secundaria o hasta la termofluencia terciaria, se podrán apreciar agrietamientos o zonas de inestabilidad plástica (acuellamientos) (figura 2.23). En la mayoría de aplicaciones a alta temperatura, las piezas fallan cuando sobrepasan un valor máximo de deformación verdadera admisible, la cual puede ser tan baja como del 1 %; una deformación así no se detecta fácilmente por inspección visual, sino que debe recurrirse al estudio metrológico para ello. Una deformación plástica localizada por termofluencia se puede deber a una distribución no homogénea de esfuerzo (concentradores), o a una distribución no homogénea de temperaturas, lo cual puede ocurrir en motores térmicos o calderas. Cuando la distribución de esfuerzos y temperaturas es uniforme, se presentará deformación plástica generalizada en todas las zonas de la pieza.
Figura 2.23 Deformación plástica por termofluencia
Nota. Tubo de caldera acuatubular hecho de acero de bajo carbono y baja aleación al cromo-molibdeno, que mostró aumento de diámetro por termofluencia (izquierda); deformación plástica por termofluencia localizada en un tubo similar, en zona orientada hacia el hogar de la caldera, donde la temperatura es mayor (derecha).
Fuente: elaboración propia.
Al inspeccionar las piezas deformadas por termofluencia en secciones metalográficas, será posible detectar: (a) la formación de microvacíos (figura 2.24, superior izquierda) y (b) los cambios microestructurales que se hayan dado (figura 2.24, superior derecha). En las etapas finales de la termofluencia secundaria y en la termofluencia terciaria se podrá notar cómo los microvacíos en límites de grano empiezan a coalescer y a alinearse formando grietas, que son perpendiculares al esfuerzo máximo de tracción local (figura 2.24, inferior). Debido a la recuperación térmica y a la recristalización, no es común notar que los granos se encuentren alargados en el sentido de la deformación; sin embargo, si la temperatura fue inferior a la equicohesiva y el esfuerzo o la velocidad de deformación fueron muy altos, se podrá hacer que predomine el deslizamiento interno dentro de los granos como mecanismo de falla, con lo cual los granos sí se podrán ver alargados ante inspección metalográfica.
Figura 2.24 Secciones metalográficas de tubos de caldera de aceros de bajo carbono y baja aleación al cromo-molibdeno, que experimentaron daño por termofluencia
Nota. Formación de microvacíos en límites de grano, producto del deslizamiento intergranular (superior izquierda); detalle de la globulización del carburo de hierro por la alta temperatura, en el mismo tubo de la imagen anterior (superior derecha); detalle de una zona del tubo anterior, donde los microvacíos están coalesciendo para formar grietas perpendiculares al esfuerzo principal de tracción (inferior); las flechas azules indican la orientación de dicho esfuerzo. Ataques químicos realizados con nital al 3 %.
Fuente: elaboración propia.
2.3 LECTURAS RECOMENDADAS Y REFERENCIAS
[1] ASM International, ASM Handbook, Vol. 11, 4th printing 2007, ASM International, Materials Park-Ohio. p. 1045-1057.
[2] Meyers, M. and Chawla, K. Mechanical Behavior of Materials, 1st Ed. 2009, Cambridge University Press, Cambridge-UK, Chapter 2: Elasticity and Viscoelasticity.
[3] Harris, M. And Piersol, G. Harris’ Shock and Vibration Handbook, 5th Ed. 2002, McGraw-Hill, New York, Chapter 2: Basic Vibration Theory.
[4] Dieter, G. Mechanical Metallurgy, SI Metric Ed. 1988, McGraw-Hill, Singapure. pp. 114-117.
[5] Ibid., p. 133.
[6] Ibid., Chapters 3 (Elements of the Theory of Plasticity), 4 (Plastic Deformation of Single Crystals), 5 (Dislocation Theory) and 6 (Strengthening Mechanisms).
[7] Hertzberg, R., Vinci, R. and Hertzberg, J. Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, 5th Ed. 2012, Wiley. Chapters 2 (Yielding and Plastic Flow) and 3 (Controlling Strenght).
[8] Wenbing, H. Polymer Physics, 1st Ed. 2013, Springer Verlag. Chapter 6: Polymer Deformation.
[9] ASM International, op. cit., p. 729.
[10] Dieter, G., op. cit., Chapter 13: Creep and Stress Rupture.
[11] Meyers M. and Chawla K., op. cit., Chapter 13: Creep and Superplasticity.
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FALLAS POR FRACTURA Y FRACTOGRAFÍA
Las fallas por fractura son una familia de modos de falla, en los cuales un elemento mecánico se disgrega en dos o más fragmentos, lo cual ocurre como consecuencia de la generación y posterior propagación de grietas en la pieza bajo la acción de las cargas que experimenta. Todas las fallas de este tipo constan de las siguientes etapas: (1) nucleación de una o varias grietas, (2) propagación de la grieta o las grietas y (3) fractura del elemento. La etapa (1) y el inicio de la etapa (2) se enmarcan dentro de la fase latente de estos modos de falla, mientras que la mayoría de la etapa (2) y la etapa (3) corresponden a la fase manifiesta. Cuando estos modos de falla se encuentran en etapa (2) hablamos de agrietamiento y cuando alcanzan la etapa (3) hablamos de fractura. Si el modo de falla es detectado en la etapa (2), se trata generalmente de una falla no catastrófica, pero cuando alcanza la etapa (3), la anulación de la operatividad del elemento por la fragmentación implica una falla catastrófica.
Si las tres etapas generales de evolución de una falla por fractura ocurren en un lapso tan corto como un ciclo de trabajo de la máquina (un ciclo de carga), lo cual equivale a decir que las grietas se propagan a una velocidad tan alta como 0,2 a 0,4 de la velocidad del sonido en el material [1], u otras veces más lento, tomando segundos o minutos (10–3 - 10–1 m/s), ahí hablamos de una fractura súbita. Ese tipo de crecimiento de grietas a alta velocidad lo llamamos crecimiento inestable de grieta. Cuando las etapas (1) y (2) de una falla por fractura se dan durante muchos ciclos de carga de la pieza o un largo periodo de trabajo de esta, lo que implica velocidades de propagación de grietas tan bajas como por ejemplo 1 mm/mes o 1 mm/día, allí tenemos una fractura progresiva. Debido a la velocidad de propagación tan lenta de las grietas en las fracturas progresivas, es posible detectar y monitorear su crecimiento en servicio con el equipo apropiado y el personal entrenado para ello, de tal manera que se puede realizar una parada de mantenimiento programada que permita corregir el problema antes que se produzca la fractura o falla catastrófica, lo cual no es posible hacer en las fracturas súbitas. El crecimiento lento de las grietas en las fracturas progresivas se conoce como crecimiento estable de grieta.
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