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 < s < ±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.
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.
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, 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 ≤ ε ≤ ±0.0014, y una relación de esfuerzo R=-1 siguiendo un 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.
