-
MODOS DE FALLA.
Llamamos modo de falla al fenmeno o mecanismo responsable del
evento o condicin de
falla. En este sentido, los modos de falla que en general pueden
afectar a un componente,
son:
Inestabilidad elstica (pandeo local o generalizado)
Excesiva deformacin elstica
Excesiva deformacin plstica (fluencia generalizada)
Inestabilidad plstica (estriccin, pandeo plstico)
Fatiga de alto ciclo y bajo ciclo
Corrosin, erosin, corrosin-fatiga, corrosin bajo tensiones,
etc.
Creep y creep-fatiga
Fractura rpida (frgil, dctil, mixta)
Los cuatro primeros modos de falla pueden ser atribuidos
fundamentalmente a fallas en el
diseo del elemento estructural (excepto en el caso en que la
falla se produzca como
consecuencia de una carga superior a las mximas previstas en el
diseo).
Los cuatro modos mencionados en ltimo trmino, si bien pueden ser
causados por un
diseo incorrecto, obedecen muchas veces a factores introducidos
durante las etapas de
fabricacin del elemento. En particular los problemas de fatiga,
corrosin y fractura rpida
suelen estar estrechamente relacionados con las operaciones de
soldadura que se hayan
utilizado.
Debe tenerse en cuenta que:
Los componentes estructurales en general y los fabricados por
soldadura en
particular pueden experimentar fallas en servicio de distintos
tipos.
A veces estas fallas en servicio adquieren caractersticas
catastrficas.
La presencia de defectos en las uniones soldadas son muchas
veces la razn de que
se produzca una falla en servicio.
La naturaleza de la discontinuidad que corresponde al defecto,
determina en general
para condiciones de servicio dadas, el tipo de falla que puede
favorecer.
A veces las fallas en servicio no obedecen a fallas de diseo
sino a factores
extrnsecos introducidos durante la fabricacin del componente,
particularmente a
travs de las operaciones de soldadura.
EXCESIVA DEFORMACIN E INESTABILIDAD ELSTICA.
El modo de falla por excesiva deformacin elstica se produce por
ejemplo cada vez que
una pieza que debe mantener sus dimensiones dentro de ciertos
lmites, sufre una
deformacin elstica que hace que aquellas excedan el valor
admisible, conduciendo a
problemas de interferencia tales como atascamiento o a
deflexiones excesivas. En el caso
de uniones soldadas, la recuperacin elstica que sigue a la
liberacin de una pieza
-
inmovilizada durante la soldadura, puede conducir a cambios
dimensionales o distorsiones
inadmisibles.
La forma ms comn del modo de falla por inestabilidad elstica es
la constituida por el
fenmeno de pandeo que se ilustra en la figura.
Figura 1 Excesiva deformacin e inestabilidad elstica
EXCESIVA DEFORMACIN PLSTICA
La excesiva deformacin plstica constituye sin duda el modo de
falla mejor comprendido
en un componente estructural, y es la base del diseo clsico de
componentes estructurales.
En efecto, dicho diseo tiene como objetivo fundamental
establecer las dimensiones de las
secciones resistentes necesarias para asegurar un comportamiento
elstico de las mismas.
Esto significa en teora que en ningn punto de una seccin
resistente se alcance una
condicin de fluencia, es decir de deformacin plstica. Sin
embargo, en las estructuras
reales, la presencia de concentradores de tensin ms o menos
severos es inevitable y por
lo tanto tambin lo es la existencia de zonas plastificadas en el
vrtice de tales
concentradores. De todos modos, en la medida que el tamao de
tales zonas plsticas sea
pequeo en relacin con las dimensiones caractersticas de la
seccin resistente, puede
considerarse que la seccin se comportar, al menos desde un punto
de vista ingenieril, de
manera elstica. En cambio, si por un incremento en las cargas
las zonas plsticas se
propagan hasta alcanzar una fraccin significativa de la seccin,
nos encontramos ante una
falla por excesiva deformacin plstica. En el caso extremo, la
seccin completa puede llegar
a plastificarse y en tal caso hablamos de una condicin de
fluencia generalizada.
INESTABILIDAD PLSTICA
Un material que ha alcanzado la condicin plstica puede
inestabilizarse y conducir
rpidamente a un colapso plstico. Un ejemplo conocido de este
fenmeno es la estriccin
que precede a la rotura en el ensayo de traccin de un material
dctil que se ilustra en la
figura.
-
Figura 2 Inestabilidad plstica
La inestabilidad plstica puede ser responsable en otros casos de
la propagacin rpida de
una fisura, dando as origen a un fenmeno de fractura dctil
rpida. Hoy se sabe que
muchas fallas catastrficas que en el pasado fueron atribuidas a
fracturas frgiles, tuvieron
su origen como inestabilidades dctiles.
FATIGA
El fenmeno de fatiga es considerado responsable aproximadamente
de ms del 90% de las
fallas por rotura y precede muchas veces a la fractura rpida.
Una discontinuidad que acta
como concentrador de tensiones puede iniciar bajo cargas cclicas
una fisura por fatiga que
puede propagarse lentamente hasta alcanzar un tamao crtico a
partir del cual crece de
manera rpida pudiendo conducir al colapso casi instantneo de la
estructura afectada. En
presencia de cargas fluctuantes, en el vrtice de
discontinuidades geomtricas se produce
un fenmeno de deformacin elasto-plstica cclica a partir del cual
se produce la iniciacin
de la fisura por fatiga. La condicin superficial y la naturaleza
del medio cumplen un rol
importante sobre la resistencia a la fatiga, esto es sobre el
nmero de ciclos necesarios para
que aparezca la fisura. Desde un punto de vista ingenieril,
cuando la fisura adquiere una
longitud de aproximadamente 0.25 mm se acepta habitualmente que
se ha completado la
etapa de iniciacin. A partir de ah se considera que se est en la
etapa de extensin o de
crecimiento estable que eventualmente culmina en la rotura
repentina de la seccin
remanente.
La figura 3 muestra la superficie de fractura de un eje en el
que se inici una fisura por fatiga
a partir del concentrador de tensiones representado por el
alojamiento de la chaveta.
Figura 3 Fatiga
-
Una vez iniciada la fisura, la misma continu creciendo
progresivamente por fatiga bajo los
sucesivos ciclos de carga hasta que la seccin result incapaz de
soportar la carga lo que
condujo a la rotura final del eje. Las sucesivas posiciones de
la fisura durante su crecimiento
lento pueden observarse en las marcas denominadas lneas de playa
que son una
caracterstica macroscpica frecuente de las superficies de
fractura por fatiga.
CREEP Y CREEP-FATIGA.
Las deformaciones elsticas y plsticas que sufre un material se
suelen idealizar asumiendo
que las mismas se producen de manera instantnea al aplicarse la
fuerza que las origina. La
deformacin que puede desarrollarse posteriormente en algunas
situaciones y que progresa
en general con el tiempo, se conoce con el nombre de creep.
Para los materiales metlicos y los cermicos, la deformacin por
creeps es significativa por
encima del rango de temperaturas 0.3/0.6 Tf, donde Tf es la
temperatura absoluta de fusin
del material. Por el contrario, para los vidrios y polmeros la
temperatura a la cual los
fenmenos de creep se consideran importantes se encuentra
alrededor de la temperatura Tg
de transicin vtrea del material. De manera que mientras los
metales en general no sufrirn
efectos de creep a temperatura ambiente, muchos vidrios y
polmeros lo harn.
La adecuada seleccin de materiales para servicio a alta
temperatura es un factor esencial
en el diseo resistente al creep. En general, las aleaciones
metlicas empleadas contienen
elementos tales como Cr, Ni, y Co en distintas proporciones segn
las caractersticas
especficas buscadas. El fenmeno de creep puede conducir a
excesivas deformaciones
plsticas o culminar en la rotura de un elemento estructural.
Cuando el fenmeno de creep se combina con el de fatiga, se tiene
una situacin conocida
como creep-fatiga.
FRACTURA RPIDA
Se puede definir la fractura como la culminacin del proceso de
deformacin plstica. En
general se manifiesta como la separacin o fragmentacin de un
cuerpo slido en dos o ms
partes bajo la accin de un estado de cargas.
Algunos metales sometidos a un ensayo de traccin presentarn una
estriccin en la zona
central de la probeta para romper finalmente con valores de
reduccin de rea que pueden
llegar en algunos casos al 100%. Este tipo de fractura se
denomina dctil y es caracterstica
de materiales con estructura cubica centrada en caras (fcc) en
estado de alta pureza. Por
el contrario, muchos slidos, particularmente metales con
estructura cubica centrada en
cuerpo (bcc) y cristales inicos, presentan fracturas precedidas
por cantidades muy
pequeas de deformacin plstica, con una fisura propagndose
rpidamente a lo largo de
planos cristalogrficos bien definidos, llamados planos de
clivaje, que poseen baja energa
superficial. Este tipo de fractura se denomina frgil.
Si bien la diferenciacin anterior es de gran importancia
conceptual y prctica, desde el
punto de vista ingenieril es tambin importante caracterizar el
proceso de fractura segn la
velocidad con que se desarrolla. La fractura rpida se
caracteriza por la propagacin
-
inestable de una fisura en una estructura; en otras palabras,
una vez que la fisura comienza
crecer el sistema de cargas el cual produce una propagacin
acelerada de la fisura. Las
velocidades de propagacin pueden ser desde unos centenares a
algunos miles de metros
por segundo. Este tipo de fractura rpida puede o no estar
precedida por una extensin lenta
de la fisura. La extensin lenta de una fisura, en cambio, es una
propagacin estable y que
requiere para su mantenimiento un incremento continuo de las
cargas aplicadas.
La fractura rpida constituye el modo de falla ms catastrfico y
letal de todos los
mencionados; se produce en general bajo cargas normales de
servicio, muchas veces
inferiores a las de diseo. Por tal motivo, la fractura rpida no
es precedida por
deformaciones macroscpicas que permitan tomar medidas para
evitarla o para reducir la
gravedad de sus consecuencias. Una vez iniciada, pocas veces se
detiene antes de producir
la rotura completa de componente.
Las caractersticas que adopta en general la falla por fractura
rpida, y que explican en parte
el alto costo en vidas y bienes frecuentemente asociados con
este tipo de evento, son las
siguientes:
En primer lugar, la falla se produce de manera sorpresiva y
progresa a muy alta velocidad,
tpicamente entre algunos centenares y algunos miles de metros
por segundo. Como se ha
mencionado, la falla suele ocurrir cuando el componente est
sometido a tensiones
compatibles con las de diseo, y muchas veces inferiores a la
mxima prevista. Finalmente,
el origen de la falla se debe muchas veces a factores ajenos al
diseo que son introducidos
durante fabricacin, no siendo detectados como factores
potenciales de riesgo por los
responsables de la construccin e inspeccin del componente.
TIPOS DE FRACTURA RPIDA
Dada su importancia, conviene considerar los detalles de los
mecanismos de fractura rpida.
No obstante que la fractura rpida es un fenmeno reconocido desde
hace muchos aos,
existe una confusin en poder diferenciar entre una fractura
rpida dctil de una fractura
frgil. Esto obedece fundamentalmente a que en general se tiende
a considerar el proceso
global de deformacin plstica que conduce al proceso de fractura.
Ahora bien, un metal
puede fallar por clivaje, que es un proceso de fractura frgil,
luego de una deformacin
macroscpica importante; del mismo modo, es posible tener una
tener una deformacin
plstica global despreciable en un metal que falla de manera
dctil. La confusin se reduce si
en lugar de considerar el proceso global de deformacin que
precede a la fractura, se tiene
en cuenta la deformacin localizada en el material que rodea el
vrtice de la fisura durante la
propagacin de la misma. De este modo, una fractura frgil es
aquella en la cual la fisura se
propaga con muy poca deformacin plstica en su vrtice, mientras
que una fractura dctil
es aquella que progresa como consecuencia de una intensa
deformacin plstica asociada
al extremo de la fisura. Es obvio que en la prctica no es
posible establecer un lmite preciso
entre ambos tipos de fractura, pero en general es posible
diferenciar fcilmente entre uno y
otro extremo.
-
Una fisura produce una amplificacin de las tensiones y
deformaciones en su vrtice. De modo que los enlaces atmicos a
tensin pueden romperse secuencialmente bajo el efecto de esa tensin
y producirse as la propagacin de la fisura (ver figura 4).
Figura 4 Propagacin de la fisura.
El plano de fractura recibe el nombre de plano de clivaje y la
fractura as producida se denomina entonces fractura frgil o
fractura por clivaje. La caracterstica distintiva de este mecanismo
de fractura es la ausencia casi total de deformacin plstica y por
lo tanto la baja energa necesaria para que la fractura frgil se
produzca. Dado que la mayora de los metales o aleaciones de uso
industrial son materiales policristalinos, es decir estn
constituidos por un conglomerado de cristales o de granos, la
fractura en un tal material se propagar a lo largo del plano de
clivaje de cada grano individual en zig-zag como lo muestra la
figura pero donde la superficie de fractura tendr una orientacin
general perpendicular a la direccin de las tensiones normales que
actan para hacer avanzar la fisura.
Si el material exhibe una alta resistencia a la fractura frgil,
la propagacin rpida de la fisura puede producirse por un mecanismo
alternativo que involucra deformacin plstica y por lo tanto un
requerimiento de energa significativamente mayor. Para visualizar
este mecanismo, consideremos la situacin descripta en la siguiente
figura, la cual ilustra la distribucin de inclusiones no metlicas
en el material adyacente al vrtice de la fisura.
-
Bajo el efecto de la elevada tensin actuante localmente, se
producir la decohesin de la partcula con la matriz metlica que la
contiene formndose un microhueco. El ligamento entre microhuecos
puede entonces romperse de manera dctil (es decir por deformacin
plstica) resultando en la extensin rpida de la fisura. Este
mecanismo de fractura se denomina dctil que la deformacin plstica
que se cumple en el mismo. La figura muestra esquemticamente la
forma que adoptarn los microhuecos segn la direccin de las
tensiones en la fisura.
