Español

Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
A novel method of tracing the inception and progress of
fatigue crack-growth in steel
Una metodología novedosa para identificar el origen y
evolución del crecimiento de grietas de fatiga en acero
1
Federico Nunez *, Sidney Guralnick**, Thomas Erber**
* Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá. COLOMBIA
** Illinois Institute of Technology, Illinois. USA
Fecha de Recepción: 18/02/2015
Fecha de Aceptación: 01/04/2015
PAG 135-146
Abstract
A series of SEM micro-graphs were obtained from the cracked surfaces of samples from two types of AISI-1018 steel after applying fatigue tests at a stress ratio of
R=-1. Various strain-control levels were used in the range ±0.0008 ≤ ɛ ≤ ±0.0014 following a sinusoidal load pattern. From the many micro-graphs obtained, eight
types of cracks were determined to be the most typical ones which are found to also be a function of the localization within the cross section of the sample. For each
type of micro-crack, a color was assigned depending on geometrical parameters that were approximately measured (diameter for dimples and striation spacing for
fatigue striations); this defines the “Color Code” - CC crack equivalent. Using the CC was useful in determining the variation of the fatigue crack front, which was also
dependent on the magnitude of the applied strain level. Finally it was discussed how the use of the CC crack equivalent with elements of fracture mechanics are
powerful tools to give insights regarding the distribution of the number of applied cycles as damage took place (micro-cracks) during crack front advance.
Keywords: Fractography, steel fatigue, fatigue striations, color code, fatigue initiation, crack advance, dimples
Resumen
Con ayuda de un SEM, se obtuvo una serie de microgramas de las superficies fracturadas de muestras de dos tipos de acero AISI-1018, después de haber aplicado
una serie de ensayos de fatiga con relación de esfuerzo R=-1. Se usaron varios niveles de carga controlada por deformación unitaria en el rango ±0.0008 ≤ ɛ ≤
±0.0014 siguiendo una carga de tipo sinusoidal. De los muchos microgramas obtenidos, se determinaron ocho tipos de grietas como los más típicos, que estaban en
función de la localización dentro de la sección transversal de la muestra. Se asignó un color a cada tipo de microfisura, dependiendo de los parámetros geométricos
que se midieron de manera aproximada (diámetro para los hoyitos y espaciamiento de las estrías de fatiga); lo anterior define la fractura equivalente en el Código de
Colores - CC. El uso del CC fue útil en la determinación de la variación del frente de grieta por fatiga, que también depende de la magnitud de la carga aplicada.
Finalmente, se discute cómo el uso de la fractura equivalente en el CC, junto con algunos elementos de mecánica de la fractura, pueden ser herramientas útiles para
explicar la distribución del número de ciclos aplicados a medida que se produce el daño (microfisuras) durante el avance del frente de grieta por fatiga.
Palabras Clave: Fractografía, fatiga de acero, estrías de fatiga, código de colores, inicio de fatiga, avance de grieta, hoyitos
1. Introducción
De acuerdo con el manual de fractografía de la
ASM (Sociedad Americana de Metales), los tipos más
comunes de fractura en elementos estructurales metálicos
son la formación de hoyitos, clivajes, estrías de fatiga,
descohesión intergranular y rotura por fluencia lenta (ASM,
1992). Sin embargo, las estructuras tales como edificios,
puentes, tuberías y barcos generalmente no fallan por
descohesión intergranular (causada por agentes químicos
en la atmósfera), ni debido a rotura por fluencia lenta por
efecto de altas temperaturas, puesto que las condiciones de
servicio no alcanzan la temperatura de 400°C que se
requiere para que se produzca una grieta por fluencia lenta
en aceros de bajo carbono (S. Taira, R. Ohtani y K.
Kitamura 1979; según cita en ASM 1992). Los hoyitos se
asocian a mecanismos de fractura de alta energía (HEC, por
sus siglas en inglés) y se producen principalmente por la
concentración de tensiones de esfuerzo que conducen a un
comportamiento
plástico.
Dependiendo
de
la
microestructura, plasticidad del material y altos niveles de
carga, los hoyitos pueden mostrar una forma cónica.
1
Autor de correspondencia:
Director Grupo de Investigacion ESTRUCTURAS & CONSTRUCCION.
Miembro activo ASCE. Pontificia Universidad Javeriana. Bogota D.C.Colombia
E-mail: fnunez@javeriana.edu.co
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
En esta investigación se realizó una serie de ensayos
de fatiga en muestras de dos tipos de acero AISI-1018
(acero tipo A y acero tipo B), para lo cual se utilizó un
actuador hidráulico que aplicó cargas controladas por
deformación unitaria, siguiendo una forma sinusoidal en el
tiempo, con una relación de esfuerzo de R=-1, a una
frecuencia de 5Hz.
Una vez que se produjo la falla en las muestras, se
analizaron las superficies fracturadas mediante un
microscopio electrónico de barrido (SEM) a fin de
caracterizar los diversos tipos de microfisuras y su posición
con respecto a un eje de referencia específico. Asimismo,
en ambos tipos de acero se llevó a cabo un análisis
estadístico de la microgeometría del diámetro de los
hoyitos y el espaciamiento de las estrías de fatiga. Se
determinó que el tamaño de los hoyitos se da en función
del esfuerzo externo aplicado (deformación), y sólo se
encontró en el área del borde de corte, donde la fractura
dúctil se asocia con fractura de alta energía. En
consecuencia, en el presente estudio se asume que todos
los hoyos de gran diámetro, los hoyos abiertos y los hoyitos
de diámetro pequeño corresponden al tipo de fractura de
alta energía.
El clivaje es una fractura de baja energía (LEC, por
sus siglas en inglés) que se mueve en planos
cristalográficos o planos de clivaje de bajo índice (Frediel,
1995; según cita en ASM, 1992). En teoría, dichos planos
se mueven a lo largo de las fronteras de grano; no obstante,
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
135
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
en el caso del acero AISI-1018 (estructura policristalina), se
producen saltos desde un plano de falla a otros planos de
falla de menor índice, formando así una serie de planos de
grieta.
Las estrías de fatiga también se asocian con
fracturas de baja energía que se mueven a lo largo de
planos cristalográficos, pero éstas cambian de dirección al
toparse con imperfecciones, inclusiones y en las fronteras
de grano. Este tipo de grieta es frenada a intervalos
regulares mientras avanza, dejando marcas que son un
registro visual del avance de la grieta, a medida que el
material recibe ciclos continuos de carga. Anteriormente,
la ocurrencia de estrías se había observado como un
registro de material que se desliza y se produce en la punta
de grieta (Hertzberg, 1995), (Pippian et al., 2010). Además,
las distancias de las estrías de grieta se producen en
función de variables tales como la magnitud de la carga, la
resistencia del material, los efectos ambientales y la
temperatura.
Sin embargo, estas categorías son una manera
simplista de clasificar las grietas entre las que se producen
por alta energía (HEC) y las que se deben a menores
exigencias de carga (LEC). Recientemente, en un estudio
realizado por Zheng et al., se ensayó la rueda de un auto
siguiendo un típico ensayo de fatiga durante la acción de
viraje según la norma GB/ 5334-2005. Se utilizó acero
laminado en caliente de calidad comercial, y cuando las
grietas se hicieron visibles, se cortaron muestras y luego se
utilizó el SEM para identificar las geometrías de las
principales grietas. Los tipos de grieta se dividieron en
estrías de fatiga, marcas de playa, marcas de río, vacíos y
marcas Rache (Zheng et al., 2014). Estas grietas se
identificaron en regiones aisladas, pero no se llevó a cabo
ningún análisis que abarcara toda la extensión de la
superficie. La dirección de la grieta se presentó en forma de
flechas, pero debido al factor de magnificación utilizado
(30x), es difícil comprobar cuantitativamente la dirección
de la grieta.
De manera similar, según lo discutido por
Tchoufang-Tchuindjang et al., datos recientes sugieren que
para ensayos de fatiga con numerosos ciclos de carga, la
grieta por fractura puede originarse en la subsuperficie de
la muestra. En esta misma referencia se identificaron cuatro
categorías de grietas que fueron descritas principalmente
en relación a su aspecto y no a una cantidad medible
aproximada (Tchoufang-Tchuindjang et al., 2006).
Sin embargo, tal como se indica en el presente
estudio, incluso para las muestras que fallaron luego de un
número mayor de ciclos de carga (>1,000,000 ciclos), la
fractura se originó cerca de la superficie. Asimismo, los
tipos de grieta descritos se basan en parámetros
geométricos que se midieron de manera aproximada.
2. Métodos experimentales
Se utilizaron dos tipos de acero AISI-1018 para
estudiar las superficies que se fracturaron cuando las
muestras fueron sometidas a ciclos de cargas alternados por
medio de una máquina MTS. Las muestras con una sección
transversal circular de 6.35mm (0.25 pulgadas) fueron
sometidas a ensayos bajo control de deformación, con
rangos de deformación unitaria entre ±0.0008 ≤ ɛ ≤
±0.0014, y una relación de esfuerzo R=-1 siguiendo un
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
patrón de deformación sinusoidal en el tiempo aplicado a
una frecuencia de 5 Hz.
El acero tipo A fue templado en una atmósfera no
controlada, donde el oxígeno produjo descarbonación
mientras se enfriaba. Por otro lado, el acero tipo B fue
normalizado mediante un rango de temperatura controlado
y se enfrió en una atmósfera de argón (Ar), minimizando la
oxidación. A continuación, se pulieron levemente los
trozos de acero tipo B para eliminar cualquier subproducto
de la oxidación y mejorar el acabado de la superficie de las
muestras.
El ensayo se detuvo y se consideró que la muestra
tenía una “vida de fatiga infinita” si los ensayos alcanzaban
los 10,000,000 ciclos. Además, no se encontró ninguna
separación para los niveles de deformación inferiores al
límite de resistencia. Por lo tanto, no se realizó ninguna
fractografía para estas muestras.
2.1 Preparación de la superficie fracturada
Después de la separación, las muestras se
mantuvieron en un ambiente cerrado lejos de toda fuente
de humedad; la superficie fracturada fue cuidadosamente
retirada de la muestra, y se realizó un corte de 1.25cm en
la zona de la fractura. Estas piezas se etiquetaron como
“alcance muestral”. Inmediatamente después, los alcances
muestrales se sumergieron durante 280 segundos en una
solución de metanol para eliminar cualquier rastro de
partículas orgánicas o impurezas. Luego se secaron y se
colocaron cuidadosamente en la cámara de observación
del microscopio.
2.2 Imágenes del SEM y patrón de exploración
Una vez que la muestra estuvo dentro de la cámara
de observación, el SEM registró imágenes de baja
magnificación de la superficie fracturada; luego, el SEM
siguió un patrón de exploración con el fin de identificar la
mayor cantidad de información posible de cada superficie
fracturada. Con este propósito, mediante exploración
manual, se determinaron las coordenadas de los cuatro
cuadrantes de la muestra con respecto al rayo láser del
SEM y luego se utilizaron en un programa de computación
para determinar las otras coordenadas necesarias para
definir el “patrón de exploración”, que era la guía del SEM
para obtener las imágenes de alta magnificación (ver
Figura 1).
Cada vez que dos líneas de referencia se
intersectaban sobre el área fracturada de la sección de la
muestra y en los diversos cuadrantes, el SEM tomaba una
fotografía de alta magnificación, la cual estaba
correlacionada con las coordenadas de referencia. El SEM
cambiaba las escalas de magnificación hasta determinar
una clara caracterización de la microfisura. El patrón de
exploración se movía de izquierda a derecha y de arriba
hacia abajo, comenzando en la posición A-45 y
terminando en H-56 (referirse a Figura 2) y empezando
siempre en el área del borde de corte, y finalizando en la
superficie plana de la fractura frágil.
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
136
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
Figura 1. Plan de la rejilla de la que se obtuvo micro-fotografía. A cada línea se le asignó una coordenada en la
dirección X e Y después de obtener las coordenadas del cuadrante
Figura 2. Esquema general para el código de color (CC) por tipo de grietas y la posición dentro de una superficie
agrietada. La energía de la grieta disminuye en la dirección del reloj
2.3 El código de color como equivalente fractográfico
A partir de los más de 1.000 registros
microfotográficos que se obtuvieron en esta investigación,
se determinó que existen principalmente ocho tipos
diferentes de microfisuras. Las coordenadas de las
imágenes del SEM se usaron para elaborar un Código de
Color (CC) equivalente a la representación de baja
magnificación de la superficie fracturada. Este código de
color se convirtió en una herramienta útil para entender la
evolución de la grieta desde su origen hasta alcanzar la
inestabilidad cerca del borde de corte.
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
El CC correspondía a los ocho tipos de microfisuras
observadas, usando ocho colores diferentes de la escala
RGB (rojo, verde, azul), variando desde el rojo hasta el
violeta
(www.mathworks.com/help/matlab/ref/colorspec.
html. The Mathworks). Cada color representa un parámetro
geométrico asociado expresado en términos del diámetro
de los hoyitos (HEC) o del espaciamiento de estrías de
fatiga (LEC). Debido a la inherente complejidad de los
fenómenos, ni el clivaje ni la zona de transición de la
grieta se pudieron caracterizar geométricamente. Sin
embargo, ambos fueron localizados dentro de la superficie
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
137
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
fracturada como información complementaria. Este CC es
una herramienta simple y potente para transformar la
evolución de la grieta observada en imágenes de baja
magnificación de la superficie, en un diagrama fácil de leer
que describe la cambiante naturaleza y geometría de las
estructuras de microfisuras que ocurren durante la
separación. Asimismo, muestra la ruta probable desde el
origen de la grieta hasta su culminación en una fractura de
alta energía en el borde de corte. Esto proporciona una
mejor representación aproximada de la evolución de la
grieta, en vez de seguir flechas dibujadas sobre las
imágenes de baja magnificación del SEM.
En la Figura 2, la correlación de color se explica
mostrando, en el sentido de las agujas del reloj, una
formación de energía de la grieta en constante
disminución. Es decir, a la fractura de hoyitos que es una
fractura de alta energía se le asigna un color rojo, a la zona
de transición entre fractura de baja energía y fractura de
alta energía se la identifica con un color amarillo, y las
estrías de fatiga se señalan con colores “fríos” (azul, cian,
magenta, violeta), dependiendo del tamaño de
espaciamiento de las estrías.
Aunque cada una de las microfotografías de las
diversas muestras no coinciden exactamente con la
geometría del tipo de grieta asumido para definir el CC,
cada vez que se descubre una determinada formación de
microfisura, se puede distinguir el aspecto general en una
de las categorías descritas en las Figuras 3, 4 y 5.
Figura 3. El código del color (CC) se usa aquí para describir la superficie agrietada en términos de la naturaleza de la micro-grietas,
estructuras observadas con el Scanning Electron Microscope (Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3)
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
138
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
Figura 4. El código del color (CC) se usa aquí para describir la superficie agrietada en términos de la naturaleza de la micro-grietas estructuras observadas con el Scanning Electron microscope (Tipo 4, tipos 5 y 6)
Figura 5. El código del color (CC) se utiliza aquí para describir la superficie agrietada en términos de la naturaleza de la microagrietamiento estructuras observadas con el Scanning Electron microscope (Tipo 7 y tipo 8) Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
139
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
3. Resultados
La Tabla 1 y la Tabla 2 muestran los resultados de
los ensayos de fatiga (Núnez, 2014). Para las muestras que
fallaron,
se
determinaron
superficies
fracturadas
equivalentes en el CC. Los resultados muestran una típica
fractura por fatiga, donde se identifica una zona de inicio
seguida de una superficie plana fracturada por fatiga y,
cerca del final de la vida de fatiga, se aprecia el borde del
corte. En general, para aquellas muestras que fallaron, las
imágenes de baja magnificación son útiles para determinar
el tipo de fractura, pero éstas carecen de datos más
refinados y, lo que es más importante, no muestran los
cambios específicos que se producen durante el avance de
la grieta.
En la Figura 6, una muestra de acero AISI-1018 tipo
A se representa de dos formas: la típica representación de
baja magnificación desarrollada a partir de fotografías
sobreimpuestas de diversos registros de baja magnificación
y una representación equivalente en el CC de la misma
superficie. Cuando sólo se presenta el diagrama de baja
magnificación, la superficie fracturada muestra formas y
patrones que son claros diferenciadores entre fractura frágil
y fractura dúctil, pero no aporta ningún otro dato relativo a
la trayectoria de la grieta general desde su inicio hasta
llegar a la fractura dúctil. Sin embargo, si ambos diagramas
se presentan en forma conjunta, se puede inferir que hubo
una evolución en el área plana de fatiga, en la que
pequeños espaciamientos (violeta) evolucionaron hasta
convertirse en estrías más grandes (azul), que a su vez se
transformaron en espaciamientos muy grandes (cian),
seguidos de una zona de transición entre fractura de alta
energía y fractura de baja energía (amarillo), que condujo a
la zona de inestabilidad de fractura de alta energía,
compuesta principalmente por grandes hoyos (rojo) y otros
hoyitos (naranja) hacia el borde de la muestra.
Las Figuras 7 y 8 muestran un resumen de los
resultados para ambos tipos de acero y también las
diferencias en el crecimiento de la grieta a medida que
aumenta la carga por deformación unitaria; y la
distribución de los datos microgeométricos tanto de los
hoyitos (diámetro) como de las estrías (espaciamiento) en
función de la carga por deformación aplicada. Además, las
flechas indican la tendencia general de los valores
promedio del diámetro de los hoyitos y de los
espaciamientos de las estrías.
Tabla 1. Resultados básicos de ensayos de fatiga para AISI-1018 Acero Tipo A Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
140
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
Tabla 2. Resultados de los ensayos de fatiga para AISI-1018 Tipo de acero B. (*) Esta prueba se realizó sólo con fines de confirmación.
Fue detenido después de alcanzar 1,000,000 ciclos Figura 6. Superficie agrietada en bajo aumento y con el código de color (CC) la representación para la prueba de T-020-12,
de acero AISI-1018
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
141
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
Figura 7. Resumen de las superficies agrietadas en código de color (CC) como una función de la tensión aplicada, para el acero Tipo A
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
142
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
Figura 8. Resumen de las superficies agrietadas en código de color (CC) como una función de la tensión aplicada, para el acero Tipo B
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
143
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
4. Discusión
Las
fotografías
monocromáticas
de
baja
magnificación de las grietas por fatiga entregan datos
relativos a la grieta y muestran las diferencias generales
entre fractura frágil y fractura dúctil. También ayudan a
identificar macro cambios en la grieta, dependiendo de
factores tales como cambios geométricos, distribución de la
carga, etc. Pero se reitera que en estas representaciones se
discuten principalmente dos tipos de grietas (Barsom J., y
Rolfe S., 1987). Estas investigaciones preliminares también
pueden indicar la zona de inicio de la grieta y a veces,
dependiendo de la escala de magnificación usada por el
SEM, entregan datos sobre el cambio general de la punta
de grieta a medida que avanza el ensayo. Una información
detallada sobre la evolución de la grieta es importante,
puesto que entrega datos nuevos sobre el daño que luego
se puede correlacionar con otras cantidades medibles tales
como los campos magnéticos (Núñez, 2014), (Erber et al.,
2012), la temperatura (Kucharczyk P. et al., 2012) o señales
visibles de daño (Müller et al., 2011).
Uno de los hallazgos obtenidos mediante el Código
de Color es la naturaleza cambiante de la microfisura
delante de la punta de grieta en función de la deformación
aplicada. Mientras más alta es la deformación aplicada,
más grande es el espaciamiento de la estría por fatiga cerca
de la zona de inicio de la grieta; y más angosta es el área
en que se encuentra la zona de transición de la grieta. Este
comportamiento hace una diferencia entre las muestras
que poseen vidas de fatiga más largas y las muestras que
tienen vidas de fatiga cortas (menos de 150.000 ciclos de
carga). Esto se puede entender desde el punto de vista de la
mecánica de la fractura. La ecuación empírica básica que
relaciona la tasa de crecimiento de la grieta con las
características mecánicas del material utilizado es la ley
Paris, dada por:
!"
!"
= 𝐶 ∆𝐾
!
(1)
Donde C y m son constantes del material, ΔK es el factor
de intensidad de esfuerzo definido en función de la
longitud de grieta (a) y la fluctuación del esfuerzo (ΔS):
∆K = F(a) πa∆S, and da/dN es la tasa de crecimiento de la
grieta. Si, en caso de inestabilidad del material, el factor de
intensidad de esfuerzo se iguala a la tenacidad de la
fractura KIC del acero usado para descubrir la máxima
longitud teórica de la grieta, entonces la Ecuación 1 se
puede expresar en términos del número de ciclos
necesarios para fallar, hasta una determinada longitud de
grieta, de la siguiente forma:
𝑁=
!"
!"
!" ! ! ! ∗ !"∗∆! !
(2)
Donde a0 es la grieta por fatiga inicial asumida o falla
original, af es el crecimiento final de la grieta en
observación y F(a) es una función geométrica de la
longitud de grieta que depende de la sección transversal de
la muestra (en este caso, el diámetro). Para el presente
estudio, el diámetro de la sección transversal circular (D) y
la longitud de grieta (a), determinan la relación (a/D) que
afecta el resultado de F(a), de la misma forma que la
muestra compacta de la norma ASTM (Dowling, 2012). La
Figura 9 muestra un esquema de este comportamiento.
Figura 9. Esquema del comportamiento de F(a) como una función de relación a/D
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
144
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
Mientras más grande es la longitud de grieta actual,
mayor es el valor de F(a) y, por lo tanto, menor es el
número de ciclos que la Ecuación 2 sugiere para alcanzar
un af específico. Esto indica claramente que gran parte de
la vida de fatiga de la muestra se utiliza en crear el avance
temprano de la grieta. En deformaciones menores, se
produce una larga vida de fatiga que se caracteriza por
estrías de fatiga más pequeñas cerca de la zona de inicio
de la grieta. Cuando se aplican grandes deformaciones
unitarias, la entrada de energía crea una gran demanda
microplástica que es mayormente constante a lo largo de la
sección transversal de la muestra y está representada por
las grandes áreas planas compuestas por anchas estrías de
fatiga (CC: cian). Sin embargo, en la medida en que se
aplica un mayor número de ciclos de carga al acero, el
factor a/D crece más rápido y la entrada de energía al nivel
microestructural se incrementa y se traza como un
espaciamiento de estría de fatiga en constante aumento.
Esto resulta especialmente evidente en el acero tipo B, que
es levemente opuesto al acero tipo A, mostrando una
diferencia
en
el
comportamiento
del
material,
posiblemente debido a los distintos procesos de templado
que se utilizaron (Figura 7 y 8).
Al examinar el diámetro de los hoyitos, se evidencia
un comportamiento similar: mientras mayor es la
deformación aplicada, mayor es el valor promedio del
diámetro del hoyito. Esta observación es consistente para
los dos tipos de acero usados en este estudio,
independientemente del proceso de templado.
Si bien los parámetros geométricos medidos
(diámetro de los hoyitos y espaciamiento de las estrías)
muestran un menor rango intercuartil con respecto a la
media (lo que significa una distribución agrupada de
tamaños), la diferencia entre el tercer cuartil (<75% de
todos los puntos de datos) y el valor máximo es mucho
mayor que esta misma diferencia entre el primer cuartil
(<25% de todos los puntos de datos) y el valor mínimo.
Esto sugiere una distribución de datos log-normal y que los
mayores tamaños de diámetro o espaciamiento de estrías
tienen una muy baja probabilidad de ocurrencia y, por lo
tanto, se pueden tratar como valores atípicos. Es posible
que esta dispersión se deba a la complejidad de la grieta
misma y a las muchas fuentes de variabilidad que pueden
afectar, a nivel micro, la superficie de la grieta resultante.
La aplicación del diagrama de CC de la superficie
fracturada junto con el enfoque teórico de los mecanismos
de fractura, expresados como el número de ciclos
necesarios para alcanzar una cierta longitud de grieta,
pueden ayudar a comprender el patrón más probable de
microfisura asociado al número de ciclos de carga
aplicados.
La mecánica de fractura calcula la vida de servicio
en base a los resultados estadísticos de la tenacidad de
fractura del material y la longitud teórica de grieta máxima
esperada, aplicada a un esfuerzo constantemente
fluctuante. No obstante, esto no explica la naturaleza
siempre cambiante de la grieta observada en este estudio.
Como ejemplo de cómo el código de color puede
complementar los resultados de la mecánica de fractura, el
diagrama de Código de Color de la muestra T-020-12 para
el acero tipo A (ver Figura 6) se muestra junto con la curva
acumulativa del número de ciclos necesarios para alcanzar
una determinada longitud de grieta (comparar con Figura
10).
Se puede observar que el menor número de ciclos
de carga aplicados a la muestra T-020-12 para el acero tipo
A produce el mayor daño de alta energía en términos de
grietas de transición (amarillo), hoyitos (naranja) y grandes
hoyos abiertos (rojo); mientras que gran parte de la vida de
fatiga se usó sólo en crear el inicio (violeta) y el primer
avance importante mostrado por las microestrías de fatiga.
Figure 10. Código del color de la superficie agrietada por T-020-12, para el tipo de acero A y la curva de mecánica de
fractura para el número de ciclos para llegar a una cierta longitud de la grieta Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
145
Revista Ingeniería de Construcción RIC
Vol 30 Nº2 2015 www.ricuc.cl
SPANISH VERSION……..............................................................................................................................................................................................................................................
5. Conclusiones
Este trabajo presenta una manera novedosa de
expresar e identificar los diversos componentes
microestructurales característicos de una grieta de fatiga a
medida que se mueve desde el punto de origen hasta que
se produce el daño plástico en las zonas de hoyitos. A
pesar de una gran variabilidad al nivel micro, la grieta de
fatiga se puede expresar en términos de ocho tipos de
grieta, que a su vez se dividieron en cuatro tipos: fractura
de alta energía (hoyitos), grietas de transición, clivaje y
fractura de baja energía (estrías). Al asignar un color a cada
uno de estos tipos de grieta, se puede elaborar un mapa de
grietas con varios microgramas tomados a escalas de alta
magnificación, configurando así la superficie de una
fractura equivalente en el CC. Se determinó una
caracterización microgeométrica relativa al diámetro de los
hoyitos y la distancia de las estrías de fatiga para los dos
tipos de acero usados en este estudio.
Si bien las muestras de acero fueron sometidas a un
régimen de esfuerzo fluctuante (deformación) con
magnitud máxima constante, la microgeometría de la grieta
se modificó muchísimo desde el origen hasta alcanzar una
zona de transición entre fracturas frágiles y dúctiles. Esto es
evidente para los menores niveles de carga por
deformación, mientras que para los mayores niveles de
carga por deformación, el espaciamiento de las estrías
tiende a ser más homogéneo en el área frágil de la grieta.
Cuando se compara con las micrografías de baja
magnificación, el diagrama de CC de la grieta entrega un
medio valioso para identificar el origen de la grieta y, lo
que es más importante, la naturaleza del frente de grieta
mientras se mueve desde su origen hasta el borde de corte.
Además, el trabajo conjunto entre la superficie de
grieta equivalente en el CC y la teoría de la mecánica de
fractura (longitud de grieta en términos del número de
ciclos de carga aplicados) mejora la información sobre el
avance de la grieta, lo cual resulta útil para predecir los
posibles tipos de microfisuras esperables luego de aplicar
un cierto número de ciclos de carga.
Finalmente, un mayor número de imágenes de alta
magnificación utilizadas en la discretización introducida
en la Figura 6 puede mejorar notablemente los resultados y
entregar un mejor enfoque para entender la naturaleza de
los cambios en las grietas frágiles durante la fractura por
fatiga del acero.
6. References
As cited in ASM Handbook (1992), Frediel, in Fracture, Proceedings of the Swampscott conference, MIT Press, 1959, pp297.
As cited in ASM Handbook (1992), S. Taira, R., Ohtani and T. Kitamura. Application of J-integral to high-temperature crack propagation. Part I –
Creep crack propagation. J. Eng. Mater. Technol., ASME Series H, vol 101, pp 154-161, 1979.
ASM Handbook (1992), Vol 12 - Fractography. American Society for Metals - ASM
Barsom J., Rolfe S. (1987), Fracture and fatigue control in structures. Applications of fracture mechanics. 2nd ed. Prentice Hall, NJ, pp244
Dowling N. (2012), Mechanical behavior of materials. 4th ed. Prentice Hall, pp 333.
Erber T, Guralnick S.A., Segre C.U. and Tong W (2012), Correlation Between The Piezo-Barkhausen Effect and the Fatigue Limit Of Steel.
Journal of Physics, D: Applied Physics V.45 (46).
Hertzberg R. (1995), Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials. 4th ed. New Jersey. Wiley, pp 575.
Kucharczyk P., Rizos A., Munstermann S. and Bleck W. (2012), Estimation of the Endurance Fatigue Limit for Structural Steel in Load Increasing
Tests at Low Temperature. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures Journal V.35 (7), pp. 628-637.
Muller C., Gunkel C. and Denecke L. (2011), Statistical Analysis of Damage Evolution With A New Image Tool. Fatigue and Fracture of
Engineering Materials and Structures Journal V.34 (7) pp. 510-520.
Nunez F. (2014), Piezo-Barkhausen Pulse Signal Analyses (BPSA) and Determination of the Fatigue Life of AISI-1018 Steel Near the Endurance
Limit. PhD dissertation. Dept. of Civil, Arch. & Env. Engineering, Illinois Institute of Technology, Chicago.
Pippian R., Zelger C., Gach E., Bichler C. and Weinhandl H. (2010), On The Mechanism Of Fatigue Crack Propagation In Ductile Metallic
Materials. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures Journal V.34 (1), pp 1-16.
Tchoufang-Tchuindjang J. and Lecomte-Beckers J. (2006), Fractography survey on high cycle fatigue failure: Crack origin characterisation and
correlations between mechanical tests and microstructure in Fe–C–Cr–Mo–X alloys. International Journal of Fatigue V.29, pp 713-728.
The Mathworks (2015), The RGB color specification, www.mathworks.com/help/matlab/ref/colorspec.html.
Zheng Z., Yuan S., Sun T. and Pan S. (2014), Fractographic Study of Fatigue Cracks in a Steel Car Wheel. Engineering Failure Analysis. V.47 Part
A, pp.199-2017.
Revista Ingeniería de Construcción
Vol 30 Nº2
Agosto de 2015
www.ricuc.cl
146