sobre la mecánica de fractura

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Análisis de Fallas mecánica de la fractura, tipos de factura.

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Sobre la Mecnica de Fractura

Sobre la Mecnica de Fractura

Resea: Frecuentemente las fallas por fractura de componentes estructurales y de mquinas se inician en discontinuidades tipo grieta, las cuales pueden provenir de fabricacin o ser inducidas en servicio. Histricamente la mecnica de fractura se ha ocupado de estudiar la capacidad de soporte de carga de componentes mecnicos con discontinuidades tipo grieta, como tambin de la rata de crecimiento de ellas, esto ltimo con el fin de evaluar tericamente la vida residual de un componente estructural una vez se detecte una grieta en l.

Diferencia entre Resistencia de Materiales y Mecnica de Fractura

Resistencia de materiales: El enfoque tradicional en la Ingeniera respecto al comportamiento mecnico, ha sido el de Resistencia de materiales, a travs del cual se contrastan, el esfuerzo aplicado de una parte, y la resistencia a la tensin o nivel de fluencia de la otra.

Mecnica de Fractura: Diseos ms exigentes y el uso de nuevos materiales, estn orientando el diseo hacia la Mecnica de fractura. Se considera tambin el esfuerzo aplicado, pero aqu, el equivalente de la resistencia a la tensin es la resistencia a la fractura, y adems interesa en el anlisis el tamao de la grieta.

Modelos

Hay diferentes modelos en Mecnica de fractura en funcin de las propiedades de los materiales. As:

Comportamiento elstico-lineal, independiente del tiempo (aceros de alta resistencia, cermicas). Comportamiento elasto-plstico no lineal, independiente del tiempo (aceros de baja y mediana resistencia). Comportamiento dependiente del tiempo, en donde a su vez se distinguen: Dinmico (metales a altas tasas de deformacin). Visco-elstico (polmeros). Visco-plstico (metales a altas temperaturas).CriteriosEl estudio de la fractura para el comportamiento elstico-lineal, reconoce dos criterios importantes, que finalmente resultan equivalentes:

Criterio de energa, que compara la energa de deformacin con la incorporada por un esfuerzo externo. Criterio de intensidad de esfuerzo, que asume un factor proporcional vlido para todos los esfuerzos componentes en el extremo de la grieta.Criterio de energa

Con este criterio, se asume que la fractura ocurre cuando la energa proporcionada para crecer la grieta, es suficiente para sobrepasar la resistencia del material.

G: Tasa de energa liberada: tasa de cambio en energa potencial en el rea agrietada en un material elstico lineal.

Gc:Tasa crtica de energa liberada, que mide la resistencia a la fractura.

E:Mdulo de Young.

:Esfuerzo, remotamente aplicado (la placa tiene una longitud muy superior a aquella de la grieta).

a:Mitad de la longitud de la grieta.

La tasa de energa liberada y la correspondiente tasa crtica resultan, respectivamente:

Donde:

f:Medida de la resistencia a la deformacin, vara con 1/a1/2.

ac:Mitad de la longitud crtica.

Otros resultados de inters:

Este criterio tambin supone que la resistencia a la fractura, Gc, es independiente del tamao y geometra del cuerpo agrietado.

Criterio de intensidad de esfuerzo

En este criterio se asume que en el punto de avance de la grieta, los esfuerzos son proporcionales un factor de intensidad de esfuerzos, KI. La falla ocurre al igualarse el factor crtico de intensidad de esfuerzo, que mide la resistencia a la fractura, KIc.

El factor de intensidad y la correspondiente condicin de falla resultan como sigue.

Tambin aqu, la hiptesis es que el factor crtico KIc es independiente del tamao y geometra del material.

Comparacin de los dos criterios

Por comparacin de las expresiones correspondientes, resulta esta equivalencia.

FRACTURA

Es la separacin de un slido bajo tensin en dos o ms piezas. En general, la fractura metlica puede clasificarse en dctil y frgil. La fractura dctil ocurre despus de una intensa deformacin plstica y se caracteriza por una lenta propagacin de la grieta. La fractura frgil se produce a lo largo de planos cristalogrficos llamados planos de fractura y tiene una rpida propagacin de la grieta.

Fig. 1. Energa de fractura por impacto para un acero al carbonoTipo de fracturas mecnicas en los materiales

Las fracturas por tensin pueden clasificarse en cuanto a forma, textura y color. Los tipos de fractura, en lo respectivo a la forma, son simtricos: cono y copa, planos e irregulares. Varias descripciones de la textura son: sedosa, grano fino, grano grueso o granular, fibrosa o astillable, cristalina, vidriosa y mate.

Ciertos materiales se identifican efectivamente por sus fracturas. El acero suave en forma de una probeta cilndrica normal usualmente presentan un tipo de fractura de cono y copa de textura sedosa. El hierro forjado presenta una fractura dentada y fibrosa, mientras que la fractura tpica del hierro fundido es gris, plana y granular. Un examen de la fractura puede arrojar una pista posible de los valores bajos de la resistencia o la ductilidad de la probeta. La carga no axial causara tipos asimtricos. La falta de simetra puede tambin ser causada por la heterogeneidad del material o un defecto o una falla de alguna clase, tal como la segregacin, una burbuja, o una inclusin de material extraa, tal como la segregacin, una burbuja, o una inclusin de material extraa, tal como la escoria. Sobre la superficie fracturada del material que haya sido trabajado en fri o posea una condicin de esfuerzo interno, debida a ciertos tratamientos trmicos, frecuentemente existe una apariencia de rayos o vetas que irradian de algn punto cercano al centro de la seccin; esta ocasionalmente es denominada "fractura de estrella". Una descripcin de la fractura debe incluirse en cada informe de ensayo, aun cuando su valor sea incidental para las fracturas normales.

En la siguiente figura se muestran ilustraciones de un nmero de fracturas tpicas.

Fractura copa y cono & Fractura plana.

Fractura Dctil (copa y cono): Como resultado de la triaxialidad de tensiones producida por la estriccin, se alcanza una situacin en la que las pequeas inclusiones no metlicas que contiene el material en la zona estringida o bien se fracturan o bien se decohesionan de la matriz metlica produciendo microhuecos que crecen gradualmente al ir progresando la deformacin plstica, hasta coalescer. De este modo se genera una fisura interna plana en forma de disco orientada normalmente a la direccin del esfuerzo aplicado. Esta fractura ocurre bajo una intensa deformacin plstica. Como se muestra en la figura 2.

Fig.2 Fractura dctil

La fractura dctil comienza con la formacin de un cuello y la formacin de cavidades dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga hacia la superficie en direccin perpendicular a la tensin aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta cambia su direccin a 45 con respecto al eje de tensin y resulta una fractura de cono y embudo.

La produccin de la rotura a lo largo de la superficie cnica tiene su origen en el hecho que a medida que el vrtice de la fisura plana en forma de disco se acerca a la superficie de la barra, se pierde triaxialidad de tensiones porque la tensin normal a la superficie libre es nula. Por lo tanto, la constriccin plstica disminuye y consecuentemente las tensiones de corte a 45 del eje se tornan preponderantes, lo que conduce a la rotura plstica a lo largo de tales planos. Finalmente, la rotura se completa por corte a lo largo de una superficie cnica orientada a unos 45 del eje de traccin, dando origen a la clsica fractura copa y cono que se ilustra en la Fig. 3(a).

Si el material es frgil, o mediante una entalla superficial se induce un estado de triaxialidad superficial, tiende a suprimirse la zona cnica y se obtiene entonces una fractura plana como puede verse en la Fig. 3(b).

Fig. 3. Probetas fracturadas de modo dctil (a) y de modo frgil (b)

La fotografa de la figura 4 (a), muestra una falla dctil (copa y cono) de una barra de acero microaleado. En la superficie se puede apreciar el inicio de la fractura (I) en el centro de la muestra y el labio de corte en la periferia (L).

(a)(b)

Fig.4. Falla de barra de acero microaleado (a) y microfractografa de barra de acero microaleado (b).Para el caso de los anlisis microfractogrficos los detalles corresponden a una falla tpica dctil. En este caso se trata de un detalle de una barra de acero microaleado de 1 pulgada de dimetro en donde se aprecian micro hoyuelos ovalados (figura 4 (b)).Las fotografas de la figura 5, demuestran detalles de una fractura de una barra de acero termotratado de 7/8 de pulgada de dimetro. En la primera fotografa se observan en las zonas L y cerca de I, micro hoyuelos ovalados con silicatos en su interior (esta composicin fue determinada por medio de la energa dispersiva por rayos X ).

Fig.5. Microfractografa de barra de acero termotratado

En la segunda fotografa se observa en una fractura intergranular observada en el Microscopio Electrnico de Barrido producida muy probablemente por fragilidad por hidrgeno.Fractura frgil (plana): La fractura frgil tiene lugar sin una apreciable deformacin y debido a una rpida propagacin de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo de planos cristalogrficos especficos denominados planos de fractura que son perpendiculares a la tensin aplicada.

La mayora de las fracturas frgiles son transgranulares o sea que se propagan a travs de los granos. Pero si los lmites de grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la fractura se propague intergranularmente. Las bajas temperaturas y las altas deformaciones favorecen la fractura frgil.La Figura 6 (con la Figura 7 interpuesta) es un ejemplo de fallas de fatiga por doblez. Las fallas de fatiga po