3.45 Fractura por fatiga (continuación)
Nota. Fractura por fatiga a flexión de una hoja de ballesta, nucleada desde una inclusión no metálica subsuperficial, es decir, desde un concentrador de esfuerzo microestructural (fotos superiores); fractura por corrosión fatiga a flexión de un eje, nucleada desde una picadura de corrosión generada en servicio (fotos centrales); fractura por fatiga a torsión de un eje de acero con capa de temple superficial, donde la fatiga se originó en la interfaz entre la capa y el núcleo no endurecido (fotos inferiores).
Fuente: elaboración propia.
Después de nucleadas las grietas, si el ΔKaplicado es mayor que el ΔKumbral, inicia la fase de propagación, es decir, si el tamaño de la grieta y el esfuerzo aplicado en cada ciclo son lo suficientemente grandes. Si las grietas vienen desde el proceso de fabricación, en servicio entrarán directamente a la fase de propagación si cumplen con el criterio mencionado.
Figura 3.46 Esquema que ilustra la condición para que se originen grietas de fatiga en la interfaz entre la capa endurecida y el núcleo blando de una pieza
Nota. Se requiere que la carga de flexión o torsión iguale o supere a la resistencia a la fatiga en la zona de transición.
Fuente: elaboración propia.
La fase de propagación de grietas por fatiga en metales se puede dar a través de alguno de los siguientes mecanismos: (a) fatiga cristalográfica, donde las grietas se propagan a través de los granos, siguiendo planos cristalinos específicos; aquí el crecimiento de la grieta es precedido por deformación plástica intragranular en el frente de grieta; (b) crecimiento transgranular perpendicular al esfuerzo normal máximo; en este caso no hay dirección cristalográfica específica de crecimiento (lo que lo diferencia de la fatiga cristalográfica), y el crecimiento en cada ciclo se encuentra precedido de deformación plástica intragranular; (c) crecimiento cíclico intergranular, cuando se da un avance cíclico de las grietas bordeando los granos; (d) clivaje cíclico, donde las grietas crecen intragranularmente en los planos de clivaje; (e) crecimiento mediante formación y coalescencia de microvacíos; de igual manera a los anteriores, se da de manera cíclica (figura 3.47).
En algunos metales de alta ductilidad, se pueden formar estriaciones de fatiga cuando se tenga fatiga cristalográfica o crecimiento transgranular (figura 3.47, fotos superior y central a la izquierda). En la fatiga transgranular es posible que se forme un patrón de marcas radiales que permite conocer la dirección de crecimiento de las grietas (figura 3.47, superior derecha). Cuando se tenga clivaje cíclico, las marcas de río permitirán conocer la dirección de crecimiento (figura 3.47, inferior izquierda). En las fatigas intergranular y por formación y coalescencia de microvacíos, no es tan común encontrar marcas de dirección de propagación o de posición del frente de grieta a nivel microscópico, por lo que se deberá recurrir a la inspección macro y otras fuentes de información, como tipo y sentido de aplicación de la carga, para conocer las direcciones de propagación.
Figura 3.47 Mecanismos de la fatiga
Nota. Fatiga cristalográfica en duraluminio 7075 T6 (superior izquierda), donde dentro de cada grano la trayectoria de las grietas sigue una familia de planos específicos; fatiga transgranular en acero AISI 5160 bonificado con 40 RC (superior derecha). Nótese que la textura no está tan influenciada por los granos como en el caso de la fatiga cristalográfica; (c) fatiga transgranular de acero de bajo carbono donde se tiene presencia de estrías (centro izquierda); (d) fatiga intergranular en acero AISI 5160 bonificado con 50 RC (centro derecha); grano clivado por fatiga en acero AISI 1040 recocido (inferior izquierda); fatiga de bajo ciclaje por formación y coalescencia de microvacíos en acero recocido AISI 1040 (inferior derecha). Las flechas amarillas indican el sentido de propagación de las grietas.
Fuente: elaboración propia.
Los mecanismos de propagación que presentan mayores grados de deformación plástica en cabeza de grieta son, a saber: crecimiento por formación y coalescencia de microvacíos, crecimiento transgranular perpendicular al esfuerzo normal máximo y crecimiento por fatiga cristalográfica. Los que menor grado de deformación plástica asociada tienen son: el crecimiento por clivaje cíclico y el crecimiento cíclico intergranular. Todos estos mecanismos de crecimiento siguen en promedio la perpendicular al máximo esfuerzo normal local.
Para explicar el crecimiento de grieta en la fatiga cristalográfica o en la transgranular, se puede recurrir al modelo del deslizamiento cruzado, que se esquematiza en la figura 3.48. En el caso de las fatigas por clivaje e intergranular, el crecimiento de grieta se adjudica a la descohesión (ruptura de enlaces). Para el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos, se sigue la misma lógica del crecimiento de grieta, descrito cuando se trató en la fractura súbita dúctil.
Figura 3.48 Modelo del avance de grieta a través del deslizamiento cruzado, aplicable a la fatiga cristalográfica o a la transgranular
Nota. (a) Grieta original, (b) primer deslizamiento en frente de grieta bajo tracción, (c) segundo deslizamiento cruzado en frente de grieta bajo tracción, (d) abombamiento de la grieta después del ciclo de tracción, (e) primer deslizamiento bajo compresión o descarga, (f) segundo deslizamiento cruzado bajo compresión o descarga. En este modelo tanto el ciclo de tracción como el de compresión o descarga producen crecimiento efectivo de la grieta [11].
En general, en la fatiga de alto ciclaje, los aceros ferríticos y martensíticos tienden a propagar las grietas de fatiga, mediante el crecimiento transgranular en las etapas I, II y III (figura 3.43). Algunas veces, en la etapa I hay participación del crecimiento intergranular cíclico o del clivaje cíclico, y en la etapa III participación también de la formación y coalescencia cíclica de microvacíos. En estos materiales no es tan común la participación de la fatiga cristalográfica, debido a la alta energía de apilamiento del material que favorece los deslizamientos cruzados, lo que facilita el crecimiento transgranular (asociado a la estructura CC). Si se presenta la fatiga cristalográfica (generalmente en aceros de bajo carbono), aparecerá especialmente en la etapa I de propagación, notándose como un zigzagueo de la trayectoria cerca al origen y a 45o, abarcando de 2 a 5 granos de longitud (figura 3.59, derecha). El crecimiento intergranular cíclico puede favorecerse por la presencia de fenómenos de fragilización en límite grano, como los que se describieron en la fractura súbita frágil de este tipo; el crecimiento por clivaje cíclico se ve favorecido por temperaturas bajas; el crecimiento por formación de microvacíos cíclico se acentúa a bajas durezas y especialmente al final de la etapa II y en la etapa III de propagación.
En aceros austeníticos y duraluminios predomina también el crecimiento transgranular, sin embargo, en la etapa I de propagación también es importante la participación de la fatiga cristalográfica. En varias de las aleaciones base cobalto y base níquel, es común que se tenga fatiga cristalográfica tanto en la etapa I como en la II de propagación, debido a que estos materiales tienen baja energía de apilamiento, lo que no favorece los deslizamientos
