Laboratorio Tecnológico del Uruguay Análisis Fractográfico: una herramienta para la prevención de fallas en estructuras metálicas R. Mussini; E. Quagliata Laboratorio Tecnológico del Uruguay Ensayo de Materiales

Introducción A pesar de los cuidados tomados durante las etapas de diseño, fabricación, instalación y operación de componentes estructurales metálicos, los mismos fallan. En muchas circunstancias, las fallas involucran procesos de fractura.

Antecedentes

Análisis de fallas Tiene como objetivo determinar las causas de la falla de un componente o estructura. Involucra la implementación en forma coordinada de diferentes técnicas analíticas.

Análisis fractográfico Técnica analítica que consiste en el análisis de las superficies de fractura a nivel macroscópico y microscópico. Suministra valiosa información acerca de las causas de falla, es decir asiste al análisis de fallas.

Tipos de fractura a) fractura instantánea: ocurre en el momento de aplicación de la carga, sin necesidad de que exista una acumulación progresiva de daño en el material previo al evento de fractura. b) fractura progresiva: involucra la acumulación progresiva de daño en el material.

Fracturas instantáneas Fractura frágil (baja energía de propagación): la tensión excede la resistencia dinámica del material. Fractura dúctil (alta energía de propagación): la tensión excede la resistencia estática del material (sobrecarga).

Mecanismos y causas de falla Ejemplo: luego de realizar un análisis fractográfico se concluye que la fractura fue generada por fatiga. La fatiga constituye el mecanismo de falla y no la causa. La causa que activó este mecanismo, podría ser una elevada tensión a nivel local en la zona de la fractura, debido a la existencia de un concentrador de tensiones.

Metodología

Daño en especímenes de fractura Daño durante el manejo de especimenes de fractura: las operaciones prohibidas.

Preservación A menos que la fractura sea evaluada inmediatamente después de que se produjo, ella debe ser preservada lo antes posible para prevenir el ataque del medio.

Inspección de superficies de fractura

Secuencia de operaciones durante el análisis macroscópico Inspección global del componente fracturado a efectos de tratar de identificar el sistema de cargas actuante. Ubicación del sitio (o sitios) del origen de la fractura, éste frecuentemente contiene pistas de la causa que la produjo. En el caso de fracturas instantáneas, clasificación de las mismas en cuanto a su ductilidad relativa. Selección de áreas para posterior análisis microscópico.

Características de las superficies de fractura Las etapas de iniciación y propagación de la fractura producen ciertas marcas características sobre la superficie de la misma. Estas características fueron identificadas por los primeros investigadores sobre probetas fracturadas, al realizar diversos tipos de ensayos en condiciones de laboratorio.

Ejemplo: ensayo de impacto Charpy (ASTM - E 23)

Condiciones en la raíz de la entalla Estado de tensiones triaxial. Alta velocidad de aplicación de la carga (velocidad tangencial del péndulo de impacto entre 3 y 6 m/s).

Fractura en la probeta Posición del origen: raíz de la entalla Orientación del plano de propagación: perpendicular al eje axial de la probeta. Zona final de la fractura: plano opuesto al de la entalla.

En aceros con estructura BCC la tenacidad (energía absorbida) en el ensayo de impacto Charpy cambia con la temperatura.

Titanic: accidentado el 15 de abril de 1912

Diferentes tipos de características sobre la fractura: fractura dúctil o de corte (shear fracture) y fractura frágil (brittle fracture).

Efecto de la temperatura en el área de fractura correspondiente a fractura de corte (dúctil).

Clasificación de fracturas instantáneas Este mismo tipo de características encontradas sobre las superficies de fractura de probetas de impacto Charpy son utilizadas por el analista durante el análisis fractográfico de componentes estructurales para clasificar a las fracturas instantáneas, desde el punto de vista macroscópico, como frágiles o dúctiles.

Ubicación del origen de la fractura A temperaturas superiores a 10 C, puede apreciarse la mayor cantidad de deformación plástica (expansión lateral) en la zona final de fractura. La zona de iniciación (raíz de la entalla), presenta la menor cantidad de deformación plástica. Estas consideraciones son algunas veces utilizadas por el analista durante el análisis fractográfico para localizar el origen de la fractura de un componente estructural.

Características de algu-nos tipos de fracturas y factores que contribuyen a la creación de las mismas.

Conclusiones La fractografía, constituye una valiosa herramienta para el análisis de fallas que involucran procesos de fractura. Dichos procesos, pueden tener lugar en estructuras metálicas en obras de ingeniería civil. El resultado del análisis de falla conducirá a la determinación de las causas que la generaron. El conocimiento de las causas, contribuye significativamente a evitar la recurrencia de las fallas, a través de mejoramientos en el diseño, fabricación y operación de estructuras metálicas.

Referencias Brooks, C. and Choudhury, A.; Metallurgical Failure Análisis, McGraw-Hill, 1993. Metals Handbook, 9th Ed., Vol.11, Failure Analysis and Prevention, ASM, 1986. Metals Handbook, 9th Ed., Vol.12, Fractography, ASM, 1987. Felkins, K., Leighly, H., Jankovic, A.; The Royal Mail Ship Titanic: Did a Metallurgical Failure Cause a Night to Remember?, JOM Vol. 50, TMS, 1998.