2.4 Aspecto de las superficies de fractura

Las superficies de fractura que presentan los componentes, cambia de acuerdo con las etapas del crecimiento de grietas. Etapa I, no se presentan rasgos macroscópicos sobresalientes, en esta zona las superficies son lisas, planas, brillantes y con muy pocas rayas; se observan pequeños escalones en la zona de iniciación debido a la nucleación de varias microgrietas simultáneamente y usualmente el límite de la zona de iniciación está bien definido por una línea de frente de propagación.

Cuando se presentan rayas como patrones de río o marcas de playa en la mayoría de los casos este aspecto de la superficie corresponde a la Etapa II, los cuales indican las progresiones de las deformaciones plásticas del material por efecto del proceso de fatiga. Y como último, el aspecto de la superficie en la Etapa III es el que presenta típicamente una fractura frágil, es decir, son superficies que presentan ausencia de deformaciones y con brillo.

En la superficie de un componente, generalmente se inician las grietas por fatiga y están asociadas a concentradores de esfuerzos (térmicos, mecánicos, inclusiones, etc.). Estos hacen que macroscópicamente sea relativamente sencillo identificar la zona de inicio, pues ésta se localizará conectada a una superficie libre y donde se encuentre un concentrador de esfuerzos. Sin embargo, en piezas con severos defectos internos (como piezas de fundición con rechupes) y en materiales con partículas de formas agudas, las grietas por fatiga pueden nuclearse en el interior, en este caso, las mismas características macroscópicas serán observadas alrededor del defecto iniciador, estos pueden ser. Escalones, patrones de río, con superficies lisas y brillantes (Figura II.3).

Figura II.3.- Superficie de fractura característica de fatiga (Flecha de transmisión acero AISI 8620, cementado superficialmente) [II.24]

II.3.- Aplicaciones

Anteriormente las soluciones de análisis estaban disponibles para geometrías simples tales como platos y cilindros. Sin embargo, con el auge de las computadoras de alta velocidad y su aplicación a soluciones numéricas de elasticidad, se desarrollaron diferentes métodos de medición de esfuerzos residuales. Algunos implican la liberación de esfuerzos residuales removiendo material una capa a la vez (Figura II.4).

Figura II.4.- Ejemplos de métodos con remoción de material

Durante el proceso de remoción del material, el espécimen es propenso a la inducción de esfuerzos residuales. Al utilizar un proceso de maquinado para cortar una sección del

Etapa I Etapa II

material se requiere de un determinado tiempo, sumado al necesario para montar las galgas extensométricas en el espécimen. Existe una técnica que probablemente sea la más sencilla de aplicar, llamada el Método de Corte.

Se utiliza un corte de profundidad aumentado progresivamente en el Método de Corte (Slitting method) [II.25], para liberar los esfuerzos residuales en un plano dado, mientras que la deformación es registrada por medio de una galga extensométrica. Es mucho más rápido realizar una remoción de capas del material y los métodos de seccionamiento son aplicados cerca de la superficie tanto como por el espesor de la medida. Consumen tiempo en la fase experimental, pero su análisis computacional es simple.

Este Método de Corte ha simplificado enormemente el procedimiento experimental, puesto que ahora puede ser llevado a cabo en una fracción de tiempo que el requerido por cualquier otro método [II.26 y II.27]. Para una serie de aplicaciones, ha encontrado un lugar único, que ningún otro método puede igualar. Incluyendo por ejemplo, la medición de esfuerzos residuales en especímenes muy delgados [II.28 y II.29]. Debido a que las soluciones para la medición para espesores, fueron desarrollados inicialmente utilizando soluciones de la Mecánica de la Fractura Lineal Elástica (MFLE), el método es también referido como el Método de respuesta de grieta (CCM).

Como investigadores, es indispensable el continuar apoyando en la realización de mejoras en la medición de los esfuerzos residuales, en especial en las vigas y cilindros, debido a que estas dos configuraciones se presentan en la industria de manera continua. Cuando se realiza un corte en un espécimen y se incrementa progresivamente la profundidad (Figura II.5), en un principio es apropiado el realizar un análisis de las condiciones que se presentan, así como de las posibles respuestas de los esfuerzos residuales liberados. Dos tipos de esfuerzos se consideran, con un pico de tensión en la superficie y otro aunque asimétrica, con el mismo pico de esfuerzo en las dos caras. Cuando un esfuerzo de tensión es liberado cerca de la superficie el resultado de la medición inicialmente se presenta en forma negativa y viceversa. Se muestra que la deformación medida es la misma que la producida por la liberación de los esfuerzos en las caras del corte, con signos opuestos. O bien la liberación de los esfuerzos de tracción abren el corte y conducen a un doblamiento de forma compresiva sobre la cara opuesta al corte. Por lo que a medida que la profundidad del corte aumenta, los esfuerzos medidos tendrán variaciones de diferentes formas.

Figura II.5.- Espécimen con un corte y galga extensométrica

El primer pico se presenta como el alto esfuerzo cerca de la superficie, que se ve rápidamente balanceado por un esfuerzo de compresión por debajo de la superficie, dando lugar a una variación gradual del esfuerzo. Por otra parte en el segundo pico, la liberación del esfuerzo esta visto como el resultado de un pequeño esfuerzo de flexión, cuya influencia aumenta rápidamente a medida que el corte se aproxima a la cara con la galga (Figura II.6).

Figura II.6.- Espécimen con galga extensométrica

Por lo tanto se puede observar que aunque el pico del esfuerzo cerca de la superficie es el mismo, la magnitud del esfuerzo difiere al menos en un 60%. Es evidente que, de una magnitud más baja de la medida del esfuerzo no implica un pico de esfuerzo más bajo. Cuando se realiza un corte en un espécimen y se incrementa progresivamente la profundidad, en un principio es apropiado el realizar un análisis de las condiciones que se presentan, así como de las posibles respuestas de los esfuerzos residuales liberados por un corte. Posteriormente al análisis de las condiciones que se presentan al realizar un corte en

Galga extensométrica

un espécimen, los esfuerzos deben ser medidos de una manera adecuada, por lo que es importante el elegir un método para la apropiada medición de la distribución de los esfuerzos residuales. La elección del método no sólo dicta cómo las funciones de cumplimiento de normas se expresarán pero también tienen una influencia significativa sobre el esfuerzo residual estimado. A diferencia de cálculo computacional en donde el problema está bien definido, el proceso de estimación tiene que hacer frente a las incertidumbres en los esfuerzos residuales desconocidos, así como a varias fuentes de error [II.29]. Está es la razón por lo que debe ser evaluado el comportamiento de un método, mediante la validación experimental y simulación numérica.

Se mencionan, posteriormente algunos métodos, cada uno de estos se caracteriza por la aproximación utilizada por el esfuerzo residual desconocido, es decir, una función continua definido por una potencia o serie polinomio. Lo que nos permiten evaluar y mejorar la integridad de los componentes modernos. Por lo tanto, el uso de un particular método depende de la disponibilidad de los medios, no sólo para liberar las tensiones y la deformación, sino también la solución y los sistemas de computación para la configuración de la medición (Figura II.7).

Figura II.7.- Imagen del esfuerzo en un cristal de silicio (Raman) de un dispositivo semiconductor [II.30]

La elección del método no sólo determina la aplicación correcta, también tiene una significativa influencia en el estimado del esfuerzo de tensión, además de lidiar con las incertidumbres y fuentes de error [II.28] Es una parte importante del análisis de errores identificar las fuentes de error asociado con el Método de Corte que pudieran derivarse del

análisis numérico y de medición. El error proviene de la diferencia entre las funciones de cumplimiento calculadas y la respuesta real a la liberación de esfuerzos residuales, además de la diferencia entre la distribución del esfuerzo al medir y la distribución de esfuerzos aproximados utilizados en la estimación. Otro aspecto en el análisis en 2D, es que se supone que existe una uniformidad en la dirección a lo largo de la longitud del corte. Si esta condición no se cumple, el esfuerzo se estima, lo que solo sería una aproximación del esfuerzo en la longitud y una estimación más precisa requeriría de un análisis en tres dimensiones. Por lo que debe ser validado con una simulación numérica. Puede existir una diferencia entre los resultados de un análisis computarizado y la respuesta real a la liberación de esfuerzos residuales, debido a la toma de resultados en la experimentación y la estimación que se presenta en el análisis numérico.

Además, la presencia de componentes del esfuerzo sobre las caras de corte, influyen en la medición del esfuerzo, y un análisis de computo basado en esfuerzos normales, sería un error, debido a que se merece una atención especial la medición cerca de la superficie. Un corte con incremento en su profundidad requiere de un análisis numérico.

En los tiempos modernos, ayudados por los sistemas computacionales de alta velocidad se logran realizar análisis numérico para la elasticidad factible, pero anteriormente las soluciones analíticas estaban disponibles sólo para la geometría simple, como platos y cilindros, que condujeron al desarrollo del Método de Boring-Out [II.31, II.32 y II.33], para cilindros y el Método de Remoción de Capas [II.34 y II.35] para vigas y platos. En ambos métodos, los esfuerzos a medir suponen que solo existe variación en la dirección del espesor [II.36].

Se pueden encontrar una diversidad de listados de distintos métodos de medición de los esfuerzos residuales [II.37], que muestran criterio paran la selección del más adecuado método para una necesidad concreta [II.38, II.39 y II.40] y mayor detalles. Un factor que se debe tomar en cuenta a la hora de optar por una técnica concreta, es el carácter destructivo o no de la misma. En el supuesto de que el componente deba retornar al servicio y en el supuesto de una valoración favorable, no es posible usar un método que provoque un daño irreparable a la pieza. En una encuesta realizada entre las empresas del Reino Unido [II.41] señala como los dos métodos más ampliamente utilizados al Método del Taladro del Agujero Ciego y al Método de Difracción de Rayos X (Figura II.8).

Figura II.8.- Imagen de Difracción de rayos X (Porosimetría de mercurio)

Se conoce que todos los métodos miden la deformación y no la tensión, obteniéndose ésta mediante cálculo a partir de las deformaciones medidas en un mínimo de dos direcciones y en general, un máximo de nueve. Debe evitarse el medir la deformación en una única dirección, salvo que razones geométricas o económicas aconsejen lo contrario [II.37]. En el supuesto de que sólo se mida una componente de la deformación (deformación uniaxial) se debe recalcar que este único valor del vector no constituirá la base para calcular la tensión. La inducción de estos esfuerzos tiene un efecto sobre las garantías en servicio, mejorándolas en caso de esfuerzos residuales de compresión o empeorándolas cuando los esfuerzos residuales generados son de tensión. Es indudable que los esfuerzos residuales a tensión no son sólo un parámetro dependiente del proceso de fabricación sino también constituye un factor sobre el que, teniendo una adecuada atención se lograría llevar al componente a aspectos benéficos. Los efectos beneficiosos de los esfuerzos compresivos han sido extensamente reconocidos por la industria, aumentando la vida de fatiga de los componentes y reduciendo las grietas por corrosión de tensión y la fractura frágil. En usos prácticos estos esfuerzos son deliberadamente inducidos en algún tratamiento en la fabricación de componentes.

II.4.- Antecedentes

Históricamente se ha confiado en los significativos avances de Ingeniería en diseño estructural sobre los materiales. Hoy en día, existe una necesidad de alta resistencia, materiales ligeros para una amplia gama de aplicaciones tales como la infraestructura civil,

aeroespacial, automotriz, etc. Como resultado se genera investigación sobre el uso innovador de estos materiales. Se ha realizado una gran labor para comprender, medir y tratar de reducir los esfuerzos residuales en los compuestos