hoyuel uelos os me media diante nte lla a co coale alesc scenc encia de micro-huecos. En el cas asoo de la frág frágilil puede ser clivaj clivaje e (tra (transg nsgranu ranular lar)) o fragil fragiliza izaci ción intergranular.
Tabla: Características Características Macroscópicas Macroscópicas de la superficie de fractura Marca o Indicación Distorsión visible Mueca o estría visible Orientación de la superficie de Fractura relativa a la geometría de la pieza o condiciones de carga Tanto fractura plana como labios de corte presentes Fisura poco abierta en la superficie Marcas radiales y marcas Chevron (Forma de "V") Líneas de Fisura secuenciales (Forma "U") "U") (en carga monoaxial) monoaxial) Líneas de Fisura secuenciales (Forma "U") (en carga cíclicas) Marcas de trinquete o saltos radiales Decoloración superficial o en la superficie de falla Línea (tipo arco circunferencia) de oxidación en la superficie de fractura Reflectividad de la superficie de fractura Rugosidad superficial
Desgaste generalizado Desgaste localizado Marcas dibujadas y rajas de rolado Marcas de mecanizado (generalmente normales al eje de la pieza) Rugosidad variable en el borde de falla
Implicancia Superación de la tensión de fluencia, deformación plástica y puede indicar inestabilidad (estricción, pandeo) o daño posterior a la falla Posible zona de iniciación de fisura · Ayuda a identificar los modos I, II, III · Identificación macrográfica de fractura dúctil y frágil Propagación de la fisura paralela a los labios de corte Modo mixto de fractura (embridamiento parcial) Posible carga cíclica Posible falla de fabricación (granallado, fisuras de temple, etc) Marcan hacia el sitio de iniciación de la fisura Muestran sentido de propagación de la falla Las líneas apuntan a la dirección de propagación Indican restricción a la deformación incompleta Indica el sentido de carga cíclica Propagación desde el centro de la curvatura La curvatura puede ser inversa en secciones circulares a medida que se propaga · Más probables e cargas cíclicas · Indican puntos de iniciación indicar ambiente corrosivo corrosivo · Puede indicar · Puede indicar elevada temperatura Posible sitio de iniciación de falla · · · · · · · · · · ·
Mate: fractura dúctil o carga cíclica Brillante: Brillante: posiblemente posiblemente de clivaje Facetada y brillante: intergranular con tamaño de grano grande Incremento de rugosidad en la dirección de propagación (puede afectarse en estados de flexión cuando se atraviesa zonas de compresión) · En cargas cíclicas, zonas suaves con zonas ásperas. · Fracturas mates y ásperas son dúctiles · Puede indicar la transición del crecimiento de la fisura de fatiga a sobrecarga · Puede indicar vibración · puede indicar la dirección final de separación · Patrón arremolinado indica torsión · Puede indicar fisura cerrada en cargas cíclicas · Puede borrar las marcas de playa Si están torsionadas indican torsión · · · ·
No están distorsionadas en torsión En fallas de flexión frágil, la cara rugosa es el lado traccionado
Tabla: Características Características Microscópicas Microscópicas de la superficie de fractura Marca o Indicación Superficie Superficie de Fractura Fractura por hoyuelo hoyuelo Superficie facetada de fractura
Implicancia Fractura Fractura dúctil dúctil por sobrecarg sobrecarga a en esa localiz localización ación · Fractura frágil por clivaje Posible SCC (Stress corrosion corrosion cracking) cracking) · Posible
Puede ser fatiga con bajo K Int Intergr ergranu anular lar con con suave suavess lím límite itess Posible inadecuado proceso térmico o fractura asistida por el de grano medio ambiente (alta temperatura de servicio, ambiente corrosivo) Menos os hab habitu itual, al, fat fatiga iga con baj bajoo K · Men Intergranular con hoyuelos en descohesión sión a una una temperatur temperatura a a una alta fracción fracción · Rotura por descohe límites de grano del punto de fusión fusión Posible falla inherente inherente con con una inadecuada inadecuada resistenc resistencia ia en la · Posible zona cercana al límite de grano Patr Patrón ón tipo tipo ríos ríos o aban abanic icos os Frac Fractu tura ra ppor or cli cliva vaje je,, la ffis isur ura a co corr rre e rio rio abaj abajo, o, los los ray rayos os del del aba abani nico co apuntan a la zona de iniciación en el grano Lenguas Deformaciones trenzadas durante la rápida propagación de la fisura Ranuras en una superficie de · ambiente corrosivo y fractura dúctil fractura transgranular · la fisura se propaga paralela a las estrías Fractura con líneas de crestas · Estriación por fatiga en cargas cíclicas. Un espaciado constante indica amplitud constante. un espaciado variable indica amplitud variable o bloqueo de la carga · Las líneas pueden ser causadas por una segunda fase en la microestructura Ranuras o rendijas · SCC · TGF (fractura transgranular) · ·
Factores Factores que influencian el el comportamiento de un material: material: Temperatura: Materiales con estructuras Cubicas Centradas en el cuerpo
presentan temperaturas temperaturas de transición transición de comportamiento comportamiento frágil. Veloci Veloci dad de apli apli cación de la carga: la deformación en materiales dúctiles de cuerpo cuerpo centrado, centrado, tien tiene e un retraso retraso respecto respecto a la aplicació aplicaciónn de la carga, por lo cual velocidades velocidades elevadas elevadas disminuyen el alargamiento y la estricción estricción originando un comportamiento frágil Tensiones internas : las tensiones internas pluriaxiales originadas por soldaduras, tratamientos térmicos, defectos, discontinuidades, pueden favorecer un comportamiento frágil. Estructura Cristalina: Estructura de granos bastos bastos favorecen favorecen un comportamiento frágil. carbono, el silicio, los gases Composición Química Química: Aumentan la fragilidad: el carbono, disueltos (Hidrogeno, (Hidrogeno, nitrógeno, oxigeno), las impurezas (azufre (azufre y fosforo) Aumentan la la ductilidad: el manganeso (además por ser ser desoxidante y desulfurante), el níquel (por su acción ligante y afina el TG) y el aluminio (afina TG y desoxidante). Deformación plástica anterior
4.1. 4.1. Estado Estado de carga
Según sea el sentido, intensidad, y velocidad de aplicación, el estado de carga influye en la morfología morfología de la fractura. Como Como vimos en la fractura de cuasiclivaje, cuasiclivaje, el estado de triaxialidad puede modificar el modo de fractura de hoyuelos a cuasiclivaje o intergranular, esto fundamentalmente puede verse en el inicio de la superficie de fractura y no siempre siempre en todo su desarrollo. Un cambio cambio de esta ccaracterística aracterística en el el estado de tensión, es el que se da en el vertice de una entalla.
Esquema que relaciiona el estado estado de de tensiones tensiones y la orientación orientación de la la s fallas asociadas
Car g a c u as i es t át i c a m o n axial axial de Tracción: racción:
Comportami Comport amient entoo bajo uunn estad estad de carga carga mono monoaxi axial al de tracció tracción. n. I) defo deformac rmaciión plástica plástica II)tipos II)tipos de falla: falla: a) Fractura frágil en estructura monocristalina y policristalina. b) Fractura de cizall adu adura ra dúc dúctil til en mono monocri crista stal.l. c) Fractura totalmente dúctil en policristal. d) fractura dúctil en policristal (copa-cono )
Desar esarro rolllo de dell est estad adoo de de sol soliicita cita ión mono monoaxi axial al de tracci tracción ón en fun funció ciónn de los pla plan n os de deslizamiento
4.2. Fractu ractura ra Dúct Dúctil il y Frágil
TEORIA DE LA PL STIC STICID IDAD: AD: Mi Mien entr tras as qu que e en el pe peri riod od elástico, el estado final depe de pend ndee de de la ca carg rga ini inicia cial,l, de de la carg carga a fifinal nal y defor deformac mació ión; en el proceso plástico (gobernado por el ovimiento de dislocaciones, plano deslizami lizamient entoo fcc (111); (111); bcc predominio (110)) el esta estado do fin final al depende depende del patrón patrón de carg carg de todo el proceso.
Es difícil hacer una descripción que englobe a las fracturas de modo integral o encuadre cada tipo de fractura en un modo determinado. Debido la complejidad y multiplicidad de mecanismos de rotura presentes es que preferimos referirnos a los cuatro modos de fractura (por hoyuelos, clivaje, fatiga, descohesión) que están presentes en la gran mayoría de las superficies fracturadas. Es también habitual encontrar la siguiente distinción entre rotura dúctil y frágil aunque debe leerse como una primer aproximación al estudio de falla. TIPO
DUCTIL
Defo De form rmac ació iónn
Rela Re latitiva vame ment nte e ele eleva vada da,, may mayor or al 5% Lo
Superficie de fractura
Velocidad de avance Plano de fractura Otros
FRA GIL
Muy peq Muy peque ueña ña o imp imper erce cept ptib ible le deformación antes de la fractura Fibr Fibros osa a o mat mate e o suav suave e seg según ún mat mater erial ial Granu Granula larr o cri crist stal alin ina a (br (brililla lante nte:: ggran ran reflexión a la luz). Pueden distinguirse facetas en aceros de grano grueso Sección Sección trasversal reducida generalmente generalmente Sin estricción en forma de cuello (estricción) Crecimiento Crecimiento de fisura fisura lento. lento. Fase de Crecimiento rápido de fisura (puede ser rotura de larga duración acompañado acompaña do con ruido). ruido). Fase de rotura breve a 45gr 45grad ados os de la dire direcc cció ión n de de te tens nsió ión n norm normal al a la dire direcc cció ión n de la te tens nsió ión n
Limite de fluencia muy distinto a la tensión de rotura Labios de corte suelen observarse en las áreas de terminación
Limite de fluencia próximo al de rotura Patrones tipo Chevron pueden observarse
A) Comportamiento Dúctil “La Ductilidad es una característica subjetiva subjetiva de un material.” material.”
Desarrollo comportamiento dúctil, falla central por hoyuelo y labios de cizalladura (planos de deformación).
La clásica fractura de copa y cono muestra tres zonas: 1) interior, plana y fibrosa, donde comienza. Tiene una tasa de crecimiento baja, es es fibrosa sin patrón definido o con crestas circunferenciales (indican crecimiento estable subcritico de la fisura que requiere alta energía) 2) radial intermedia. Se produce cuando el crecimiento se vuelve rápido o inestable. Marcan radialmente el sentido de crecimiento. Su apariencia puede ser fina (habitual en aceros de alta resistencia templados y revenidos) o gruesa (habitualmente cuando se somete a revenidos a mayor temperatura de estos aceros) dependiente del material y la temperatura del ensayo. 3) La exterior de labio de corte, donde la fractura termina. Es suave, y depende del estado de tensiones y material
1 2
3
Bulón de ASTM ASTM A490 (acero (acero de baja baja aleación aleación templado y alta resistencia)
Modificación de las áreas de fractura con distintas temperaturas de revenido
AISIS 4142 Templado Templado y distintas distintas temperaturas temperaturas de revenido Prob Probet etaa 1 2 3 4 5 6 7
Temp Temp reve reveni nido do (°C) (°C) 205 315 455 510 565 620 675
Rotu Rotura ra (MPa (MPa)) 1970 1730 1410 1250 1130 945 770
Elon Elonga gaci ción ón % 10 10 12.5 15 16 20 24.5
%Ra %Ra 39 43 47 54 58 63 66
B) Comportamiento frágil,
Fractu Fractura ra frágil frágil en zo zona na de bbrid ridaa de un semieje de acero SAE 1050 (0.50C, 0.95Mn,, 0.25Si) sometid 0.95Mn sometido o a flexión con alta velocidad de aplicación de la carga. El eje es laminado en caliente templado superficial por inducción (exterior
martensita 60HRc, interior perlita + ferrita 20HRc)
Zona de inicio de falla n sup superfi erficie cie ext exteri erior or temp templad lada, a, frac fracttura ura int inter ergr gran anul ular ar (gra (gra os originales de la austenita)
a) Zona transi transició ciónn b) sup superfi erficie cie interi interior or perlíti perlítico co ferríti ferrítiica, falla por clivaje.
4.3. Fac t o r es q u e m o d i fican el modo de Fractura Fractura
4.3.1 Alivio de tensiones luego de la sold soldadur adura: a:
Ensayo de tracción en piezas soldadas soldadas material: 42CrMo4 42CrMo4 (0.41C, 1Cr, 0.15Mo) a) y b) Sin alivio de tensiones, c and d) Alivio de tension tensiones es a 600°C por 20 minutos
4.3.2 Efecto del aum ento de temperatura: El aumento de la temperatura dentro de ciertos rangos a igualdad d otros parámetros de s licitación, aumenta la d ctilidad del material y por lo tanto, si la falla se d sarrolla según el modo d hoyuelos, a mayor temperatura desarrollará u aumento en los tamaños de los mis os. Aleación 0. 0.3C-1Cr-1.25 o-0.25V-0.7Mn-0.04P que se trata con calor a un nivel de resistencia a la rotura de 880 MPa (128 ksi). Hoyuelos Hoyuelos en las facetas intergranulares. intergranulares.
4.3. 4.3.3 3 Efe Efect ctoo de de la la ba ba ja temperatura (en BCC y HCP) Si bi bien la la di disminución de temp temperatu eratura ra pued puede e resultar resultar en l reducción del tamaño y profundidad de los hoyuelos en las estructuras fcc, las bcc uelen mostrar un cambio en el modo de fract ra de hoyuelos o intergranular a clivaje. En el ensayo de impacto (Cha (Charp rpy) y),, busca buscamo mo identificar la temperatura temperatura en la cual el comportamiento comportamiento del material (bcc y hcp) pasa de dúctil a frágil. También en este e sayo introducimos la velocidad de apllicación de la carga y la velocidad de defor ación en la probeta. El cambio de la elocidad de deformación impuesta es similar al cambio cambio que genera genera la modific modificación ación en el estado de tensiones pudiendo modificar el tamaño de los hoyuelos y hasta l modo de fractura, de hoyuelos a semicliv je o descohesión intergranular. Esta de endencia de la velocidad de deformación es ás sensible sensible en la estructu estructura ra bcc
a) Maquina Ensayo de C harpy b) Curva esquemática resultado del ensa yo
c) Esquema Fractura
temperatura En esta imagen se combinan la la máquina de ensayo, la curva resultante y las superficies de fractura fractura por clivaje, con baja energía absorbida (izq) y por hoyuelos, con alta energía absorbida (der) en un acero ferrítico ferrítico
AISI 1080 (acero (acero al carbono) carbono) (100% perlita) perlita) a) Ensayo a -125°C -125°C muestra rotura rotura 99% tipo clivaje, clivaje, las facetas facetas de clivaje son aproximadamente del tamaño de los granos previos previos de austenita. b) Ensayo a 125°C muestra rotura completa tipo hoyuelo
Fig. 70 Effect of test temperature on an AISI 1042 carbon steel with a slightly tempered martensitic (660 HV) microstruct microstructure ure that was was Charpy impact impact tested tested at -196 and and 100 °C (-320 and and 212 °F). The fracture fracture at -196 °C (320 (320 °F) consists consists entirely entirely of cleavage cleavage (a), and at 100 °C (212°F), (212°F), it is dimple dimple rupture rupture (b).
4.3.4 Efecto del Alivio de tensiones luego de la soldadura:
Superficie de fractura del acero 42CrMo4 (0.41C, 1Cr, 0.15Mo) sometido al ensayo de Charpy V-notch
a -50°C -50°C,, 20°C 20°C y 10 100° 0°C. C. a, a, b and and c) Sold Soldad adura ura sin sin Ali Alivi vio o de Tensi Tension ones es,, d, e, e, and and f) con con Al Aliv ivio io de de Tensiones.
4.3.5 Velocidad de enfriamiento en la ZAC (zona afectada por el calor) La velocidad de enfriamiento de la ZAC (motivo principal de evaluación para la temperatura de precalentamiento de la soldadura) afecta la microestructura, dureza, tenacidad y por ende superficie de falla. En la ZAC se desarrollan algunas microestructuras no favorables (ej: crecimiento de TG) principalmente en el caso de una única pasada de soldadura (no hay sucesivas pasadas que generen el revenido de las pasadas anteriores), presentándose la menor tenacidad. Esta velocidad de enfriamiento se se acelera acelera en los casos de reparaciones reparaciones en servicio donde el fluido interior acelera la pérdida de calor.
Fractografía del Ensayo de Charpy en API 5L X80 (0.06C, 0.19Si, 1.63 Mn, 0.16 Cr, 0.01 Mo) con dos velocidades distintas para pasar de 800°C a 500°C. a) t8/5 = 5.5 5.5 s; b) t8/ 8/5 5 = 15 15 s
4.3.66 Efecto 4.3. Efecto del espesor espesor en el ensayo ensayo en el estado estado de Tensiones Tensiones En el ensayo ensayo para para la determin determinación ación del ín índice dice de tena tenacida cidadd bajo un un estado estado planar de deformación (KIc) se visualiza como el aumento de espesor modifica el estado de tensiones y por tanto la respuesta del material. En este este ensayo se someten diversas probetas entalladas en "V" y fisuradas por fatiga (la fisura es producida y cuantificada antes del ensayo). Norma ASTM 399.
En este ensayo se verifica verifica que el espesor de la probeta modifica el estado de tensiones: de un estado planar de tensiones en las de bajo espesor a un estado de deformación planar en el caso de las de mayor espesor como se ve en las figuras.