Falla por fatiga en acero para herramientas

Por qué se inicia una grieta por fatiga donde nadie miró

Una falla por fatiga comienza en un lugar donde el esfuerzo local es mayor que el esfuerzo nominal en la sección, y crece bajo cargas cíclicas cuyo pico se mantiene por debajo del límite de fluencia del acero. La fractura resultante presenta dos zonas, una progresiva y lisa donde la grieta avanzó ciclo a ciclo y una final más rugosa donde se desgarró la sección remanente. El tamaño de la zona progresiva respecto a la sección es una medida directa de cuánta carga soportaba realmente la pieza, por lo que vale la pena fotografiar ambas zonas antes de cortar nada.

La ubicación del origen es la parte del análisis sobre la que puede actuar un taller de herramientas, porque casi siempre es un detalle que alguien produjo. Una ranura de mecanizado, una marca de estampado, un surco de rectificado, una esquina interior aguda, una inclusión, una capa decarburizada y un picado por corrosión son todos entallas, y una entalla multiplica el esfuerzo nominal por un factor determinado por su profundidad y su radio. La tabla siguiente enumera los sitios que la fuente analiza y empareja cada uno con la verificación de proceso que determina si debería estar ahí.

Dónde se inicia una grieta por fatiga en una herramienta, por qué ese detalle concentra esfuerzos, y la verificación que vincula el sitio con un paso de proceso. Compilado a partir de las secciones de identificación de fallas de la fuente.

Dos hechos sobre la cronología determinan el valor de la discusión. En fatiga simple, la iniciación de la grieta puede representar alrededor del 90 por ciento de la vida total, por lo que la pieza pasa casi toda su vida antes de que exista alguna grieta que encontrar, y un intervalo de inspección que en papel parece generoso puede ser la mayor parte de la vida. Cuando también hay fretting en el contacto, la iniciación baja a alrededor del 55 por ciento de la vida y el factor de reducción de resistencia sube a entre 2 y 5 o más, por lo que una unión que nunca fue diseñada para moverse es una forma tan eficaz de perder una herramienta temprano. El lado del fretting de ese par se cubre en desgaste por fretting en utillaje.

Marcar la pieza sin iniciar la grieta

Las marcas de identificación se aplican después de terminar la herramienta, y no forman parte del diseño, que es exactamente por lo que causan problemas. La fuente es directa sobre el orden de preferencia. Los caracteres en relieve son mejores que los hundidos, porque una marca en relieve agrega material en lugar de desplazarlo. Donde la marca tiene que ser hundida, se prefiere un proceso en caliente sobre uno en frío, y se prefiere una tinta de marcado sobre un lápiz de grabado eléctrico o un grabador vibratorio. Los tres de esos métodos de hundido siguen siendo menos agresivos que un estampado en acero en frío. Donde un estampado es inevitable, un estampado de bajo esfuerzo con los bordes agudos de los caracteres eliminados, o un estampado romo, hace el menor daño, particularmente cuando la impresión es leve, y el estampado pertenece a una zona de bajo esfuerzo conocida en lugar de junto a un acuerdo o un cambio de sección. Los caracteres con tramos rectos largos tienen la mayor tendencia a iniciar una grieta.

Métodos de marcado de identificación en el orden que da la fuente, del menos al más dañino para la superficie. Fuente, las reglas de marcado de identificación en el artículo Fatigue Failures.

Cuando el entorno interviene

La fatiga por corrosión es la combinación de una tensión cíclica y un entorno donde ninguno de los dos por sí solo agrietaría la pieza. Su firma práctica es un grupo de grietas pequeñas junto a la fractura principal, producto de corrosión compactado en la superficie, y un origen desgastado y decolorado porque la mitad de compresión de cada ciclo presionó las dos caras entre sí. En el acero al carbono las grietas a menudo comienzan en picaduras de corrosión hemisféricas, aunque la picadura no es un requisito, y la trayectoria suele ser transgranular con una pequeña cantidad de ramificación. El número de grietas es un discriminador útil. Varias grietas de fatiga por corrosión a menudo crecen lado a lado a lo largo de trayectorias paralelas, mientras que una grieta de fatiga mecánica puede iniciarse en varios puntos de la misma región pero uno de ellos se vuelve dominante antes de que la grieta haya avanzado mucho.

El orden de examen importa, y es fácil destruir la evidencia antes de leerla. El primer paso que da la fuente es extraer la superficie de fractura con cinta de acetato de celulosa o un material plástico de réplica, para que cualquier depósito quede capturado para su análisis posterior. La pieza se limpia y desengrasa luego en un tanque ultrasónico con acetona de grado reactivo, porque la acetona elimina el residuo de acetato de celulosa y también disuelve la suspensión de partículas magnéticas y la mayoría de los penetrantes líquidos. El disolvente aplicado con brocha específicamente no es el método. Un producto de corrosión en el origen también puede engañar a baja magnificación, donde el óxido globular o nodular se confunde fácilmente con facetas intergranulares, por lo que no debe sacarse ninguna conclusión solo de la apariencia.

El número que debe llevarse a una decisión de aceptación es el límite de fatiga, porque no sobrevive al entorno. El límite de fatiga del acero dulce se elimina en condiciones acuosas dependiendo del potencial electroquímico, y el rango de tensión necesario para causar fractura cae progresivamente a medida que aumentan el tiempo y el número de ciclos. Por eso los ensayos de fatiga por corrosión miden velocidades de crecimiento de grieta en el entorno en lugar de una vida total, y por eso una pieza que se cicla en un servicio húmedo o con hidrógeno no puede liberarse contra un límite medido en aire.

Fatiga de contacto donde la herramienta rueda o desliza

La fatiga de contacto es el fallo de dos superficies curvas bajo rodadura repetida, o rodadura combinada con deslizamiento, y la tensión que importa es la tensión cortante alternante que invierte su dirección a medida que las piezas se mueven. En rodadura pura esa tensión cortante alcanza su máximo ligeramente por debajo de la superficie, por lo que una grieta puede iniciarse en material que parece sano desde el exterior, y llega a la superficie más tarde como una picadura. Cuando se añade deslizamiento, la fricción acerca el máximo de tensión cortante a la superficie y eleva su magnitud, por lo que un diente de engranaje se pica junto a la línea primitiva en lugar de sobre ella, donde el contacto es rodadura pura. El micropitting elimina material a una escala aún más fina, y una capa cementada demasiado delgada para la carga falla en la interfaz entre la capa cementada y el núcleo, un modo que la fuente llama fatiga subcaso o aplastamiento de la capa cementada.

El vocabulario sobre este tema fue un problema durante mucho tiempo, porque las industrias de rodamientos y de engranajes usaban nombres diferentes para el mismo daño. ANSI/AGMA 1010-E96 se emitió para resolverlo, y los dos cambios que más importan en un informe son que debe usarse macropitting en lugar de spalling y micropitting en lugar de peeling.

Vocabulario de fatiga de contacto según lo alineado por ANSI/AGMA 1010-E96, que se emitió para que las industrias de rodamientos y engranajes describieran el mismo daño de la misma manera. Fuente, Tabla 1 del artículo Fatigue Failures.

Para un pedido de acero para herramientas, la parte útil de esa norma es el vínculo que establece entre el modo y el factor que lo controla. Tres de los cinco modos de la tabla siguiente están influidos por la lubricación, incluido todo modo que comienza en la superficie, y los dos que comienzan por debajo de la superficie los decide el material en su lugar. La fatiga de contacto con origen en inclusiones es el modo principal en los rodamientos antifricción, y es la razón por la que se usa acero tratado al vacío para ellos, porque el modo está controlado por el tamaño y la densidad de las inclusiones de óxido duro y los stringers que forman. La fatiga subcaso es un problema de diseño y tratamiento térmico más que de limpieza del acero, y la solución es más profundidad de capa cementada o más dureza del núcleo, aplicada con cuidado para que el diente no se vuelva templado a fondo y frágil.

Los cinco modos de fatiga por contacto y los factores que la fuente enumera como controladores de cada uno. Tres de los cinco están influenciados por la lubricación, incluido todo modo cuyo origen está en la superficie. Fuente, Tabla 2 del artículo Fatigue Failures.

Qué significa esto en un pedido de acero para herramientas

La fatiga es el único modo de falla en el que el plano, el acero y la práctica de taller dejan una marca que puede leerse después de ocurrida, y vale la pena leerla antes de fabricar otra herramienta según el mismo plano. Cuatro elementos pertenecen al registro. El acabado y el radio de acuerdo realmente producidos, porque el factor de entalla lo fija la geometría y no la intención. La ubicación y el método de cada marca de identificación, porque una marca en una zona sometida a esfuerzo es un iniciador de grieta diseñado. El nivel de limpieza del acero, donde el esfuerzo de contacto es lo bastante alto para que las inclusiones importen. Y el tratamiento superficial, porque una capa de compresión en la superficie compra vida de iniciación y es la respuesta estándar donde la geometría no puede cambiarse. El esfuerzo residual que esa capa modifica se reporta de la manera en que Medición de tensiones residuales en utillajes describe, y el paso de tratamiento térmico que decide con qué comienza la superficie se expone en agrietamiento por temple en acero para herramientas. Los mecanismos detrás de las marcas en la propia superficie de fractura se exponen en Características de la superficie de fractura y su significado, las causas etapa por etapa de la falla de una herramienta o molde están en Análisis de fallas de herramientas y matrices, y la manera en que se clasifica una fractura antes de explicarla está en el diagrama de identificación de modos de daño. Los grados tenaces para servicio con impacto y cíclico se agrupan en aceros para herramientas para resistencia al agrietamiento, la energía de impacto que absorbe un grado se registra en Ensayo de impacto Charpy del acero para herramientas, y los datos de tenacidad a la fractura están en el diagrama de tenacidad a la fractura del acero para herramientas, y la manera en que se examina la estructura detrás de esos números se expone en microestructura del acero para herramientas.

Fuente: ASM Handbook, Volumen 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.