Características de la superficie de fractura y su significado
Una superficie de fractura registra cómo viajó una grieta, y las marcas sobre ella pueden leerse a baja magnificación, bajo el microscopio y en sección transversal. Esta página recopila las características macro y microscópicas que la fuente tabula, lo que cada una implica, y las reglas para localizar el origen de una grieta a partir de la fractura misma.
Qué puede establecer una superficie de fractura
La fuente enumera seis preguntas que las características de una superficie de fractura responden entre sí. Leídas junto con la geometría de la pieza y el historial de servicio, llevan el análisis hasta donde se necesita el microscopio.
Dónde comenzó la grieta y hacia dónde fue
El sitio de iniciación y la dirección de propagación vienen primero, porque toda otra lectura depende de ellos. Los chevrones, las marcas radiales, las marcas de trinquete y la curvatura de las líneas de detención contribuyen.
Cómo se separó el metal
El mecanismo y la trayectoria, dúctil o frágil, transgranular o intergranular, con las características microscópicas nombrando el proceso.
Si la carga fue monotónica o cíclica
Las marcas de playa y las estrías lo resuelven cuando están presentes, y su ausencia no descarta la fatiga.
El ambiente
La decoloración, los productos de reacción, las flautas y los depósitos de corrosión registran a qué estuvo expuesta la superficie, antes y después de la fractura.
La restricción bajo la cual trabajó la pieza
Los labios de corte, la orientación de la superficie y si aparecen o no líneas de detención, describen cuán restringida estaba la punta de la grieta.
Si estuvo involucrada una imperfección de fabricación
Las muescas, las costuras, las marcas de mecanizado y las inclusiones quedan registradas en la fractura, y la cuestión de si una de ellas causó la falla es un paso aparte.
- Rara vez puede vincularse una característica a una causa única. El examen macroscópico por sí solo a menudo no es concluyente, y el examen microscópico sin la imagen macroscópica y microestructural puede producir una conclusión errónea. La fuente describe el método de trabajo como una serie de fotografías a magnificación creciente, cada una marcando la región que la siguiente fotografía amplía.
- La superficie de fractura solo registra la propagación de la grieta. Los eventos antes de que la grieta nucleara, como un cambio de forma por deformación previa, se manifiestan en la pieza alrededor de la fractura o en la microestructura alejada de ella, no en la cara de fractura.
Características macroscópicas
Visibles de 1 a aproximadamente 50 aumentos en la superficie de fractura, y el nivel al que normalmente se encuentra y marca el origen. La segunda columna es la implicación que la fuente da para cada marca.
| Marca o indicación | Qué implica |
|---|---|
| Distorsión visible | La deformación plástica superó el límite elástico, y puede apuntar a una inestabilidad como estricción o pandeo, o puede ser daño ocurrido después de la fractura. |
| Muescas o cortes visibles | Un posible sitio de iniciación de grieta. Observe la marca antes de decidir que la fractura comenzó en otro lugar. |
| Orientación de la superficie de fractura | Se interpreta en relación con la geometría del componente y las condiciones de carga. Ayuda a separar los tres modos de carga e identifica a escala macroscópica los modos dúctil y Fractura frágil. |
| Fractura plana junto con labios de corte | La grieta se propagó paralela a los labios de corte, y la apariencia mixta indica restricción incompleta. |
| Grieta firmemente cerrada en la superficie | Posible carga cíclica, y también una posible imperfección de procesamiento como daño por granallado o una grieta de temple. |
| Marcas radiales y chevrones | Las formas en v apuntan hacia atrás, hacia el sitio de iniciación de la grieta, y muestran la dirección de propagación de la grieta. |
| Líneas de detención por carga monotónica | Las formas en u se abren en la dirección de propagación de la grieta e indican restricción incompleta. |
| Líneas de detención por carga cíclica | Las marcas de playa o marcas concoidales indican carga cíclica, y crecen desde el centro de su radio de curvatura. En una sección cilíndrica la curvatura puede invertirse a medida que la grieta avanza. |
| Marcas de trinquete | Más probables bajo carga cíclica, y marcan el sitio o los sitios de iniciación donde se unieron varias grietas. |
| Decoloración de la superficie o de la fractura | Puede indicar un ambiente corrosivo, o una temperatura elevada que la superficie vio antes o después de la separación. |
| Uña oxidada | Una mancha de óxido en la superficie de fractura que puede marcar el sitio de iniciación de la grieta. |
| Reflectividad de la fractura | Mate apunta a fractura dúctil o a carga cíclica. Brillante apunta a clivaje. Facetada y brillante juntas apuntan a fractura intergranular en un acero de grano grueso. |
| Rugosidad de la fractura | La rugosidad aumenta en la dirección de crecimiento de la grieta, aunque la flexión puede invertir el patrón cuando la grieta avanza hacia la región de compresión. Una región lisa junto a una rugosa indica carga cíclica, una fractura rugosa mate es dúctil, y un cambio brusco de textura marca la transición del crecimiento por fatiga a la sobrecarga. |
| Frotamiento general | Puede indicar vibración, y puede mostrar la dirección final de separación. Un patrón de remolino indica torsión. |
| Frotamiento localizado | Puede indicar cierre de grieta bajo carga cíclica, y puede borrar marcas de playa que estaban allí antes. |
| Marcas de estirado deformadas y rayones de laminación | Una apariencia retorcida indica carga de torsión. |
| Marcas de mecanizado | Las marcas que corren normales al eje del componente no se distorsionan por carga de torsión, lo que separa la torsión de una carga de flexión. |
| Rugosidad variable a lo largo del borde de fractura | En flexión frágil el lado rugoso es el lado de tracción. |
| Artefactos, huellas de neumático | Común en cargas cíclicas y causado por partículas atrapadas entre las dos caras. Un artefacto, no un mecanismo. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), la tabla de características fractográficas a macroescala del artículo Fracture Appearance and Mechanisms of Deformation and Fracture.
Características a microescala
Se observan bajo el microscopio electrónico de barrido, normalmente desde unas 20 veces hasta 10.000 veces. Estas características nombran el proceso de separación en el punto donde ocurrió.
| Marca o indicación | Qué implica |
|---|---|
| Superficie con hoyuelos | Fractura dúctil por sobrecarga en ese lugar, por coalescencia de microvacíos. |
| Superficie facetada | Fractura frágil por clivaje, y también posible en el agrietamiento por corrosión bajo tensión o en fatiga de bajo delta K. |
| Intergranular, límites de grano lisos | Probablemente un procesamiento térmico inadecuado o una fractura asistida por el ambiente a alta temperatura o en un ambiente corrosivo. La fatiga de bajo delta K es una causa menos común. |
| Intergranular, límites de grano con hoyuelos | Ruptura decohesiva cerca del punto de fusión, o un procesamiento inadecuado que dejó una zona desnudada junto al límite de grano. |
| Patrón de río o abanico | Fractura por clivaje. La grieta corre por el río, y los rayos del abanico apuntan al sitio de iniciación dentro del grano. |
| Lengüetas | Deformación por maclado durante la propagación rápida de la grieta. |
| Estrías en una superficie transgranular | Un ambiente corrosivo junto con fractura dúctil. La grieta se propaga paralela a las estrías. |
| Superficie estriada o con crestas | Estriaciones de fatiga por carga cíclica. Un espaciado constante apunta a una amplitud de tensión constante, un espaciado variable a una amplitud variable o carga por bloques. Un aspecto estriado también puede provenir de segundas fases en la microestructura, por lo que las características circundantes deben concordar. |
| Surcos o estrías | Agrietamiento por corrosión bajo tensión. |
| Artefactos, grietas de lodo | Líquido secado sobre la superficie, lo que puede simplemente significar una limpieza incompleta. En la condición de recepción puede apuntar a fluidos de servicio y al agrietamiento por corrosión bajo tensión, por lo que el depósito debe analizarse. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, la tabla de características fractográficas a microescala del mismo artículo.
- La fractura intergranular es el caso más claro de una característica que apunta a una familia de causas en lugar de a una sola. Puede provenir del procesamiento térmico, de un mecanismo asistido por el ambiente o de fatiga de bajo delta K, por lo que la fuente la remite a un artículo dedicado.
- Los mecanismos que producen una fractura de aspecto frágil sin sobrecarga se recopilan en la página de tipos de fragilización del acero, y los seis modos de daño con sus firmas en cada escala se leen frente al gráfico de identificación de modos de daño.
Localización del origen
El origen es donde la tensión local superó por primera vez la resistencia local del material, y la ubicación suele ser predecible a partir del caso de carga antes de examinar la fractura. Luego se verifica dónde comienza la fractura contra esa expectativa.
| Caso de carga | Dónde se espera que comience el agrietamiento |
|---|---|
| Barra lisa bajo tracción axial, sin entalla | A lo largo de la línea central, a menos que esté presente un concentrador de tensiones superficial. Las regiones cercanas a la superficie y de la línea central son los dos candidatos, y la línea central gana cuando nada más eleva la tensión local. |
| Flexión en tres puntos | En el punto de momento flector máximo. Una grieta que comienza en otro lugar significa que una imperfección geométrica o del material desplazó la tensión máxima local. |
| Contacto de rodadura | Por debajo de la superficie, donde se desarrolla la tensión máxima. Un origen superficial en un contacto de rodadura generalmente significa que algo más está actuando, como una abolladura, una ruptura de la película de lubricante o una marca de manipulación. |
| Torsión | La orientación de la fractura y la forma en que las marcas de mecanizado sobreviven o se distorsionan separan la torsión de la flexión. |
| El procesamiento previo dejó tensiones residuales | El campo residual se suma o se resta a la carga aplicada, por lo que el origen se desplaza. Debe considerarse junto con la tensión aplicada y no por sí solo. |
Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, la sección de iniciación de grietas del mismo artículo, y el artículo de metalmecánica para las reglas del sitio de iniciación.
- La ramificación y bifurcación de grietas localizan el origen cuando la pieza se separó en más de una pieza y los chevrones son visibles. El patrón de ramificación se abre alejándose del origen, que es como una cara de fractura grande se reduce a un área para examinar de cerca.
- Una discontinuidad no es automáticamente un defecto. El material fabricado lleva imperfecciones, y una imperfección se convierte en un defecto de servicio solo cuando interfiere con la función y la vida esperada de la pieza. Si una falla en la superficie de fractura causó la falla, o simplemente estaba presente mientras algo más hizo el daño, es una decisión que el análisis cuantitativo resuelve.
- Esa distinción es lo que mantiene honesta una investigación de fallas, y se trabaja caso por caso en la página de análisis de fallas de herramientas y matrices. Los defectos que llegan a un banco en forma de barra se catalogan en la página de defectos de barras de acero.
Una grieta que ya estaba allí antes del servicio
El color de revenido o la cascarilla en una cara de fractura datan la grieta de un ciclo térmico en lugar de la carga. Cómo se distingue una grieta de temple de una grieta de servicio se expone en la página de agrietamiento durante el temple.
Una grieta que comenzó en una marca de mecanizado
Las marcas de herramienta rugosas, las marcas de estampado y las superficies electroerosionadas actúan todas como concentradores de tensiones, y la capa que deja una superficie electroerosionada se expone en el artículo sobre la capa blanca de EDM.
Cuando la fractura parece frágil y ninguna sobrecarga la explica
Ese grupo de fallas generalmente proviene de un cambio en el acero en lugar de la carga, y la ventana de temperatura detrás de él normalmente es visible en el registro del proceso.
Cuando la dureza superficial es parte de la pregunta
Las lecturas de dureza en el origen, en la superficie y en el núcleo son el ensayo más económico de la secuencia, y las escalas y su conversión se cubren en la página de métodos de ensayo de dureza.
Confirmar antes de cotizar
Esta página es una ayuda de lectura para referencia general. Una conclusión de fractura se basa en la pieza misma, su registro de fabricación y tratamiento térmico y su historial de servicio. Confirme el hallazgo con un examen metalúrgico antes de cambiar un grado o un proceso.
Las superficies de fractura se leen a varias magnificaciones en la práctica, y una conclusión extraída de una sola fotografía puede inducir a error. Mantenga la probeta y el registro juntos.
Páginas de referencia relacionadas
Solución de problemas de tratamiento térmico de aceros para herramientas · Por qué el acero para herramientas D2 se desportilla y agrieta · aceros para herramientas para resistencia al agrietamiento · Verificación de la calidad del acero para herramientas · Aceros para trabajo en frío · Suministro de acero para herramientas
Fuente: ASM Handbook, Volumen 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), artículo Fracture Appearance and Mechanisms of Deformation and Fracture de W.T. Becker y S. Lampman, las tablas de características fractográficas a macroescala y microescala y la sección de información sobre superficies de fractura. Datos de referencia solo para interpretación. Confirme el hallazgo en la pieza real. Aobo Steel suministra acero para herramientas en condición recocida.