Clase Superficie de Fractura 1

Profesor: A. Monsalve

Bsico Fractura y fatiga.

Cargas montona-- Fractura en un solo sentido

Cargas cclicas - Pasa al menos en una parte en traccin.

Fractura modo estatico.

Todos los mat. De la ing. Se divide en ductiles o frgiles. (Metales, polmeros, cermicos, etc)

Material Fragil : Vidrio, tiza, Carburo de silicio, Carburo de aluminio,etc. No presenta transicin

ductil-frgil.

Material ducturl : Presenta transicin elasto plstica, materiales como acero bajo carbono (1020-

1010), materiales como el ccobre, aluminio,etc.

Mecanismos de Fractura

Fractura Dctil: Descohesin de planos, se considera fractura frgil. Se absorbe muy poca

energa en la descohesin de planos.

Cuando ocurren esfuerzos cortantes, no ocurre deschesin de planos, sino que dislazamiento de

planos, lo q significa que, existe una mayor absorcin de energa, provocando una fractura de

desplazamiento de planos, generando,una fractura dctil.

Ejemplos:

Fractura clsica de copa y cono, generada por un esfuerzo heterogneo, esto ocurre al momento

de alcanzar el UTS

Del tipo: PLANA EN EL CENTRO, OBLICUA EN LA PERIFERIA.(Planos de 45)

En la periferia actan esfuerzos de corte, en la zona central imperan los esfuerzos normales.

Entendamos lo siguiente:

Circulo de mohr:

Ensayo de traccin.Solo esfuerzos normales (Ver apuntes, para grficos )

En 45 el esfuerzo de corte se mximiza en el solido, es decir, existen dos esfuerzos cortantes

mximos, existen 3 casos V, / o \ .

Solo imperan los planos de 45C ocurren en los bordes de la muestra, en el centro, ocurre

deformacin plstica, o bien ocurre en muestras delgadas.

En 90 el esfuerzo cortante se mximiza en el circulo de mohr.

Sigma

Sigma

Tau = 0

En la figura anterior se aprecian los planos de deslizamiento de fractura.

La grieta no nace en la superficie, en un ensayo de traccin.

Foto B, dos juegos de lneas (PLANOS de deslizamientos), y el q no cree en el circulo de mohtr.

Energia absorvida por deformacin plstica.

Foto C. Exiten una especie de reflectvidad, de 45 en el centro de la probeta, existe una zona de

muy alta deformacin en el centro de la probeta, INTERSECCION, de la probeta, generando el

mximo esfuerzo y generando grietas.

Foto C, Clara faractura de copa y cono (Oblicua y plana), con angulos de deslizamiento de 45

Foto D: Desgarramiento, fractura ductil.

En una tpica falla ductil ocurre un alto nivel de desgarramiento.

Fractura Frgil

A lo bordes angulosos, se les conoce como FASCETAS.

Cmo es una fractura frgil microestructuralmente?

Imagen de la izquierda: Existen DOS planos. Caracteristica de la fractura frgil es la

existencia de POCOS planos de fractura.

Imagen de la derecha: Marcas de RIO, producidas por clivaje, es como ver la imagen de

la izq desde arriba

Planos muy definidos de fractura.

CLIVAJE: Rotura Frgil, planos bien definidos, pocos planos, Es un tpico mecanismo de fractura de la geolog.

Tratamientos trmicos y su influencia en la fractura de un

material.

Siempre se desea una fractura ductil, debido a que absorbe mas energa, y adems, este

tpo de fractura, avisa, antes de fracturarse.

DEBO SABER

Temperatura: DE SERVICIO, alta T se espera fractura ductil.

A mayor velocidad de carga se espera una fractura frgil, ya que no se le dan tiempo a las

dislocaciones para que se acomoden.

Geometra: ENTALLES.

Resistencia del material. Mas duro, mas frgil.

Esfuerzos de TORSION, generan esfuerzos cortantes.

Fractura frgil, provocada por contaminacin de OXGENO, Qu hace el oxgeno dentro

de un acero?

Fcil---- Forma oxidos de hierro, estos se forman en la superficie de un grnao, lo cual

merma las propiedades mecnicas del material.

2Fe+O2 -> 2FeO

Luego, al momento de existir esfuerzos tractivos, exista una descohesin de granos.

Generando una fractura intergranular(Va entre medio de losgranos), genera grietas

intergranulares.

Descohesin

Sigma Sigma

Grietas

intergranulares

99% de las grietas

Grieta

Transgranular

Mecanismos de fractura ductil a nivel

microestructural

Material de ingeniera : Es una matriz + prticulas

Ejemplos:

Acero: Ferrita(Fe-alfa) (BCC)+Fe3C

Aluminio 2024: Al(FCC) + CuMgAl2

La fractura en los materiales de ingeniera tiene dos modos, dezlisamiento para el caso de

la matriz y descohesin para el casso de las particulass.

Grietas

intergranulares

99% de las grietas

Grietas

intergranulares

99% de las grietas

Secuencia de hechos: (NUCLEACION-CRECIMIENTO Y COALENCIA DE CAVIDADES)

1)Descohesin Particulas-Matriz

2)Nucleacin de una cavidad, (Zona donde la particula se desprendio), luego si existe

solicitud de esfuerzos, existe una zona de concentracin en los bordes de la cavidad

generando el tercer hecho.

3) Crecimiento de la Cavidad, luego existe un punto en el cual ya no puede crecer, ocurre

el cuarto suceso.

4)Coalecencia, al momento de coalecer, crecen hasta no poder ms.

5) FRACTURA.

Este mecanismo es muy dctil, ya que absorbe mucha energa.

Grietas

intergranulares

99% de las grietas

Dimples, zona de mucha

deformacin se aprecian

de forma muy brillante en

la imagen.

CHEVRON

No se aprecia una deformacin plstica, de forma macro. Tpicas de rotura frgil de

grandes estructuras, caso del casco del liberty ship. Cuyas punta siempre indican el

origen de la grieta.

Fragil Ductil

Clase Superficie de Fractura 2

Fatiga:

Los clculos de fatiga no son tan precisos

Los factores ambientales como iones agresivos afectan a la fatiga

El problema de la gatiga srge a partir de una singularidad puesta de una placa plana de

espersor finita, al aplicar un esguerzo en sentido vertical

Stop hole. Forma de detener e crecimiento de grieta,

Curva S-N o de Whler a menor esfuerzo mayor numero de ciclos (alraciones ferrozas,

aleaciones no ferrosas.son diferentes las ferrosas son

NORMA DE FATIGA ASTM 647entre otras.

Morfologia de fractura por fatiga:

Rugosidad, distancia entre valle y cresta ..se mide en micrones.

La grieta va partiendo el material, generan nueva superficie de fractura.

Las marcas de playa se aprecian a simple vista. Cuando estn presente las marcas de

playa, entoces HAY FATIGA.

Origen de la

Fractura

Marcas de playa

Si no hay marcas de playa NO significa que hay fatiga.

La propagacin de grieta no es homognea, lo cual hace que

En la zona izquierda de la figura .

Grietas pequeas: Grietas sub criticas, su velocidad de crecimiento es baja (mm/mes) son

estables.

Grietas Grandes: SUPERcriticas, son inestables, se propagan aproximadamente a la

velocidad del sonido.

Grieta critica: Es la primera grieta que puede propagarse una velocidad cercana a la del

sonido. Es uno de los entes mas singulares de la mecnica de la fractura, las grietas en

un momento x aceleran su velocidad de propagacin, sin saber la causa real de este

fenmeno, esto ocurre al alcanzar su tamao critico.

KIC = Es la ecuacin que da cuenta que muestra el momento en la cual la grieta cambia su

velocidad, desarrollada por IRWIN en 1948.

MPa*(m0,5)

La ltima seccin de fractura se denomina LIGAMENTO.

Grietas pequeas. Grietas grandes.

a

Grieta Critica

Existen tres modos de Fractura,

Apertura tesil, Deslizamiento dentro del plano, dieslizamiento

fuera del plano (rasgadura)

UNIDAD V : Fractura y fatiga, aspectos cuantitativos.

Nivel Macroscpico y microscpico.

Nivel Microscpico: Imagen de la izquierda, est hecha con microscopia, NO SON

MARCAS DE PLAYA, se llaman Estriaciones de Fatiga.

Estriaciones de Fatiga, se parecen mucho a las marcas de playa pero se diferencian por

que SOLO se ven al microscopio.

En la imagen, la particula hace como una especie de OBSTACULO, para el crecimiento

de la fractura.

La bola plstica avanza y la acumulacin de tensiones avanza junto a la bola.

El tamao de la bola plstica (Rp) est relacionado por

Si relacionamos la ecuacin de KIC con la de Rp entonces podemos decir que a

materiales duros bolas plsticas pequeas, es difcil generar grietas.

Las marcas se genran a que las bolas plsticas necesitan energa para moverse, luego el

movimiento de grietas es discreto.

La velocidad de crecimiento de grietas es SIEMPRE CRECIENTE, debido a que la

seccin tranversal EFECTIVA es menor, con lo cual los esfuerzos son MAYORES.

FATIGA ASPECTOS MORFOLOGICOS.

El aluminio 70-75 el KIC aprox 75 mientras q el 1020 debe tener aprox 300 (unidades de

KIC). Luego la morfologa de las estriaciones de fatiga son muy diferentes. En la imagen

del aluminio se usaron 10 ciclos de baja carga y 1 de alta carga.

Ahora jugamos con los nmeros:

1Cmo se puede determinar la zona de crecimiento estable?

2En el diagrama esfuerzo vs deformacin, donde estamos?

1.-

2 .- En la zona plstica, lejos del sigma cero y mucho mas lejos del uts, en una pieza q

esta bajo fatiga, est trabajando lejos del sigma de fluecnia, por el factor de seguridad

S=Sigma cero/Sigma de servicio, La fractura por fatiga por ocurre sin fracturas plsaticas

MACROSCOPICAS. Si un fierro est todo doblado, lo mas seguro es q no se haya

fracturado por fatiga!!!!!!!!!!!!!!!. Lo mas seguro es q hay deformacin plstica

MICROSCOPICA O localizada!. Luego ocurre en la zona plstica y la fractura es del tipo

FRAGIL.

La fatiga es un proceso que ocurre a una carga mxima constante pero esfuerzo

creciente.

En Esfuerzo t2 me acerco al limite de fluencia.

En la zona final hablamos de Colapso plstico: Operan

los mecanismos, de deslizamientos de planos!!!!!

Deformaciones en planos de 45..Generalmente.

Esfuerzo

nominal

Esfuerzo t1:

despus de un

tiempo disminuye

seccin

transversal

Esfuerzo t2:

nominal

Esfuerzo t3: Problema

plstico macroscopico

Supongamos un EJE de acero cuyo KIC es 100 MPa (m)^(0,5) si se le aplica un esfuerzo

de 200 Mpa.

Tenemos que

Ac = (1/PI)(KIC^2/Sigma)

Ac = 0,079 m = 79 mm.

Razonable!!!

Si la grieta alcanza su valor de tamao critico se acelera, luego la cantidad de marcas de

playa, depende de la dimensin de la pieza, vs el tamao critico de la grieta.

Es por ello que a veces se aprecia solo marcas de playa!.

Se puede estimar el esfuerzo, si es q se mide la Ac (79 mm ) y sabiendo la ecuacin de

KIC (KIC siempre es dato) es posible, calcular el esfuerzo y coompararlo con el sigma de

fluecia del material y determinar si fue una mala aplicacin o algn problema del

material!!!!!

Diametro

40mm

Diametro

100 mm

Menor a79 mm

Mayor a79 mm

FATIGA EN EJES

Son multiples frentes de grietaas

Origenes ultiples de grietas en pernos:

Se generan multiples grietas, crculos rojos:

R de Rachet, ocurre

cuando dos planos

de propagacion de

grieta se

inteserctan.

GENERAN UNA

ESPECIA DE

ESCALONES

ltima Clase

La fatiga es un proceso que ocurre a una carga mxima constante pero esfuerzo

creciente.

En Esfuerzo t2 me acerco al limite de fluencia.

En la zona final hablamos de Colapso plstico: Operan los

mecanismos, de deslizamientos de planos!!!!! Deformaciones en

planos de 45..Generalmente.

La ltima zona en fracturarse e la mas limpia debido a que

estuvo menos tiempo expuesta a los contaminante.

Esfuerzo

nominal

Esfuerzo t1:

despus de un

tiempo disminuye

seccin

transversal

Esfuerzo t2:

nominal

Esfuerzo t3: Problema

plstico macroscopico

Si se hace un plano transversal se puede apreciar lo siguiente:

En geneal la ultima zona que se fractura por colapso plstico se fractura con 45.Con

esto es posible responder lo siguiente: Por donde comienza la fractura.

Luego es posible calcular los esfuerzos, sabiendo la distancia de grieta critica.

Similitudes, entre marcas de playa y estriaciones:

Las estriaciones de fatiga se ven a solo en el microscopio electrnico.

Las estriaciones de fatiga se producen por el crecimiento de grietas y bola de

deformacin plstica.

Las estriaciones son el avance microscpico de cada vez que la grieta avanza.

La duda es la siguiente Por qu se generan las marcas de playa?

1. Siempre que exista agua (Mnimo ese contaminante) generar corrosin de la

superficie, luego las marcas de playa quedan evidenciadas por problemas de

contaminacin (corrosin).

2. La otra parte del origen de las marcas de playa son las DESCARGAS de los

equipos:

a. Supongamos que tenemos un camin, cuya todas sus piezas estructurales

estn sometidos a fatigas (La mayor parte realmente), Supongamos una

grieta que se propaga por un solido. Si tengo una pieza que cargo y

descargo una pieza con deformacin elstica, calzan.

A ALTOS ESFUERZOS, muchos defectos que pueden transformarse en grietas, si

ocurre esto, por lo cual la rotura final ser en el centro.

A BAJOS ESFUERZOS, el defecto ms grande ser el que avance, generalmente

deja solo una marca y falla al final, y si termina con angulo de 45 entonces tenemos

fractura plstica (ELASTOPLASTICO).