Fatiga 4.1.- FATIGA MECNICAExisten varias definiciones de fatiga [1-7] lo que conduce a veces a interpretaciones confusas. La fatiga puede definirse como la degradacin de las propiedades mecnicas de un material que conducen a su rotura bajo cargas dinmicas cclicas (esfuerzos que varan en magnitud con el tiempo) cuyos valores son inferiores al de cargas estticas que produciran la rotura. El fenmeno de fatiga es considerado responsable de aproximadamente el 90% [7] de las fallas por rotura de uniones soldadas 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. Muchas de estas cargas corresponden a esfuerzos menores a los esfuerzos de fluencia de los materiales respectivos.Hay muchas variables, que influyen en el comportamiento del material relacionados con la fatiga. Entre estas variables se pueden mencionar las siguientes: magnitud y frecuencia de la aplicacin de la carga y/o deformacin, la temperatura ambiente, tamao de la probeta, forma de la probeta, estado de esfuerzos, presencia de esfuerzos residuales, acabado de la superficie, estructura etc.El comportamiento a la fatiga de los materiales puede ser estudiado mediante ensayos de laboratorio. Los ensayos comienzan sometiendo la probeta a esfuerzos cclicos con una amplitud de los esfuerzos mximos relativamente alta, generalmente con dos tercios del esfuerzo de rotura (determinado mediante ensayo de traccin), contndose el nmero de ciclos a la rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas disminuyendo progresivamente la amplitud de las tensiones mximas. Se grafican los datos del esfuerzo S versus el logaritmo del nmero de ciclos a la rotura N para cada una de las probetas que se rompen y para las probetas que no lo hacen en las mismas condiciones de experimentacin, como se muestra esquemticamente en las fig.4.1(a) y 4.1(b).

(a) Materiales que muestran un lmite de fatiga.(b) Materiales que no muestran un lmite de fatiga.(c), (d), (e) y (f) cargas dinmicas usadas en los ensayos de fatiga [8].Fig. 4.1.- Comportamiento de los materiales a la fatiga y algunas cargas dinmicas ms comunes usadas en los ensayos de fatigaEstas curvas S-N llamadas de Whoeler muestran los esfuerzos mximos y el menor nmero de ciclos que un material puede soportar antes de fracturarse. La curva 4.1(a) se obtiene en aleaciones donde para un valor determinado de N la curva es horizontal, este valor se denomina lmite de fatiga, debajo del cual la fractura por fatiga no ocurre. Este lmite de fatiga representa el mayor valor de tensiones cclicas que no causar fractura, para (tericamente) un nmero infinito de ciclos. Para muchos aceros los lmites de fatiga estn entre el 35 y 60% del esfuerzo de fluencia [7, 8]. La mayora de las aleaciones no ferrosas, por ejemplo, aluminio, cobre, magnesio [914] no presentan un lmite de fatiga, la curva S-N contina su comportamiento descendente a valores elevados de N en forma anloga a la curva 4.1(b). Como no hay un lmite de fatiga, la fractura se producir a cualquier valor de la magnitud de los esfuerzos, para estos materiales como norma, se especifica un nivel de tensiones arbitrario, por ejemplo de 108 ciclos.Las cargas dinmicas aplicadas pueden ser axiales (tensin compresin), de flexin, torsin o combinaciones de ellas. En general las ms usadas son las mostradas en las figuras 4.1(c) a la 4.1(f), en las cargas alternantes los valores de y son simtricos con respecto al eje de coordenadas X e iguales en magnitud pero de diferente signo traccin compresin. Otro tipo llamado cargas fluctuantes (fig.4.1d ) donde el mximo y mnimo son asimtricos respecto al eje de coordenadas X y simtricos con respecto a un valor llamado esfuerzo medio . Otro tipo llamado ciclo de carga repetida se ilustra en la fig.4.1(d) donde el mximo y mnimo son asimtricos con respecto al nivel de tensin cero. Finalmente el ciclo de carga puede ser irregular y al azar (fig.4.1f). La fig.4.1(d) muestra los parmetros ms usados en los ensayos para caracterizar los ciclos de cargas dinmicas, los cuales se definen a continuacin:

La vida de fatiga o el nmero total de ciclos NT, se puede considerar como la suma de los ciclos requeridos para la iniciacin Ni mas los ciclos necesarios para la propagacin NP luego:NT = Ni + NP (4.1)La contribucin de la etapa final es insignificante ya que se produce muy rpidamente. Las contribuciones relativas de Ni y NP dependen del material y de las condiciones del ensayo. A niveles bajos de esfuerzos que estn asociados con fatiga de altos ciclos, una gran fraccin de la vida de fatiga se utiliza en la iniciacin de la grieta. Cuando se aumentan los niveles de esfuerzos, Ni disminuye y las fisuras se forman rpidamente. Para fatiga de bajos ciclos ( esfuerzos altos) NP predomina.4.2.- ASPECTOS MACROSCPICOS DE LA FRACTURA POR FATIGAUna gran cantidad de informacin puede aprenderse sobre fractura por fatiga solamente con un examen macroscpico. Esto es, estudio visual y de relativamente bajo aumento, hasta quizs 25X o 50X, siendo usualmente la manera mas simple de comenzar a estudiar y analizar fracturas por fatiga. Debido a que la iniciacin de una fractura por fatiga no requiere de elevados esfuerzos, existe poca o ninguna deformacin en una pieza o probeta que se ha fracturado por fatiga. Si el esfuerzo mximo no excede la resistencia a la cedencia (usualmente el lmite elstico), no habr deformacin plstica o permanente aunque la regin de ruptura final puede tener alguna deformacin macroscpica. Sin embargo, si la pieza ha estado sometida a esfuerzos elevados repetitivos, lo que significa bajos ciclos de aplicacin de la carga, habr deformacin dependiendo de la relacin esfuerzo-resistencia. Un ejemplo de esto es la deformacin permanente de un clip de papel o gancho de colgar ropa fracturado por fatiga en un nmero bajo de aplicaciones de esfuerzos de flexin extremadamente elevados. Hablando estrictamente, esto es fatiga ya que ms de una aplicacin de esfuerzo fue requerida para la fractura. Sin embargo, esta no es la fractura por fatiga tpica que ocurre en la mayora de las partes cargadas, las cuales tienen bajo esfuerzos (elevados ciclos de carga).No existe una lnea divisoria exacta entre esfuerzos extremadamente elevados, fatiga de bajo ciclo (tal como en el Clip de papel) y esfuerzos bajos que son las ms comunes, ciclo de fatiga elevado. El cambio puede ocurrir a cualquier nmero de aplicaciones de carga hasta quizs 100.000 ciclos, aunque esto es un nmero arbitrario. Una medida prctica del nivel de esfuerzo relativo es el grado de deformacin: si no hubo deformacin, la parte fue toscamente sobrecargada (fatiga de ciclo bajo); si hubo deformacin plstica, un gran nmero de aplicaciones de carga fue requerido para la fractura (ciclo elevado).No solamente la superficie de fractura debe ser examinada sino tambin toda la pieza buscando deformaciones. Por ejemplo, si una fractura por flexin unidireccional (una va) es observada, es til reensamblar las piezas cuidadosamente para determinar si haba deformacin previa en la probeta antes de la fractura.4.2.1.- Macro-marcas de ProgresinLas marcas de progresin cuentan la historia del crecimiento de la grieta y son de una inestimable ayuda para entender como ha sucedido la falla. Ellas sealan el lugar donde naci la grieta su camino recorrido y donde muri al fallar el material [15].Las fallas por fatiga son causadas por esfuerzos cclicos, pero si no hay cambios en esos esfuerzos no habr ninguna marca porque no habr ningn cambio drstico en la velocidad de crecimiento de la grieta. El avance de una fisura deja normalmente marcas de varios tipos, visibles a simple vista y denominadas marcas de progresin. Las principales marcas de progresin son; marcas de playa (beach marks), marcas de sierra o trinquete (rachet marks) y huellas de llantas (tire tracks).4.2.1.1.- Marcas de Playa (Beach marks)El aspecto macroscpico ms notable en superficies de fractura por fatiga son las marcas o lneas de progreso de la grieta, conocidas tambin como lneas de playa (beach marks) o marcas de almeja (clamshell marks). Ambas indican la posicin de la punta de la fisura en algn momento y aparecen como anillos concntricos que se expanden a partir de un punto o puntos de iniciacin, frecuentemente dando un patrn circular o semicircular. Las marcas de playa son de dimensiones macroscpicas y se pueden observar a simple vista.Cada banda de marca de playa representa un perodo de tiempo durante el cual la fisura ha crecido. Ellas se encuentran en componentes que han experimentado interrupciones durante la etapa II de propagacin de la grieta, como por ejemplo una mquina que ha interrumpido su trabajo al finalizar el turno.Las lneas de playa pueden ser completamente ntidas, ocupando un rea considerable de la superficie de fractura, como se puede apreciar en las figs. 4.2 a la 4.7 o una pequea rea como la mostrada en las figs, 4.8 y 4.9 donde es difcil de distinguirlas debido al deslizamiento entre las superficies y la aplicacin moderada de esfuerzos, como se muestra en la fig.4.9., donde no hay marcas de playa porque la carga no fue variada.Las marcas de playa no se observan si no hay fluctuacin en los ciclos, como sucede con muestras fatigadas en el laboratorio en ensayos a ciclos constantes, un ejemplo de ello lo presenta la fig. 4.10.En aleaciones de aluminio de alta resistencia la superficie de fatiga fcilmente se puede confundir con una fractura frgil como se observa en la fig.4.11. En esta probeta la fractura fue sbita, donde la pieza en la zona de fractura no muestra deformacin plstica a simple vista. La superficie de la grieta es de aspecto granular.No obstante, la investigacin de esta falla revel lo siguiente: la fractura se inici en la superficie superior de la hlice (fig.4.11a) en un rea con numerosas picaduras. La observacin macroscpica se muestra en la fig. 4.11b donde se aprecia que tiene una apariencia de fractura frgil, pero en una rplica (fig.4.11c) en el microscopio electrnico de transmisin se pudo observar bandas de progresin del avance de la grieta y apenas visible estriaciones de fatiga. Adems se encontr pequeas reas de fractura dctil por sobrecarga en la hoja de la hlice, indicadas por la letra A (fig.4.11a).

Aspectos microscpicos de la fractura por fatiga El examen microscpico de una fractura es la parte ms importante del anlisis de falla. La superficie se observa con aumentos entre 50X a 1000X en microscopios pticos y aproximadamente hasta 45000X en microscopios convencionales SEM y TEM. Con el surgimiento del Microscopio de Tnel y Fuerza Atmica (MT MFA) se ha podido examinar superficies a escalas nanomtricas tanto en materiales conductores como en no conductores. Si la muestra es muy grande generalmente se recurre a la tcnica de rplicas.El proceso de fractura por fatiga est caracterizado por tres etapas caractersticas [67].I.- Iniciacin de la grieta, donde se forma una pequea fisura en lugares con alta concentracin de esfuerzos.II.- Propagacin de la fisura, durante la cual la fisura avanza incrementalmente con cada ciclo de tensiones.III.- Fractura final, la que sucede muy rpidamente una vez que la fisura que avanza ha alcanzado un tamao crtico o una excesiva deformacin plstica.4.5.1.-Etapa I (Iniciacin de las grietas)Bajo condiciones de fatiga, se ha observado que las fisuras asociadas con la fractura casi siempre se inician cerca o sobre la superficie de la pieza, sin embargo tambin se pueden iniciar internamente en defectos tales como micro-huecos, partculas de segunda fase, inclusiones, picaduras, etc. Los defectos superficiales comunes son entallas, huecos y rugosidades. Los sitios de nucleacin de las fisuras pueden ser ralladuras, filetes de maquinado, rugosidades, entallas, etc. Tambin las cargas cclicas pueden producir discontinuidades superficiales microscpicas por el movimiento de planos de clivaje o de dislocaciones, intrusiones y extrusiones que pueden actuar como concentradores de esfuerzos.La nucleacin de una grieta puede producirse por uno de los siguientes mecanismos:4.5.1.1.- Inclusiones y PartculasDado que la nucleacin de una grieta est relacionada con la magnitud de los esfuerzos, cualquier concentracin de esfuerzos en forma de defectos en su superficie externa o interna puede reducir significativamente su resistencia a la fatiga, en particular cuando la fase de iniciacin ocupa una parte importante de la vida total. As, las grietas de fatiga en aleaciones de aluminio de alta resistencia casi siempre comienzan en la superficie [68].Investigaciones anteriores sobre las inclusiones en el inicio de las grietas de fatiga sostenan que las grietas de fatiga slo se podan iniciar si la inclusin estaba previamente fracturada [69], estudios posteriores han demostrado que ellas pueden nuclear tanto en inclusiones fracturadas como en no fracturadas, especialmente en aleaciones de aluminio [70-75]. Una partcula dura y frgil puede romperse y formar una grieta a travs de la inclusin. Las fig.4.39 a la 4.41 muestran tres ejemplos de grietas iniciadas por el rompimiento de las inclusiones en las aleaciones de aluminio BS L65 y de aluminio comercial D.T.D. 5014 respectivamente.En los aceros duplex los procesos de nucleacin y propagacin de grietas pequeas dependen principalmente de la cristalografa del material, siendo su propagacin en la superficie bastante discontinua debido al efecto de las intercaras ( bordes de grano, bordes de maclas e interfases / ) como barreras microestructurales [76]. Las grietas son detenidas por estas barreras microestructurales de manera que para su propagacin se requiere una cantidad de energa adicional, la cual puede proceder de la acumulacin de la deformacin plstica en la punta de las grietas [77, 78].En los materiales de alta resistencia, en particular los aceros, aleaciones de titanio y niquel [79-83] se observa a menudo un mecanismo de iniciacin diferente. En estos materiales, que son altamente resistentes a la deformacin por cizalle, la interfase entre la matriz y la inclusin puede ser relativamente dbil, y las grietas se iniciarn aqu si la decohesin ocurre en la interfase inclusin/matriz de la inclusin, favorecida por el aumento del campo esfuerzo / deformacin elasto-plastica. Las fig.4.41 a la 4.42 muestran ejemplos de descohesin de la interfase inclusin/matriz.

Fig.4.39.- Grietas iniciada por el rompimiento de las inclusiones (flecha roja) en una aleacin de aluminio BS L65 [84](Figura publicada con autorizacin del Prof. Darrell Socie, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Univ. of Illinois at Urbana-Champain)

Fig.4.40.- Grietas iniciadas por el rompimiento de una inclusin de Al7Cu2Fe en una aleacin de aluminio 7010 [85](Figura publicada con autorizacin del Journal de Physique IV, Colloque C7, suplement au Journal de Physique III, vol.3, novembre 1993)

Fig.4.41.- Grieta inducida en una partcula por la descohesin de la interfase partcula / aluminio [86](Foto publicada con autorizacin del Prof. Darrell Socie, Department of Mechanical and Industrial Engineering, Univ. of Illinois at Urbana Champain)

Fig.4.42.- La foto muestra un ejemplo de descohesion en la interfase inclusin/matriz en una aleacin de aluminio OA 7075 T7351 [87].(Reproducida con autorizacin del Dr. R.H. Wanhill; National Aerospace Laboratory NLR, Report NLR TP-2006-751 (2007) Amsterdam, The Netherland)4.5.1.2.- Bordes de GranoLos bordes de grano son planos cuya cohesin interfacial son de relativa debilidad dentro de la estructura cristalina de una aleacin o metal, de tal manera que existe una tendencia de las grietas a propagarse a travs o alrededor de los granos a medida que la misorientacion de ellos aumenta. En algunos materiales la propagacin de la grieta ocurre a lo largo de bordes de grano, este tipo de rotura se produce a temperaturas elevadas que promueven cavitacin y deslizamiento [88] o como consecuencia de algn proceso que ha debilitado o fragilizado dichos bordes tales como:i La precipitacin de una fase frgil a lo largo de los bordes de grano. Como es el caso de carburos de cromo depositados en los bordes de grano (sensitizacin de aceros inoxidables).ii La fragilizacin por hidrgeno, como ocurre en soldaduras que han absorbido humedad.iii La corrosin intergranular, que es un ataque corrosivo preferentemente en los bordes de grano.Fractura intergranular es tambin observada en materiales frgiles, en parte debido a esfuerzos residuales inducidos por las diferentes contracciones de los granos adyacentes o a la presencia de fases vtreas en los borde de grano, sin embargo la ocurrencia de grietas de fatiga en los bordes de grano de materiales dctiles, en ausencia de partculas en dichos bordes, debido a la influencia del medio no es comn.Hasta la fecha, los mecanismos que rigen la iniciacin de una grieta en relacin con los granos no estn claros, los estudios realizados indican que su iniciacin esta determinada por las condiciones en que se realizan los ensayos, de acuerdo a esto los lugares de iniciacin pueden ser: a) por descohesin en la interfase bordes de grano/matriz, b) fractura de partculas o inclusiones, c) descohesin de la matriz/partcula o inclusin, d) poros, e) agrietamiento dentro de las fases, etc. [89 93]. Por ejemplo ensayos de fatiga [94] en aleaciones de aluminio Al 7075T6, el sitio favorable para la nucleacin de las grietas variaba con la amplitud del esfuerzo y temperatura.Bajo condiciones de esfuerzos elevados, las grietas se formaban en los bordes de grano. Adems, en todas las probetas ocurri fractura transgranular con una fraccin de fractura intergranular que aumentaba con la temperatura y amplitud del esfuerzo. Las fig.4.43(a), 4.43(b) y 4.43(c) [95] muestran tres lugares de iniciacin: i) descohesin de los bordes de grano, y ii) segundas fases Al7Cu2Fe y Mg2Si que inducieron nucleacin de grietas por rotura de ellas mismas y descohesin de las interfases. La inclusin se fractur probablemente a lo largo de planos de cizalle mximo siendo un proceso de baja energa [96] la nucleacin de grietas es favorable.Otro ejemplo de la nucleacin de grietas por otros mecanismos se muestran en las figuras 4.44, 4.45 y 4.46. Las grietas a menudo nuclean en los bordes de grano a temperaturas (en grados Kelvin) superiores al 50% de la temperatura de fusin y tambin bajo deformaciones de gran amplitud [96].La fig.4.44 muestra grietas que han nucleado a 700 C en los bordes de grano en una aleacin de base Niquel Waspaloy , esta grieta nucle en una probeta que fue mantenida a la carga mxima del ciclo de carga utilizado. A temperaturas moderadas, los precipitados en los bordes los hacen ms resistentes. Sin embargo, a temperaturas altas estos precipitados reducen la resistencia del borde y durante el perodo en que la probeta se mantuvo en condiciones de carga mxima, donde mecanismos de termofluencia prevalecen, pueden ocurrir grietas en los bordes de grano y fractura intergranular.La fig.4.45 muestra una grieta que ha nucleado en o cerca de un poro sobre la superficie de una aleacin Waspaloy [97], las probetas se ensayaron a 500 C. La grieta posiblemente comenz en el poro y luego se extendi a ambos lados de el creciendo en planos adyacentes a los de mximo cizalle. La fig. 4.46 muestra la morfologa de la superficie de fractura de una aleacin de aluminio y litio 8090-T8511 sometida a tratamiento trmico que fall por precipitacin de Al2CuMg en los borde grano.

4.5.1.3.- Bandas de Deslizamiento Persistentes (BDP).Los metales y aleaciones bajo la accin de una carga esttica, al sobrepasar el lmite de fluencia, inician el proceso de deformacin plstica y con la continuidad de la carga, pueden romperse. Sin embargo, la mayora de los materiales en ingeniera estn sometidos a cargas cclicas. Esos materiales se pueden fracturar en esas condiciones, a un esfuerzo inferior al lmite de fluencia y al lmite de resistencia mecnica.Los mecanismos de deformacin plstica en metales estn ntimamente relacionados con su microestructura, particularmente con la estructura de dislocaciones [99-102]. Las dislocaciones son defectos de lnea que se producen, debido a esfuerzos, en las estructuras cristalinas de los materiales, ellas se pueden mover y multiplicar bajo la accin de esfuerzos cortantes, dejando una deformacin plstica permanente.La movilidad de las dislocaciones y por lo tanto la cantidad de deformacin es superior en una superficie libre que en el interior de los materiales cristalinos debido a la falta de restriccin de los bordes de grano. Los granos en los metales policristalinos estn orientadas de forma individual y aleatoria. Cada grano, sin embargo, tiene una estructura ordenada atmica que da lugar a propiedades direccionales. De tal manera, que la deformacin plstica se lleva a cabo en los planos cristalogrficos de deslizamiento de menor energa a lo largo del cual las dislocaciones pueden moverse con ms facilidad que en otros planos cristalogrficos.El deslizamiento es controlado principalmente por los esfuerzos de corte mximo y por lo tanto la deformacin plstica se lleva a cabo a lo largo de planos cristalogrficos que se orientan cerca de 45 con respecto a la direccin del esfuerzo de traccin principal, un ejemplo de ello se muestra en la fig. 4.47 donde una grieta se ha formado a lo largo de un plano de deslizamiento cuya direccin es aproximadamente 45 con respecto a la direccin de la carga aplicada.La fig.4.48 muestra una regin (encerrada por un crculo) de microgrietas que debido a los ciclos elevados, se extienden a los granos adyacentes formando nuevas bandas de deslizamiento.

El tipo de deformacin plstica que sufren los materiales depende de la naturaleza de la carga. Si es esttica la deformacin se produce por bandas de deslizamiento ( deformacin plstica en tensin o compresin ); si la carga es cclica la deformacin se produce por bandas de deslizamiento persistentes BDP (deformacin cclica), llamadas as porque sus trazas persisten aun despus de haber realizado un pulido metalogrfico de la superficie de la probeta. Esta acumulacin local del flujo plstico produce en la superficie valles y montaas llamadas intrusiones y extrusiones respectivamente en los lugares donde las bandas intersectan la superficie (fig.4.49).Los valles actan como micro-entallas y su efecto concentrador de esfuerzos promueven un deslizamiento adicional y la nucleacin de grietas de fatiga (fig.4.49d). La interseccin de los planos cristalogrficos de deslizamiento con la superficie pulida de la probeta, al observarlas con un microscopio ptico, se ven como lneas y cada una de estas lneas puede contener una cantidad apreciable de planos de deslizamiento. La figura 4.50 muestra unas bandas de deslizamiento persistentes en una matriz de cobre despus de un gran nmero de ciclos.En las figuras 4.51 se puede ver el aumento progresivo de la poblacin de BDP en funcin de los ciclos de carga observados con un microscopio ptico, donde cada fotografa tomada en la misma regin, corresponden a una carga de 10 4 , 510 4 y 2710 4 ciclos respectivamente. En la fig.4.51(a), despus de 10 4 ciclos se ha producido algo de deslizamiento en algunos granos. La fig.4.51(b) muestra un gran aumento en el nmero de trazas (lneas) de deslizamiento despus de 510 4 ciclos, tambin a aumentado el grosor de ellas. A medida que los ciclos aumentan, la cantidad y grosor de las lneas aumenta como se muestra en la fig.4.51(c). Estas lneas o bandas de deslizamiento son la fuente de grietas de fatiga y cabe hacer notar que estn contenidas dentro de cada grano. Este proceso ocurre en regiones donde los esfuerzos y las deformaciones son elevados.Un ejemplo de iniciacin de grietas a lo largo de las bandas de deslizamiento persistentes en un monocristal de aluminio se muestra en la fig.4.52 . Aparentemente las microgrietas se iniciaron en una regin de intrusiones para luego alinearse a lo largo de los planos de deslizamiento, fallando el monocristal por la unin de estas microgrietas.

La cohesin entre las capas en las bandas de deslizamiento es debilitada por la oxidacin de las superficies frescas y por el endurecimiento del material deformado. En un instante cualquiera durante este proceso pequeas grietas aparecen en las intrusiones, estas microgrietas crecen a lo largo de los planos de deslizamiento, formando un ngulo de 45 con la direccin de traccin, es decir, el proceso es impulsado por esfuerzos cortantes. El crecimiento en este modo de cizalle, se denomina etapa I donde el crecimiento de la grieta se extiende sobre unos pocos granos.En la etapa I, las grietas son del tamao de los granos y al pasar de un grano a otro cambian de direccin. La velocidad de propagacin durante la etapa I es muy lenta, del orden de 1 nm por ciclo y produce prcticamente una superficie de fractura plana. Cuando la longitud de la grieta es tal que el campo de esfuerzos en la punta de ella se hace dominante, el plano de la grieta cambia y se hace perpendicular al esfuerzo principal, la grieta entra en la etapa II .

4.5.2.- Etapa IIEsta, puede constituir una proporcin grande o pequea de acuerdo al nivel de esfuerzos aplicados y a la naturaleza del material ensayado. Altos esfuerzos y la presencia de entallas acortan la duracin de la etapa I. En esta etapa las fisuras se extienden a travs de slo algunos granos. La superficie de fatiga formada en esta etapa es plana y sin rasgos distintivos. Adicionalmente, la velocidad de la grieta aumenta pronunciadamente. Adems, en este punto hay un cambio de direccin de propagacin en un plano perpendicular a la direccin del esfuerzo principal de traccin. Durante esta etapa de propagacin, el crecimiento de la fisura es estable y se produce por un proceso repetitivo de redondeo y afinado de la punta de la grieta y cuyo mecanismo se muestra en la fig.4.54.

Fig.4.54.- Modelo esquemtico de los mecanismos de propagacin de las grietas en la etapa II [109]Al comienzo del ciclo de tensiones (cero carga), la punta de la fisura tiene la forma de una entalla doble (fig.4.54a). A medida que el esfuerzo de traccin es aplicado (fig.4.54b) se produce una deformacin localizada de las puntas a lo largo de planos de deslizamiento orientados a 45 con respecto al plano de fisura. Con el incremento del acho de la grieta, la punta avanza continuamente por una deformacin de cizalle, tomando una forma redondeada (fig. 4.54c).Durante la compresin, la direccin de la deformacin por cizalle se invierte (fig.4.54d) hasta que, cuando culmina el ciclo, se ha formado la nueva punta con doble entalla (fig.4.54e). As, la punta de la grieta ha avanzado la distancia de una entalla durante el transcurso del ciclo completo. Este proceso se repite con cada ciclo hasta que se alcance eventualmente un tamao de fisura crtico, el cual producir la etapa final y fractura catastrfica. La fig.4.55 resume esquemticamente el comportamiento de una grieta de fatiga en la etapa II.4.5.3.-Etapa IIIA medida que el tamao de la grieta aumenta, al alcanzar su dimensin crtica se produce la rotura y la velocidad de la grieta se acelera an ms debido a pequeas zonas rotas por clivaje. En esta etapa, la grieta se vuelve inestable y la pieza se rompe por clivaje o por coalescencia de microcavidades. Su velocidad de crecimiento es tan grande que la contribucin del nmero de ciclos al total que corresponde a la vida de fatiga es muy pequea.

Fig 4.55.- Crecimiento de una grieta en la Etapa II Velocidad de Crecimiento de las Grietas En la etapa II, durante las condiciones estables de crecimiento, la velocidad de crecimiento de las grietas en esta etapa siguen la ley emprica propuesta por Paris y Erdogan [110]:

donde a es la longitud de la grieta, N el nmero de ciclos, C y m son constantes que dependen del material y medio ambiente.K es el factor de intensidad de esfuerzos que determina la magnitud de la distribucin de tensiones alrededor de la grieta; depende de las tensiones aplicadas, de la longitud de la grieta y de su forma. A medida que el tamao de la grieta crece, si la carga cclica es constante, aumenta K y en consecuencia la velocidad de crecimiento da/dN aumenta.K= Kmax Kmin (4.3)Graficando la ecuacin (4.2) se obtiene una curva en forma sinusoidal [116], la cual se muestra en la fig.4.56. En ella se destacan tres regiones. En la regin I los valores de intensidad de esfuerzos son menores que Kth llamado intensidad umbral de esfuerzos (threshold), donde no hay propagacin de la grieta por fatiga. Es una regin donde las grietas son bastantes sensibles a la microestructura del material, dispersin de partculas de segunda fase, tamao de grano e inclusiones, razn de esfuerzos R y al medio ambiente [116].En la regin II la grieta es estable y su velocidad de propagacin es menos sensible a la microestructura, a la razn de esfuerzos R y al medio ambiente. En esta regin la ecuacin de Paris (4.2) es lineal y por esta razn es la ms utilizada en el estudio de propagacin de las grietas, adems es una ecuacin muy simple [117-120]. Es en esta fase donde se observan las estras de fatiga.

Fig.4.56.- Variacin de la velocidad de crecimiento de una grieta en funcin de K. Las tres etapas del crecimiento [110].(Figura reimpresa con autorizacin de Springer Science + Business Media, B.V, The Netherlands)La ecuacin de Paris tiene algunas limitaciones [111-116], no toma en cuenta el efecto de la razn R sobre el crecimiento de la grieta y el comportamiento asinttico en las etapas I y II. Varias ecuaciones se han propuesto como alternativas [117-120] siendo una de ellas

En la regin III, el factor de intensidad mximo se aproxima asintticamente al valor de KIC, la grieta es inestable y su velocidad de propagacin muy elevada.. Es una regin de superposicin de mecanismos de estras y fractura monotnica. Refleja la proximidad de la propagacin inestable de la grieta cuando el valor de K mximo alcanza la tenacidad a la fractura de las deformaciones planas KIC . En estas fracturas rpidas no aparecen marcas de playa y estras.4.5.5.-Camino de una Grieta.En materiales policristalinos los granos estn orientados al azar uno con respecto al otro. En general un borde de grano tiene cinco grados de libertad [121]; tres coordenadas angulares para determinar la posicin de un grano adyacente con respecto al otro, y dos coordenadas angulares para especificar la orientacin del borde de grano. De todas estas coordenadas slo el ngulo de inclinacin tilt y el ngulo de torsin twist del borde de grano tienen efecto sobre la orientacin de los planos de clivaje [121].Cuando una grieta atraviesa un borde de grano y contina su trayectoria en el otro grano, puede desviarse de su plano original de crecimiento siguiendo un nuevo plano en el otro grano, el cual puede adoptar una de las siguientes configuraciones; 1) configuracin tilt y 2) configuracin twist como se muestran en las figuras 4.57(a) 4.57(c) y 4.58(a) y 4.58(b) respectivamente.En el modo inclinacin tilt el plano de la grieta en el grano 2 rota en un ngulo alrededor del eje OZ (fig.4.58b) y en el modo torsin twist el plano de la grieta en el grano 2 rota en un ngulo alrededor del eje OX (fig.4.58a). En el modo tilt el plano de la grieta se acomoda segn la trayectoria de su frente de avance, en el modo twist no puede. En este caso la grieta se divide en varios frentes parciales, unidos por escalones de clivaje.

4.5.6.- Micromarcas de progresinLa caracterstica mas importante de las superficies de fractura por fatiga a nivel microscpico son la presencia de marcas, de las cuales las ms importantes son; patrones de ro ( river patterns), marcas de estrias (striations) , Huellas de llanta (Tire trucks ) y lneas de Wallner .4.5.6.1.- Patrones de ro (River pattern)Una fractura por clivaje avanza por medio de la propagacin simultnea de fisuras sobre planos paralelos entre si, correspondientes a una misma familia cristalogrfica. Cuando estas fisuras se superponen o se acercan suficientemente, se unen a travs de un escaln. A medida que se propaga la fisura los escalones se unen para formar escalones ms pronunciados. Observado en el microscopio electrnico, el conjunto se asemeja al de los ros de una cuenca, y por ello se denominan ros de clivaje (river patterns).Un conjunto de ros dentro de un grano cristalino corresponde entonces a los escalones entre planos de clivaje pertenecientes a una misma familia cristalogrfica. Estos escalones son normalmente planos de clivaje secundarios y su altura est relacionada con el ngulo que forma el eje de traccin con los planos de clivaje del grano considerado. Cuando la fisura alcanza otro grano cristalino, cambia la geometra de los nuevos ros debido a la nueva orientacin de los planos de clivaje del nuevo grano. En el caso de un borde de bajo ngulo, los escalones pueden continuar en el segundo grano. Pero si la desorientacin es mayor, normalmente se forman escalones nuevos. Los ros de clivaje pueden tambin originarse en dislocaciones de hlice. En estos casos, la altura del escaln aumenta a medida que se propaga la fisura. Dado que son varios los procesos que afectan la formacin de escalones, se observa una gran variedad de formas de escalones y ros de clivaje. Los escalones formados por fisuracin secundaria aparecen claramente definidos. Sin embargo, escalones asociados a una gran deformacin local, aparecen ms gruesos y menos definidos. La figura 4.59 muestra un modelo de formacin de escalones de clivaje, la fig.4.60 muestra un ejemplo esquemtico de formacin de patrones de ro y la fig. 4.61 muestra detalles de una faceta de clivaje con patrones de ro.

La microestructura del material tambin influye en la forma de los ros. En un acero de bajo carbono con estructura perltica las fisuras se propagan en los planos de clivaje de la ferrita BCC a travs de las colonias de perlita. Pero en un acero con estructura de martensita revenida se observan pequeas facetas de clivaje de dimensiones correspondientes a las de las agujas martensticas (cuasi- clivaje) [126].Los escalones y los patrones de ro son as, caractersticos del proceso de fractura por clivaje. Una primera observacin de estos rasgos permite determinar la direccin local de propagacin de la rotura, dado que los ros convergen en la direccin de propagacin en cada grano cristalino. Sin embargo, es necesario tener en cuenta que la direccin local no coincide necesariamente con la direccin macroscpica de propagacin de la rotura. En granos vecinos pueden existir direcciones no paralelas, indicando que la propagacin en un medio cristalino se produce a travs de la fractura simultnea de granos individuales en distintas direcciones. La resultante de estas fracturas es la que constituye el frente de propagacin de la rotura macroscpica.La fractura por clivaje a escala macroscpica se caracteriza por una reflectividad a la luz y una superficie relativamente plana. A escala microscpica, hay una serie de regiones planas o salientes que microscpicamente se ve que stas salientes estn conectadas por ligamentos llamados lneas de ros o aspas de ventilador fans (fig.4.62). Las figuras 4.63 a la 4.69 muestran varios ejemplos de clivaje y patrones de ro.

Fig.4.65.- Fracturas mostrando diferentes aspectos de patrones de ro segn las direcciones cristalogrficas que el frente de la grieta encuentra durante su avance

4.5.6.2.- EstriasLa regin de la superficie de fractura formada en la etapa II se caracteriza por dos marcas de progresin; marcas de playa a nivel macroscpico y estras a nivel microscpico. Cada banda de marca de playa representa el perodo de tiempo durante el cual la fisura ha crecido. Las estras representan la distancia de avance del frente de la fisura durante un ciclo de carga. El ancho de las estras depende y se incrementa con el aumento de las fluctuaciones de las cargas. Las estras se forman como resultado de la distribucin de tensiones en el extremo de la grieta. Su presencia slo puede ser visualizada si su espesor est dentro de un intervalo aproximadamente de 10(-3) a 10(-6) mm / ciclo [137]. El aspecto de las estras vara de acuerdo a la aleacin y a las condiciones del medio ambiente. Dos ejemplos del aspecto tpico de las estras en acero y aluminio se muestran en las figuras 4.70 y 4.71 respectivamente.Es importante notar que la presencia de estriaciones en una superficie de fractura no es una prueba concluyente de fatiga, otros factores (tales como en el medio ambiente o inclusiones duras) debe considerarse antes de sacar una conclusin definitiva. Por ejemplo, se ha reportado que corrosin bajo tensin en algunos casos produce marcas semejantes a estriaciones debido a la continua ruptura y formacin de la capa pasiva en la punta de la grieta como se muestra en la fig.4.72 [138].Sin embargo, dependiendo del material y de las condiciones de carga, la ausencia de estras no significa que no ocurra fatiga, por ejemplo, cuando la fractura es muy rpida no aparecern marcas de playa y estras. No todos los metales y aleaciones presentan en fatiga, estras perceptibles y algunos simplemente no forman estras en todo un rango de esfuerzos, la fig.4.73 es un ejemplo de ello. Aunque las marcas de playa y estras tienen apariencia similar, ellas son diferentes en cuanto a su origen y tamao, puede haber una gran cantidad de estras dentro de una sola marca de playa.

Un ejemplo de la informacin que se puede obtener mediante la observacin visual de las grietas, es calcular el tiempo de ruptura de la fractura si se conoce la frecuencia de la carga aplicada. El mtodo est basado en que cada estra representa la posicin del frente de la grieta (tomado del First International Conference on Fatigue Damage of Materials Experiment and Analysis, 2003, Toronto, Canada).Si se supone una grieta ensayada por fatiga (fig.4.74) con una frecuencia de carga 10 Hz , la carga aplicada es de 300 MPa y el esfuerzo mnimo es cero,

En el caso de metales y aleaciones con planos de deslizamiento de baja energa, existe una restriccin en cuanto a los posibles planos de deslizamiento. Se formarn estras solamente cuando el sistema de deslizamiento est convenientemente orientado respecto de las tensiones actuantes. Si el grano cristalino est orientado desfavorablemente, las estras no aparecen o estn poco definidas y se producir un aspecto facetado [143]. Por ejemplo aleaciones en base a Cobalto usadas en implantes mdicos [144] y muchas de las superaleaciones en base a Niquel, exhiben fatiga sin estras en todos los niveles de la carga aplicada, este tipo de fatiga se denomina Fatiga Cristalogrfica [144], un ejemplo se muestra en la fig.4.75.

Las grietas de fatiga generalmente se propagan de manera dctil. Cada ciclo de carga produce una intensa deformacin plstica alrededor de la punta de la grieta y el proceso de agrietamiento se realiza predominantemente en forma transcristalina. En el caso de materiales cristalinos existe una restriccin en cuanto a los posibles planos de deslizamiento.

Fig.4.76.- Formacin de mesetas y estras en sistemas de deslizamiento favorablemente orientadosSe forman estras solamente cuando el sistema de deslizamiento est convenientemente orientado respecto de las tensiones actuantes. Si el grano cristalino est orientado desfavorablemente, las estras no aparecen o estn poco definidas.En un sistema convenientemente orientado, el frente de la grieta se divide localmente en mltiples mesetas (plateaus) de diferentes alturas unas con respecto a otras, las mesetas que tienen una superficie cncava, su contraparte tiene una superficie convexa como se muestra esquemticamente en la fig 4.76. Las mesetas estn unidas por crestas desgarradas o por paredes que contienen estriaciones. Las estriaciones a menudo se curvan en direccin de la propagacin de la grieta y en general tienden a alinearse perpendicularmente a la direccin principal macroscpica de la propagacin de la fisura. No obstante, variaciones en esfuerzos locales y de la microestructura pueden cambiar la orientacin del plano de fractura y alterar la direccin de la alineacin de las estras.

Se ha planteado un modelo sobre la formacin de estras, el cual en general ha sido ampliamente aceptado [147] y el cual plantea que las estras se forman por los movimientos sucesivos de abrir y cerrar de las superficies de las grietas. En el proceso, la grieta avanza durante la apertura, y cuando se cierra, el material plsticamente deformado en la punta, es comprimido y se forma un pliegue el cual permanece en forma de estra. La variacin de la forma de las estras depende de la intensidad de las fluctuaciones de la carga y de la facilidad de deslizamiento de los planos cristalinos. En la fig. 4.79 se ilustra en forma esquemtica el mecanismo de dicho modelo.Partculas grandes de segunda fase y las inclusiones pueden cambiar la velocidad local de crecimiento de la grieta y el espaciado de las estras. Cuando una grieta se aproxima a una partcula, es brevemente retardada si la partcula permanece intacta o es acelerada si la partcula se divide. En ambos casos, la velocidad de crecimiento de la grieta cambia solo en la vecindad de la partcula de tal manera que no hay un gran efecto en la velocidad global del crecimiento. En el caso de fatiga de ciclos bajos y esfuerzos altos, la zona plstica relativamente grande en la punta de la grieta puede causar clivaje y separacin de la matriz en las partculas a una distancia bastante grande por delante del avance de la grieta (fig.4.80).

Las figuras 4.82 y 4.83 muestran dos ejemplos de fracturas de fatiga donde se pueden observar las estriaciones caractersticas de este tipo de fractura. Dado que las fallas ocurrieron a un nmero relativamente pequeo de ciclos, la velocidad de crecimiento de la grieta con cada ciclo fue bastante grande, por lo tanto las estriaciones que se forman en la punta de la grieta despus de cada ciclo son visibles con facilidad.

En materiales que contienen dos fases, por ejemplo, los aceros inoxidables dplex, la microestructura de las dos fases afecta de manera significativa el crecimiento de la grieta. Generalmente las superficies de fractura muestran indicios de que han operado diferentes mecanismos de ruptura en cada fase. Esto se debe a los diferentes sistemas cristalogrficos (BCC y FCC) y distintas ductilidades de las fases. Un ejemplo de esto, se muestra en las figuras 4.84 y 4.85. Se trata de la fractura de un acero duplex ACX-100 (23.4Cr 5.3Ni 2.2Mo 0.6Mn 0.6Si 0.2N) sometido a ensayos de fatiga trmica [152].4.5.6.3.- Diferencias entre estras y marcas de playa.El tamao es la diferencia mas obvia entre estriaciones y marcas de playa. Las estriaciones son protuberancias pequeas, visibles solamente con un microscopio electrnico de barrido (SEM) en cambio las marcas de playa son ms grande y visibles a simple vista. En una superficie fracturada, el tamao de las estriaciones es ms pequeo cerca del origen y gradualmente se incrementa a medida que aumenta la profundidad de la grieta.Otra diferencia radica en la causa que las produce; las estras representan el avance del frente de la grieta debido la variacin de la carga, mientras que las marcas de playa indican la posicin del frente de la grieta cuando la carga fluctuante se detiene por un perodo de tiempo.

4.5.6.4.- Huellas de llanta (Tire Truck).Las huellas de llanta son otra micro-marca de progresin que parece estar asociada con fatiga de alto esfuerzo y bajo ciclaje. Se piensa que estas marcas resultan del movimiento relativo entre dos superficies de fractura apareadas, con la accin de un esfuerzo elevado repetitivo, lo cual forma hileras de marcas paralelas, es ms comn encontrarlas en cargas de fatiga traccin compresin que en traccin traccin. La direccin de las huellas de llantas y el cambio en espaciado de las marcas dentro de la huella puede indicar la clase de desplazamiento que ocurri durante el proceso de fractura, como por ejemplo, movimientos laterales debido a cargas de cizalle o de torsin. La presencia de huellas de llantas sin estriaciones de fatiga puede indicar que la fractura ocurri por fatiga de bajos ciclos y altos esfuerzos Las figuras 4.86 y 4.87 muestran dos ejemplos de superficies de fractura con huellas de llanta caractersticas.

Fig.4.86.- Rplica de huellas de llanta producidas por frotamiento al abrir y cerrar la grieta durante su avance en un acero de bajo carbono [153]

Fig.4.87.- Rplica TEM de huellas de llanta en un acero 4140templado y revenido a 700 C [154]4.5.6.5.- Lneas de Wallner.Las lneas de Wallner son micro-marcas que forman un conjunto de lneas paralelas que se intersectan formando un patrn en V indicando la direccin de propagacin de la fractura. Se observan en fracturas frgiles con el microscopio electrnico de barrido a gran aumento. Se dice que las lneas se producen por interacciones de ondas de choque y frentes de grietas, la onda elstica hace que el frente de la grieta se salga de su plano momentneamente [155]. Varias micromarcas se pueden confundir con las estras de fatiga, particularmente las lneas de Wallner, huellas de llanta y marcas de frotamiento. Existen por lo menos dos caractersticas fundamentales que distinguen las lneas de Wallner:(a) Las lneas de Wallner generalmente se encuentran en materiales o fases muy frgiles, donde las estriaciones de fatiga raramente son observadas.(b) Las estras de fatiga se pueden propagar en diferentes direcciones, sin embargo nunca se cruzan entre s, como ocurre con las lneas de Wallner.Ejemplos de estas micromarcas se muestran en las figuras 4.88 y 4.89.

Fig.4.88.- Rplica TEM de la fractura frgil de un carburo cementado WC-3Co. La fractura fue parcialmente intergranular (granos suaves) y parcialmente transgranular. Las lneas de Wallmer estn indicadas por la flecha blanca [156]. Note que ellas se cruzan.TEM=Microscopio electrnico de transmisin.

Fig.4.89.- Rplica TEM de la fractura de una aleacin Al 356-T6 donde se pueden observar las lneas de Wallner indicadas por las flechas blancas [156].La flecha negra muestra la direccin de propagacin de la grieta. Note que las lnes de Wallner se cruzan entre s. TEM=Microscopio electrnico de transmisin.Marcas de sierra o de trinquete El trmino marcas de trinquete es utilizado para describir las caractersticas que son muy tiles en la identificacin de las fracturas por fatiga as como en ubicar y contar el nmero de orgenes de fatiga. Estas marcas son esencialmente perpendiculares a la superficie a partir de la cual se origina la fractura por fatiga. Por lo tanto, en partes circulares, como ejes, las marcas de trinquete son esencialmente radiales, apuntando hacia el centro; en partes planas, tales como hojas de resortes, ellas inicialmente son perpendiculares a la superficie pero pueden curvar si la flexin es unidireccional.Las marcas de trinquete indican el lmite entre dos planos de falla adyacentes como se muestra en la fig. 4.12. Cuando mltiples ncleos de fatiga estn adyacentes uno al otro, cada uno iniciar su propio proceso de propagacin de la grieta de fatiga. Si los orgenes estn speramente en el mismo plano, la grieta por fatiga creciendo desde un ncleo comenzar a sobreponerse a la grieta por fatiga de otro ncleo.Cuando grietas adyacentes se sobreponen, el metal en el rea sobrepuesta se fracturar a travs de la distancia corta entre las dos grietas. Las marcas de trinquete no indican los orgenes; cada marca de sierra (ratchet mark) separa dos fracturas por fatiga adyacentes. A medida que la grieta se hace mas profunda, las grietas de cada origen tienden a crecer juntas y resultan ser esencialmente una fractura por fatiga que tiene numerosas zonas de origen. El nmero de marcas de trinquete iguala o es un nmero menor que el nmero de las zona de origen. Estas marcas pueden ser el resultado de esfuerzos elevados o de altas concentraciones de esfuerzos.No obstante, observando el nmero de marcas de sierra y el tamao de la zona instantnea, generalmente se puede decir si la carga o la concentracin de esfuerzos fueron la causa principal de la fractura. Por ejemplo la combinacin de varias marcas de sierra y una zona pequea de sobrecarga indica que la concentracin de esfuerzos produjo la rotura. Las figuras 4.13.y 4.14 muestra otros dos ejemplos de marcas de sierra.

4.2.3.-Efecto del tipo de solicitaciones sobre el aspecto de la fracturaEn piezas de maquinaria y estructurales, los mayores esfuerzos se presentan ms a menudo en filetes, agujeros e irregularidades geomtricas similares que concentran e incrementan el esfuerzo superficial. Estos se llaman concentradores de esfuerzos localizados.La mayora de los concentradores de esfuerzos quedan incluidos en los siguientes grupos:i) Aquellos producidos por cambios en la geometra de una pieza, como agujeros, roscas, chaveteros o cambios en dimetro en ejes y cabezas de tornillos, etc.ii) Discontinuidades en la superficie, como muescas, rayaduras, marcas de maquinado, corrosin, etc.iii) Defectos metalrgicos, como inclusiones no metlicas, fisuras muy pequeas, huecos, etc.En presencia de cargas fluctuantes, en los concentradores de esfuerzos 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.Debido a que la iniciacin de una fractura por fatiga no requiere de elevados esfuerzos, existe poca o ninguna deformacin en una parte o espcimen que se ha fracturado por fatiga. Si el esfuerzo mximo no excede la resistencia a la cedencia (usualmente el lmite elstico), no habr deformacin plstica o permanente aunque la regin de ruptura final puede tener alguna deformacin macroscpica. Sin embargo, si la parte ha estado sometida a esfuerzos elevados repetitivos, es decir de bajos ciclos de aplicacin de carga, habr deformacin dependiendo de la relacin esfuerzo-resistencia.No existe una lnea divisoria exacta entre esfuerzos extremadamente elevados, que corresponden a fatiga de bajo ciclo y los esfuerzos bajos que corresponden a un ciclo de fatiga elevado. Generalmente los investigadores utilizan el diagrama esfuerzo-ciclos (vida de fatiga) basado en la ecuacin de Manson Coffin Basquin [32-35] quienes adoptaron el criterio de considerar que una regin de bajo ciclo de fatiga se extiende desde 10 a 10.000 ciclos y la regin de alto ciclo de fatiga se extiende desde los 10.000 ciclos hasta 106 107 ciclos.Una medida prctica de estimar cualitativamente el nivel de esfuerzo relativo es observar el grado de deformacin; si hay deformacin plstica, un gran nmero de aplicaciones de carga fue requerido para la fractura (fatiga de ciclo bajo). Si no ocurre deformacin, la pieza fue bruscamente sobrecargada (fatiga de ciclo alto ). Cabe mencionar que para materiales dctiles, la fatiga de ciclo alto ocurre despus de 106 ciclos [36].Resumiendo: 1. Fatiga de bajo ciclo < 10.000 ciclos. Es aquella donde se produce una gran deformacin plstica. Implica ciclos grandes y vida relativamente corta. El procedimiento experimental que se usa son ensayos de fatiga a deformacin controlada. 2. Fatiga de ciclo alto> 10.000 ciclos. Es aquella donde los esfuerzos y deformaciones yacen en la regin elstica. Implica cargas pequeas y vida larga. El mtodo experimental es usar ensayos para determinar las curvas de vida de fatiga (S vs.N).Es importante no solamente examinar la superficie de fractura sino que tambin debe examinarse el resto de la pieza para ver si hay alguna deformacin previa. Por ejemplo si la fractura es por flexin unidireccional, es til reensamblar las piezas cuidadosamente para determinar si haba una deformacin previa en la pieza antes de la fractura.Las fallas por deformacin en los ejes, se produce por que las cargas de servicio hacen que se sobrepase la resistencia a la fluencia del material, la cual es del orden de 50% a 90% de la resistencia mxima. Si es la resistencia mxima la que se sobrepasa en los ejes, se tendr la formacin de fracturas dctiles o frgiles.La fractura por fatiga se produce cuando los esfuerzos en servicio son del orden de un 30% a 50% de la resistencia mxima [36], lo cual origina una serie de grietas que crecen durante el trabajo de los ejes (rotaciones). De tal manera que para que no se produzcan deformaciones o fracturas, la carga debe mantenerse por debajo de los valores descritos.La fatiga es fcilmente identificable en una pieza fracturada por la apariencia de la superficie de fractura, la fig.4.16 muestra esquemticamente el aspecto tpico de una fractura por fatiga. La superficie de fractura puede ser dividida en tres zonas:I. Zona de inicio. Las superficies de fractura por fatiga en su etapa de inicio no presentan rasgos sobresalientes, siendo estas superficies lisas, planas, brillantes y con muy pocas lneas, pudiendo notarse pequeos escalones en la zona de iniciacin debido a la nucleacin de varias grietas simultneamente. Generalmente el lmite de la zona de iniciacin est bien definido por una lnea de frente de propagacin.II. Zona de propagacin estable. Es un superficie relativamente plana, perpendicular a la direccin del esfuerzo principal mximo, brillante u opaca segn el medio en que se encuentre la pieza. La principal caracterstica de esta superficie es la presencia de marcas paralelas en forma de ondas o surcos paralelos entre s ligeramente curvados y que parecen converger hacia el punto de inicio. Estas marcas son conocidas con el nombre de marcas de playa, por su semejanza con las ondas formadas en la arena por el viento y la marea.

Fig.4.17.- Dibujo esquemtico de una superficie de fractura mostrando las lneas de playa Estas marcas de playa son formadas por el frente de propagacin de la grieta cuando este sufre alguna alteracin por variacin de la amplitud de la carga, detencin temporal o cambio del ambiente. Debido a esto ellas son valiosas para reconstruir la secuencia de falla.La segunda caracterstica son una serie de escalones o bordes radiales, paralelos a la direccin de propagacin de la grieta y que se forman cuando la grieta se propaga en niveles ligeramente diferentes.III. Zona de fractura final. Cuando la grieta est prxima a alcanzar su tamao crtico, la elevada concentracin de esfuerzos provoca una transicin a una fractura por corte y la superficie de fractura se hace ms rugosa y comienza a inclinarse hasta un ngulo cercano a 45 , formando un labio en la zona de desprendimiento final.Dependiendo de la ductilidad del material, puede presentarse una deformacin severa e incluso un cuello en esa zona.Cabe hacer notar que aunque las marcas de playa y estras, que son caractersticas de la superficie de fractura por fatiga, tienen una apariencia similar, ellas son diferentes en cuanto a su origen y tamao. Pueden haber miles de estras dentro de una sola marca de playa. Frecuentemente, la causa de la fractura por fatiga se puede deducir despus del exmen de las superficies de fractura.La presencia de marcas de playa y o estras sobre la superficie de fractura confirma que la causa ha sido por fatiga, no obstante, la ausencia de una de ambas marcas no excluye la fatiga como causa de la fractura. Cuando la fractura se produce rpidamente no aparecern marcas de playa y estras como se muestra en la fig. 4.17(a). En esta probeta la fractura es frgil y fue sbita, donde la pieza en la zona de fractura no muestra deformacin plstica a simple vista. La superficie de la grieta es de aspecto granular. La fig.4.17(b) es un ejemplo de fractura dctil y sbita, en la zona de fractura muestra deformacin plstica a gran escala. La superficie de la grieta presenta una zona fibrosa y otra de desgarre.La fig.4.18(a) muestra una fractura progresiva a altos ciclos. En esta fractura se tiene una zona de crecimiento de grieta en servicio (marcas de playa) poco rugosa y otra de fractura sbita final. La fig.4.18(b) muestra una fractura progresiva a bajos ciclos. En esta fractura se tiene una zona de crecimiento de grieta en servicio (marcas de playa) rugosa y otra de fractura sbita final.La naturaleza compleja del fenmeno de fatiga, en que la influencia de los distintos parmetros no actan de manera aislada, constituye la razn de que exista una gran variedad de fracturas que generalmente acompaan a las fallas de piezas en la industria. Debido a esto, en el estudio de una fractura por fatiga, a menudo se recurre a una gran cantidad de tablas, y de representaciones esquemticas del aspecto de las superficies fracturadas por fatiga. La mayora de estas tablas muestran dibujos esquemticos del aspecto de la superficie de fracturas de fallas producidas en componentes cilndricos lisos y con ranuras bajo distintas condiciones de carga, las tablas 4.1. y 4.2 son un ejemplo de ello.

Fig.4.18.- Fracturas sbitas en aceros de construccin [37]

Tabla 4.2.- FALLA DE FATIGA POR TORSIN EN EJES Y BARRAS [39]. (Reimpreso con autorizacin de .N. Sachs P.E., Sachs Salvatierra & Associates Inc.)

La tabla 4.3 resume los efectos del tipo de solicitaciones sobre el aspecto de la fractura en ejes. Esta tabla es una representacin esquemtica de las superficies de probetas fracturadas por fatiga con varias combinaciones de estados de esfuerzo en secciones cilndricas, cuadradas y en secciones transversales rectangulares de planchas gruesas. Esta clasificacin est basada en las siguientes observaciones: (a) El rea ocupada por la regin de fractura brusca final disminuye con el aumento de la tensin para un mismo material. (b) Muchos puntos de origen indican una severa concentracin de tensiones; esto se observa mejor cuando las tensiones son elevadas. Estos mltiples frentes se unen a medida que las grietas se propagan. Antes de formar un solo frente, las grietas que estn separadas tienen un aspecto caracterstico conocido como marcas de sierra o marcas de trinquete o ratchet marks. (c) Una grieta avanza ms en una zona de esfuerzos tri-axiales elevada, adquiriendo una forma convexa (ejemplo: esfuerzos elevados, sin concentraciones de esfuerzos, traccin) cuando la zona de mayor esfuerzos tri-axiales est localizada en la periferia, debido a una entalla, la grieta puede invertir su curvatura que pasa a cncava (esfuerzos bajos, concentracin de esfuerzos severos, traccin) o tomar una forma de H (esfuerzos elevados, concentracin de esfuerzos medios, tensin). (d) La diferencia entre el aspecto de una fractura resultante por flexin unidireccional y traccin es bsicamente la localizacin del inicio de la grieta, en el primer caso la ubicacin del inicio es mas externa que para traccin. Para secciones rectangulares la diferencia es ms clara.TABLA 4.3.- EFECTO DE LAS SOLICITUDES SOBRE EL ASPECTO DE LA FRACTURA [40].

4.3. EJEMPLOS DE ESTUDIO

Fallas por desgaste La resistencia a la corrosin de metales y aleaciones depende de la formacin de pelculas de xidos, capas superficiales de productos de la corrosin o de aleaciones formadas con el mismo metal a proteger (e.g. aluminizado de aceros). En condiciones de servicio, que involucran contacto con lquidos que fluyen a gran velocidad o con alto grado de turbulencia, estas capas protectoras pueden impedirse que se formen o pueden ser arrancadas y llevadas lejos exponiendo el metal fresco a la corrosin. Este efecto continuo de erosin, que impide la formacin permanente de un film protector y la corrosin del metal expuesto, puede conducir a un ataque rpido localizado causando prdidas de metal o aleacin y a menudo penetracin en el material. Este tipo de ataque se conoce como corrosin/erosin o ataque por impacto [1].9.1.- EROSIN CORROSINHay varias formas de ataque que se producen debido al rgimen turbulento de gases, vapores y fluidos corrosivos que se mueven a gran velocidad cuando estn en contacto con una superficie metlica. El ataque por lquidos se ha definido como la prdida progresiva de material original de una superficie debido a una exposicin continua a impactos por gotas del lquido o chorros [2].El proceso de erosin corrosin puede ser descrito esquemticamente por la secuencia mostrada en las figuras 9.1 (a) 9.1(d). La fase de vapor contenida en un lquido en movimiento se condensa formando gotas o partculas suspendidas las cuales al chocar con una superficie y debido a su momentum pueden remover la capa protectora de las aleaciones y erosionar la superficie libre, creando un pequeo hueco (fig.9.1a). A medida que mas gotas chocan localmente, el hueco crece aumentando el tamao del dao superficial (figs. 9.1(b) a (9.1d).Este proceso tiende a la formacin de surcos, valles, superficies onduladas, huecos, etc., con una apariencia caracterstica tal como colas de cometas, marcas en forma de lgrimas o de herraduras, etc.. La fig. 9.1(e) muestra la seccin transversal de la superficie erosionada de una placa de acero recubierta con una capa delgada de cobre. En ella se puede ver la similitud de los perfiles de las hendiduras mostrados en las figuras 9.1 (c) y 9.1(d) con los perfiles de la fig.9.1(e) .

Fig.9.1.- (a) (d) Secuencia esquemtica de la formacin de picaduras por el rgimen turbulento del flujo en un proceso de erosin-corrosin [3]. (e) Seccin transversal de una superficie erosionada en un recubrimiento de cobre sobre una lmina de acero [4].(Figuras (a) a la (d) reproducidas con autorizacin de Corrosion Testing Laboratorios Inc, Newark, DE). Fig.(e) resultados de A. Levy, ASM Internacional Park, OH, (1977).La fig.9.2 es un ejemplo de una seccin longitudinal de un tubo de cobre con un flujo de agua atacado por erosin corrosin donde se muestra el perfil individual de las picaduras bajo la superficie.Direccin del flujo de agua

Fig.9.2.- Corrosin erosin con agua en la superficie interior de un tubo de cobre, donde se pueden ver el perfil de cavidades individuales en forma de lgrimas [5]. (Figura reproducida con permiso de Corrosion Testing Laboratories, Inc, Newark, USA)La mayora de los metales y aleaciones pueden ser afectados por corrosinerosin cuando sus superficies estn en contacto con fluidos en movimiento, particularmente los metales blandos como cobre, aluminio, plomo, etc. Tambin aquellos cuya resistencia a la corrosin depende de una capa protectora como por ejemplo, las aleaciones de aluminio y aceros inoxidables.La corrosin-erosin se produce en lugares donde se desarrolla turbulencia la cual socava la superficie del metal en ese punto. Un ejemplo de esto se muestra en la fig.9.3. Esta turbulenca puede desarrollarse por una velocidad excesiva y cambios bruscos de direccin del flujo (fig 9.3a) o por obstculos, tales como rebabas al extremo de un tubo (fig.9.3b) y gotas de soldadura (fig.9.3c).

Dao por hidrgeno El dao por hidrgeno es un trmino general que se refiere al dao mecnico de una aleacin por la presencia o interaccin con el hidrgeno. Este dao puede clasificarse en cuatro categoras:a) Formacin de ampollasb) Ataque por el H2 a temperaturas elevadasc) Decarburizacind) Fragilizacin por Hidrgeno8.1.- FORMACIN DE AMPOLLAS.Formacin de ampollas por hidrgeno puede ocurrir cuando el hidrgeno penetra al acero como resultado de la reaccin de reduccin sobre un ctodo metlico. El in H+ se difunde en la aleacin y cuando encuentra otro in similar reacciona produciendo H2 , esta molcula no puede difundirse a travs de la aleacin y queda atrapada en alguna inclusin o grieta desarrollando una presin tal que es capaz de romper los enlaces y causar la rotura del metal. Una ilustracin esquemtica de la formacin de la ampollas y del aspecto del dao producido se muestran en las figuras 8.1 a 8.3.8.2.- ATAQUE POR H2 A TEMPERATURAS ELEVADAS.El ataque por hidrgeno a temperaturas elevadas se refiere a la reaccin entre el hidrgeno con algn componente de la aleacin. La reaccin del hidrgeno con Fe3C para formar metano es probablemente la reaccin qumica ms importante que ocurre en el ataque del H2 al acero. La reaccin que tiene lugar es:

El metano formado por la reaccin (8.1) se ubica en los bordes de grano y en huecos ya que no difunde fuera del metal. Una vez que se ha acumulado en los bordes de grano y huecos, se expande y forma ampollas, debilitando la resistencia mecnica y creando grietas.Aceros de alta resistencia de bajo carbono (High strength low alloys steels) son particularmente susceptibles a sufrir este tipo de dao que produce fragilidad (especialmente aceros al 0,05%Mo ).8.2.1.- Decarburizacin.La decarburizacin se refiere a la reaccin superficial de hidrgeno con carburos del acero a temperaturas elevadas formando hidruros los cuales deterioran las propiedades mecnicas de la aleacin. Cuando el acero est en contacto con productos de la combustin, generalmente petrleo o gas, su superficie se oxida formando una capa y ocurre una decarburizacin simultnea. La microestructura del acero decarburizado se muestra en las fig. 8.4. Bsicamente, se forma una capa de xido la cual crece produciendo CO segn

Esta reaccin ocurre siempre que el CO pueda escapar a travs de la capa de xido. En las condiciones industriales la capa que se produce es porosa y la remocin del CO no es problema.El efecto ms importante de la decarburizacin sobre las propiedades mecnicas es disminuir la resistencia a la traccin que es la causa principal de la fracturas.

8.2.2.- Inclusiones.Cuando existen inclusiones que reaccionan con el hidrgeno, la presin de los componentes gaseosos liberados pueden causar rupturas del material, un ejemplo de esto es una inclusin de Cu2O, que reacciona con el hidrgeno segn:

Siendo K la constante termodinmica de equilibro de la reaccin

8.3.- FRAGILIZACIN POR HIDRGENO.Cuando el hidrgeno entra en el acero y en otras aleaciones, por ejemplo aleaciones de aluminio y titanio causa una prdida de ductilidad o un agrietamiento (generalmente en forma de micro-grietas), o una fractura frgil catastrfica al aplicar un esfuerzo muy por debajo del esfuerzo de fluencia [5, 6]. La interaccin del hidrgeno con aceros de alta resistencia [7-14] y especialmente aleaciones de aluminio [15-21] y titanio [22-26] son causa de fallas prematuras en muchos sistemas, como por ejemplo: a) los trenes de aterrizaje de los aviones, b) los depsitos de combustible de refineras y plantas qumicas, c) las turbinas de gas y vapor, d) las tuberas y vlvulas para el transporte de lquidos de pH bajo y combustibles y e) tuberas que transportan gases procedentes de la combustin, etc.La fragilizacin por hidrgeno es especialmente catastrfica debido a la naturaleza de la falla originada. Dicha fractura frgil sucede a tensiones muy pequeas (en comparacin a las que seran necesarias en ausencia de hidrgeno) y tienen un perodo de incubacin extremadamente variable que la hace prcticamente imposible de predecir.El hidrgeno siendo el tomo ms pequeo de todos los elementos, puede ser introducido con facilidad en la microestructura de un material durante un proceso de manufactura, por ejemplo durante la colada, soldadura, limpieza de una superficie con agentes qumicos, maquinado con electroerosin, tratamiento trmico, galvanizado, etc., como tambin puede ser introducido por el medio ambiente mediante un electrolito o por vapor de agua como es el caso de soldadura. De tal manera que el hidrgeno atmico que llega a la punta de una grieta puede provenir de una de las tres fuentes posibles de suministro: a) gaseosa, b) vapor de agua y c) de un electrolito. La fig.8.5 muestra esquemticamente las etapas de cada proceso segn su fuente de origen.Una carga (esfuerzos) produce una redistribucin del hidrgeno disuelto cercano a la punta de una grieta lo que promueve su crecimiento. Para explicar el dao por hidrgeno segn la fuente de origen, se han propuesto varias teoras y parece existir un gran consenso de que la fuente principal de hidrgeno son los ambientes hmedos, esto ha sido corroborado por los experimentos realizados con aleaciones de Aluminio de la serie 7000 [27] .La interaccin entre el Hidrgeno y la aleacin puede resultar tanto en su ubicacin en forma de solucin slida, su precipitacin como hidruro o la existencia de Hidrgeno molecular (H2) dentro de la red cristalina [28]. En general el fenmeno de fragilizacin puede ser clasificado en dos tipos distintos, de acuerdo a su dependencia con la velocidad de deformacin. En el primer tipo, es consecuencia de la presencia de productos de una reaccin del H con los tomos de la aleacin en cuestin e involucra procesos de fractura de los precipitados de segundas fases (hidruros). En el segundo tipo, una reaccin aleacin-hidrgeno que ocurre al mismo tiempo que la fragilizacin, controla el grado de ella observado.En este tipo se requieren reacciones simultneas con el proceso de fractura mecnica. Este segundo tipo no requiere de la reaccin con precipitados de segunda fase. En el primer caso el efecto de fragilizacin es agravado por el aumento de la velocidad de deformacin, mientras que en el segundo disminuye al aumentar la velocidad.Los procesos que ocurren en el sistema aleacin -Hidrgeno son bastante complejos que ha sido imposible obtener una comprensin total de los mecanismos actuantes en los distintos casos. Adems, la potenciacin de ste fenmeno con otros mecanismos actuantes simultneamente, como es el caso de la corrosin aumentan la complejidad del problema. Las teoras propuestas para describir la interaccin del Hidrgeno con el metal se agrupan en una o ms de las siguientes categoras:(a) Formacin de burbujas con generacin de presiones elevadas [29].(b) Teoras de adsorcin, reduccin de la energa superficial por adsorcin de H[30].(c) Modelos de decohesin, basados en la reduccin de la fuerza cohesivainteratmica por la presencia de H+ [31].(d) Efectos sobre la deformacin plstica, relacionando el efecto del H con lamovilidad de las dislocaciones [32].(e) Precipitados de hidruros frgiles que deterioran las propiedades mecnicas [33].El mecanismo de la teora ms simple supone que durante la deformacin plstica el hidrgeno en forma molecular es adsorbido y se disocia, los tomos de hidrgeno debido a su tamao pequeo y gran movilidad se difunden en la red cristalina del metal y al llegar a una superficie interna como fisuras, huecos o a una grieta se recombina y entonces forma hidrgeno molecular dentro de la aleacin. Si el hueco est situado cerca de la superficie sus paredes ceden a la presin del hidrgeno molecular acumulado y forma una burbuja que se rompe (figs. 8.2 y 8.3). Al llegar a una fisura o hueco interno el hidrgeno molecular producido por la recombinacin del atmico ejerce una presin tan grande que se inicia la formacin de una grieta impidiendo la deformacin plstica del material. El resultado es la propagacin de la grieta bajo la tensin aplicada.

Fig.8.5.- Secuencia de los procesos elementales que ocurren en la migracin de hidrgeno atmico a la punta de la grieta en la zona de fractura, desde las posibles fuentes de origen: a) hidrgeno gaseoso, b) vapor de agua y c) desde un electrolito. La lnea desegmentos indica el lmite exterior de la zona plstica.Fatiga con corrosin 7.1.- CARACTERSTICASFatiga por corrosin (FC) es un caso especial de la corrosin bajo tensin (CBT) y es causada por los efectos combinados de esfuerzos cclicos y procesos de corrosin que producen fracturas frgiles. Ningn metal es inmune si est en un medio corrosivo. La diferencia entre FC y CBT es que la primera se produce bajo cargas cclicas y la segunda bajo cargas estticas. El dao de fatiga por corrosin es mayor que la suma del dao por separado de fatiga mecnica y corrosin. La combinacin de procesos que originan fatiga por corrosin son los siguientes:

Fig.7.1.- Etapas y procesos que producen fatiga con corrosin.7.1.1.- Esfuerzos.El nivel de los esfuerzos para producir fatiga por corrosin puede ser, y generalmente lo es, mucho menor que la resistencia en el punto de cedencia del metal. Sin embargo y en general, los esfuerzos ms altos incrementan la rapidez del crecimiento de las grietas y el nmero de ellas que se inician. Los factores ms importantes que afectan a la fatiga por corrosin es la frecuencia y la forma de la onda del esfuerzo cclico.Debido a que la corrosin en un factor esencial en el mecanismo de la falla, y que los procesos de corrosin requieren de tiempo para la interaccin de las aleaciones y su ambiente, la vida de la aleacin depende de la frecuencia de los esfuerzos cclicos. Una frecuencia de esfuerzo relativamente baja permiten un tiempo suficiente para que ocurra la corrosin; unas frecuencias altas podran no permitir el tiempo suficiente para los procesos de corrosin necesarios para la fatiga con corrosin.A medida que se incremente la frecuencia, el modo de falla se desplazar gradualmente de una fatiga por corrosin a una simple fatiga mecnica. El estudio experimental de la fatiga con corrosin se realiza en medios acuosos y gaseosos y cuando el medio lquido es un electrolito es posible variar el potencial de la aleacin con respecto al electrodo de referencia usando un potenciostato. Se realizan dos tipos de ensayos:

Los ensayos con probetas no agrietadas, pueden ser con o sin entalla y sometidas a cargas o deformaciones cclicas. Es estos ensayos se mide el tiempo de falla tf que generalmente se expresa en nmero de ciclos:

Fig.7.2.- Comparacin de las curvas de Wohler de materiales que sufren fatiga mecnica con y sin lmite de fatiga y materiales que sufren fatiga por corrosin.

Fig.7.3.-Efecto del medio y de la frecuencia aplicada sobre la velocidad de propagacin de la grieta durante un ensayo de fatiga por corrosin de un acero inoxidable dplex [3].( Figura reimpresa con autorizacin de Springer Science + Business Media, B.V, The Netherlands).

La fatiga por corrosin por ser el resultado de la accin combinada de fatiga mecnica y de procesos de corrosin, la aceleracin de la grieta generalmente se asocia con alguna contribucin de un ambiente corrosivo y su crecimiento con un mecanismo de fractura por fatiga. Las curvas S-N o de Whoeler en la fig.7.4 ilustran este efecto.

Fig.7.4.- Efecto del medio ambiente sobre la frecuencia de carga en la vida de fatiga (S-N) de una probeta de acero de bajo carbono sin entalla [4]. (Figura reproducida con autorizacin de Springer Science+Business Media, B.V, The Netherlands).Endo y Miyao [5] realizaron ensayos de flexin rotativa en probetas de acero de bajo carbono sin entalla en tres ambientes diferentes: aire, agua potable y agua salada. Al igual que en la fig.7.3 se observa un efecto dramtico en la curva S-N. Una vez ms, una gran reduccin del lmite de fatiga es evidente, lo que concuerda con la tendencia mostrada en la fig.7.4. Los resultados tambin indican que la frecuencia de la carga de fatiga tiene un efecto sobre la curvaS-N lo que se puede apreciar en los ensayos en agua potable y salada para las frecuencias de 42 Hz y 4Hz. En un ambiente corrosivo, la iniciacin y crecimiento de las grietas son afectadas por el ambiente. En algunos materiales resistentes a la corrosin, la iniciacin de una grieta puede no ser afectada por el medio mientras que su crecimiento si es acelerado por el medio.7.1.2.- Frecuencia.La frecuencia de carga y la forma de la onda tienen un efecto apreciable sobre el crecimiento de la grieta en medios gaseosos y lquidos. Como se dijo en el captulo IV (fig. 4.1), en los ensayos de fatiga el tipo de onda de carga por lo general es sinusoidal, sin embargo en la prctica la forma puede ser muy diferente muestra varios tipos de ondas usadas en los ensayos de fatiga por corrosin.Algunos autores [5-8] han puesto de manifiesto la influencia de la frecuencia de ensayo en la velocidad de propagacin de las grietas en aleaciones de aluminio en presencia de ambientes agresivos gaseosos y lquidos.Estos autores han observado que en sus experimentos existe una velocidad de propagacin crtica a partir de la cul el crecimiento de grietas por fatiga en agua de mar se desva hacia la curva correspondiente al ambiente inerte de referencia.Como se puede apreciar en la fig. 7.5 a medida que disminuye la frecuencia de ensayo aumenta la velocidad de propagacin. Este efecto, que no se da en ambientes inertes , es caracterstico de la corrosin con fatiga y se debe a que al disminuir la frecuencia aumenta el tiempo disponible para que interaccionen el medio agresivo y el material, con lo que la fragilizacin que se produce es mayor.En general, muchos materiales son sensibles a una combinacin de esfuerzos, medio ambiente y microestructura. Un ejemplo se muestra en la fig.7.6 en un acero en base niquel ensayado en una solucin 3% NaCl y en aire.Fig.7.5.- Efecto de la frecuencia en la velocidad de propagacin de las grietas en un ensayo de fatiga con corrosin de la aleacin de aluminio 7475 en aire y agua salobre [9].(Resultados de A. M. Green y J. F. Knott).cpm = ciclos por minutoFig. 7.6.- Efecto de la frecuencia en la velocidad de propagacin de las grietas en un ensayode fatiga con corrosin de un Acero 12Ni-5Cr- 3Mo en aire y en una solucin 3% NaCl [10]. (Figuras 7.5 y 7.6 reproducidas con autorizacin de Springer Science and Business Media, The Netherlands).7.1.3.- Propagacin de las grietas de Fatiga con Corrosin.Hasta ahora, el mecanismo que controla la iniciacin de una grieta no se ha esclarecido, porque son mltiples los factores que toman parte en su iniciacin.El crecimiento de una grieta puede dividirse en cuatro etapas: a) Iniciacin, b) Crecimiento con una direccin de 45 relativa a la direccin del esfuerzo principal, etapa I, c) Crecimiento con el plano de la grieta normal al esfuerzo principal, etapa II y d) Fractura rpida, como se muestra en forma esquemtica en la fig.7.7.Fig.7.7.- Etapas del crecimiento de una grieta [11]. (Figura reproducida con el permiso de Springer Verlag, London).Cuantitativamente es posible estudiar la velocidad de crecimiento de una grieta mediante mecnica de fractura, en conjunto con la observacin microscpica [12, 13]. El criterio que determina cuando una fractura frgil se propagar o no, es el factor de intensidad de esfuerzos K en la punta de la grieta, siempre y cuando la longitud de ella sea > 0,3 mm [14].Para el caso de modo de falla I, traccin (fig.7.8a), y para probetas cilndricas y planas (fig.7.8b) el factor de intensidad de esfuerzos puede escribirse como:

Fig.7.8.- Geometra adecuada de las probetas para la aplicacin de la ecuacin [15]. (Reproducida con autorizacin del Prof. L. Palaghian, University Dunarea de Jos of Galati, Rumania).

Esta ecuacin adopta diferentes formas segn sea el mecanismo que acte, en la fig.7.9 se compara esquemticamente fatiga mecnica pura y fatiga con corrosin.

Fig.7.9.- Comparacin de las curvas da/dN en funcin de K, para un material en fatiga mecnica pura y en fatiga con corrosin.Los factores que influyen en la forma de la curva de fatiga por corrosin de la fig.7.9 son :

Corrosin bajo Tensin La corrosin bajo tensin es un caso particular de corrosin y se manifiesta como un fenmeno de agrietamiento que sufren ciertas aleaciones cuando estn en contacto con medios bien especficos y sometidas a una tensin que puede ser externa, tal como la tensin de trabajo, o interna, debida a la conformacin en fro del material, pero ha de tener siempre una componente de traccin.La corrosin bajo tensin se presenta en muchas aleaciones de uso industrial, pero no se ha observado en metales puros, excepto bajo condiciones muy extremas de laboratorio, histricamente el primer caso de corrosin bajo tensin corresponde a la llamada corrosin estacional (season cracking), que se presentaban en cartuchos de latn conformados en fro, en atmsferas amoniacales hmedas, y aparecan con mayor frecuencia, por lo tanto, durante la pocas mas hmedas del ao [1,2]Las grietas suelen iniciarse en el punto de mxima concentracin de tensiones y se propaga en planos macroscpicamente perpendiculares a la tensin aplicada, conduciendo el agrietamiento a la disminucin de la seccin til del material, lo que puede dar lugar a roturas catastrficas.La fig.6.1 [3] muestra un ejemplo de falla catastrfica. Un tanque que contena amonaco anhdro se fractur. La grieta se produjo por esfuerzos residuales originados por una abolladura en el extremo esfrico del tanque lo cual lo hizo susceptible a corrosin bajo tensin en amonaco anhidro.La composicin qumica del acero usado estaba de acuerdo con las normas ASTM A285 y los ensayos Charpy mostraron que el acero era susceptible a la fractura frgil, lo cual indicara que la fragilidad del acero se debe fragilizacin por envejecimiento.

Fig.6.1.- Dos vistas de la falla catastrfica por corrosin bajo tensin de un tanque de amonaco anhidro [3]. (Fotos reproducidas con permiso de Packer Engineering Inc. IL, USA.)6.1.- CARACTERSTICAS DE LA CORROSIN BAJO TENSIN.La Corrosin Bajo Tensin (CBT) est influenciada por la interaccin de la aleacin y el ambiente [4] y tiene las siguientes caractersticas:Accin conjunta.- Las grietas son causadas por las imperfecciones de la superficie, la combinacin de esfuerzos y un agente ambiental especfico, generalmente en solucin acuosa. Aplicacin separada o alternada de esfuerzos o exposicin al ambiente es insuficiente.Esfuerzos.-Los esfuerzos pueden ser aplicados externamente o pueden ser residuales debido al proceso de fabricacin. Si se eliminan los esfuerzos el problema desaparece.Medio ambiente.Las condiciones para que ocurra CBT son muy especficas y para un metal o aleacin dada, el agrietamiento es producido slo si una especie o especies determinadas estn presentes.Vida de falla.-La vida disminuye con el incremento de los esfuerzos y es la suma de dos partes: (a) un perodo de induccin que determina la mayor parte de la duracin de la vida, por ejemplo, semanas o aos y (b) la rapidez del perodo de propagacin, tpicamente horas o minutos.Morfologa de las grietas.Las grietas son frgiles sin deformacin, aun si el modo de falla es dctil. El camino de las grietas es una caracterstica del metal o aleacin. Para algunas aleaciones es intergranular, para otras es transgranular y por ltimo para otras es indistinto.La tabla 6.1 muestra un resumen de algunos medios ambientes y sus aleaciones respectivas que sufren corrosin bajo tensin y el in que se supone es el causante de la corrosin.TABLA 6.1. Algunos medios ambientes de sistemas que presentan CBT [5].

Los esfuerzos que causan las grietas pueden ser residuales producidos durante los procesos de fabricacin como laminado, soldadura, tratamiento trmico etc., aplicados durante el servicio. El agente corrosivo puede ser relativamente suave y por lo tanto generar un ataque muy ligero cuando se produce la grieta. El nivel de esfuerzos y la existencia de defectos jugarn un papel muy importante.Se sabe que la corrosin bajo tensin se produce a esfuerzos bajos y nicamente si el esfuerzo de tensin o el voltaje aplicado estn en un intervalo crtico pequeo. En caso contrario, a valores elevados de tensin, los metales y aleaciones parecen ser inmune a la corrosin bajo tensin CBT ya sea debido a una reparacin de film o solo se fracturan por simple falla mecnica. La fig.6.2 muestra la curvas clasicas esfuerzo-deformacin de Parkins [6] para evaluar la susceptibilidad a la CBT de acero al carbono en dos ambientes diferentes a temperatura relativamente alta, utilizando la tcnica de velocidad de deformacin lenta. La figura muestra que el acero en un medio de NaNO3 experimenta CBT comparado con el mismo acero en un medio inerte (aceite).

Fig.6.2.- Curvas de traccin de un acero al carbono en aceite y en nitrato de sodio [6]. (Figura reproducida con autorizacin de Springer Science+Business Media, B.V., The Netherlands).Para que un material dctil sufra CBT, debe existir un lmite inferior y un lmite superior de velocidad de deformacin para un potencial constante aplicado, inversamente, debe existir un intervalo de potencial para una velocidad de deformacin constante. Esto se ilustra esquemticamente en la figura 6.3 [7]. En esta figura, el rectngulo de lneas punteadas indica el intervalo de velocidad de deformacin y la gama de posibilidades para la activacin de las grietas por CBT. Las condiciones crticas de CBT corresponde a la ductilidad mnima. Tambin se indica en la fig.6.3 la curva de agrietamiento inducido por hidrgeno (AIH) para materiales frgiles.Fig.6.3- Representacin esquemtica del efecto de la velocidad de deformacin sobre la ductilidad, cuando se usa el mtodo de velocidad de deformacin baja [7]. (Figura reproducida con autorizacin de Springer Science + Business Media, B.V, The Netherlands).

6.2.- FACTOR DE INTENSIDAD DE ESFUERZOS.En ciencia de materiales el parmetro que describe la resistencia a la fractura de un material que tiene una grieta, es el factor de intensidad de esfuerzos KIC, donde el subndice IC se refiere al modo I de fractura (abertura de la grieta). En condiciones de corrosin bajo tensin las grietas se desarrollan a valores muy por debajo de KIC, de tal manera que el valor umbral del factor de intensidad en este caso, denominado KISCC es menor del 1% del valor umbral de KIC como se muestra en la tabla 6.2.Tabla 6.2. Valores de KIC y KISCC para algunas aleaciones [8].

La grieta se inicia a KISCC y la etapa controlante de su crecimiento (la velocidad ms pequea) en la mayora de los casos es la velocidad de difusin de los iones agresivos hacia la punta de la grieta. A medida que la grieta crece, K tiende a KIC hasta que alcanza su valor donde se produce la falla del material.El valor lmite de K cuando , es el factor de intensidad de esfuerzo umbral KISCC. Este parmetro no depende de las propiedades del material como es el caso de KIC, pero depende de la combinacin material medio ambiente.La fig. 6.4 muestra esquemticamente la forma tpica de una curva logartmica da/dN versus de un material que sufre corrosin bajo tensin y la fig.6.5 muestra esquemticamente la influencia de los tres mecanismos que contribuyen a la propagacin de las grietas: a) fatiga mecnica, b) fatiga con corrosin y c) corrosin bajo tensin.Fig.6.5.- Comparacin esquemtica de la influencia de tres mecanismos de corrosin en la forma de las curvas de velocidad de crecimiento en funcin del factor de intensidad de esfuerzos. Fatiga mecnica comparada con a) fatiga con corrosin, b) corrosin bajo tensin y c) una combinacin de CBT y fatiga con corrosin.La fig.6.6 muestra un ejemplo real de la variacin de la velocidad de crecimiento de las grieta versus la intensidad de esfuerzo para una aleacin de aluminio 7079 en una solucin de yoduro de potasio 3 m en funcin de la temperatura. Slo se han graficado los datos de las regiones I y II. A medida que aumenta la temperatura, las curvas se desplazan hacia arriba, es decir, para un valor del esfuerzo dado, la velocidad aumenta con la temperatura.Fig.6.6.-Variacin de la velocidad de crecimiento de grieta en funcin de K a distintas temperaturas en una aleacin de aluminio 7079-T7651 en sol. de yoduro de potasio 3 m, pH=6 [9].(Figura reproducida con autorizacin del Prof. M.O. Speidel, Institute of Metallurgy Swiss Federal Institute of Technology ETH-Zentrum, Zrich, Switzerland).Picaduras V. EL PAPEL DE LAS PICADURAS EN CORROSIN BAJO TENSIN Y FATIGA CON CORROSIN5.1.-INTRODUCCINLas picaduras son un tipo de corrosin localizada en una superficie metlica que da como resultado la formacin de agujeros y cavidades. Su presencia reducen significativamente la resistencia y la vida de fatiga de los materiales, especialmente en regmenes de fatiga de ciclos elevados. Tpicamente los limites de resistencia de un material, debido a las picaduras, se reduce a la mitad o menos de la resistencia del mismo material no corrodo. Es bien conocida la drstica reduccin de la resistencia a la fatiga causada por picaduras en aceros [1] y aleaciones de aluminio [2] tanto en fatiga con corrosin (FC) y corrosin bajo tensin (CBT). De tal manera que para visualizar el papel de las picaduras se han efectuado diversos ensayos de fatiga, un ejemplo se muestra en la fig.5.1.A probetas de una aleacin de aluminio 7075-T6 se les hizo una entalla en su superficie de aproximadamente 0,3 mm de profundidad simulando una picadura. Estas probetas junto a otras sin entalla se utilizaron para obtener curvas S-N las cuales se muestran en la fig. 5.1. En esta figura se puede ver que la resistencia a la fatiga a amplitudes elevadas de la tensin se reduce cerca de seis veces, pero el efecto ms dramtico es la reduccin del lmite de fatiga Sf, sin picadura es 275 MPa, mientras que con picadura es slo 110 MPa.La fig.5.2 muestra los resultados de un ensayo de fatiga con corrosin en un acero al cromo en aire y en una solucin acuosa de 3% NaCl. Se utilizaron dos tipos de probetas (con picaduras) unas granalladas (shot peening) y otras sin granallado. El objetivo del granallado fu producir una capa superficial de trabajo en fro y de esfuerzos residuales de compresin, lo cual eliminaba algunas picaduras y retarda o detena el crecimiento y propagacin de otras. En la figura 5.2 se puede ver que en ambos medios, la resistencia a la fatiga aumenta con la disminucin de la cantidad de picaduras.

Fig.5.1.- Efecto de las picaduras en la curva S-N en una probeta sin entalla de una aleacinde Aluminio [3](Reproducida con autorizacin de Springer Science+Business Media, B.V, The Netherland).

Fig.5.2- El efecto del nmero de picaduras en la resistencia a la fatiga con corrosin en un acero al cromo [4].(Reproducida con permiso del Prof. M.O. Speidel; Inst. of Metallurgy, Swiss Federal Institute of Technology ETH-Zentrum CH-8092 Zurich, Switzerland).Obviamente, la presencia de picaduras reduce significativamente la resistencia y la vida de fatiga de los materiales que se encuentran en corrosin bajo tensin. Otro ejemplo se puede ver en un ensayo de corrosin bajo tensin de unos aceros austenticos inoxidables AISI 304L y AISI 347 en un solucin acuosa 42% MgCl2 hirviendo con probetas granalladas y sin granallar. La fig.5.3 mue