Fatiga de los Materiales – Formación y propagación de grietas
La falla por fatiga está generalmente relacionada a deformaciones plásticas y estas asociadas con tensiones cortantes. En un material cristalino la deformación plástica ocure por el movimiento de discordancias, bajo la acción de tensiones cortantes.
Este movimiento tiene como resultado final el desplazamiento relativo entre dos planos atómicos. Este deslizamiento es más acentuado cuando la tensión cortante es mayor y para una carga dada, la deformación plástica es preponderante en la dirección de máxima tensión de corte.
Para un material policristalino, donde las partículas poseen una orientación aleatoria de los planos atómicos y la deformación plástica inicia en los partículas orientadas más desfavorablemente, o sea, aquellas con sus planos de deslizamiento próximos a la dirección de tensión cortante máxima.
Así puede ocurrir que tengamos un deslizamiento en unas pocas partículas apenas, quedando el restante del material perfectamente elástico. En este caso es bastante difícil detectar la deformación plástica, pues esta es de magnitud muy pequeña o sea, para un material real, no es posible afirmar que, inclusive para tensiones por debajo de la tensión límite de proporcionalidad, o del límite elástico, tengamos apenas deformaciones elásticas.
En el caso de los materiales dúctiles, el núcleo de fisuras ocurre por la formación de planos de deslizamiento, provenientes de la deformación plástica de la partícula más desfavorablemente orientada.
Estos planos de deslizamiento surgen ya en los primeros ciclos de carga y con la continuidad de solicitud, nuevos planos van a formarse, para acomodar las nuevas deformaciones plásticas, pues debido al acortamiento del material, cada plano actúa una única vez durante medio ciclo.
De esta forma el conjunto de planos de deslizamiento forma una banda de deslizamiento, cuya densidad de planos va gradualmente aumentando. Luego de un número de ciclos del orden del 1% de la vida de fatiga, las bandas de deslizamiento ya están plenamente formadas en la superficie del material.
Formación de bandas de deslizamiento por la solicitud cíclica y su aspecto. Estadios de propagación de una grieta por fatiga.
Los deslizamientos cíclicos que forman las bandas de deslizamiento ocasionan en la superficie de la pieza entradas en la forma de pequeñas rajaduras superficiales y rebarbes irregulares como minúsculas cadenas de montañas llamadas extrusiones. El modelo presentado en la figura muestra la secuencia de movimientos de deslizamiento responsables por la formación de una intrusión y una extrusión.
La aparición de esta topografía en la superficie del material puede ser visualizada si hiciéramos una analogía de los planos cristalinos con las cartas de una bajara, donde los movimientos alternados de corte en uno y otro sentido, hacen con que las cartas inicialmente parejas, queden totalmente fuera de posición.
Estas irregularidades forman puntos entrantes de concentración de tensión, que llevan a la formación de minúsculas grietas. Estas se forman en general en las intrusiones propagándose paralelamente a los planos atómicos de deslizamiento coincidentes con un plano de máxima tensión de corte.
Las pequeñas grietas continúan creciendo hasta que alcanzan un tamaño tal que pasan a propagarse de forma perpendicular a las tensiones de tracción que actúan en el material. En el primer estadio de propagación las tensiones de corte son importantes, en tanto que en el estadio II las tensiones de tracción son las que controlan el crecimiento.
El tamaño de estas micro-grietas en que ocurre la transición del Estadio I para el II de propagación depende del nivel de solicitud, pues en un material altamente solicitado la micro-grieta pasa al estadio II con un tamaño menor que en el caso de solicitación más baja.
En componentes lisos, como para los cuerpos de prueba, más del 70% de la vida es utilizada para el núcleo y propagación del estadio I, quedando el restante de la vida para la propagación al estadio II.
La propagación de la grieta en el estadio I corresponde al modo microscópico de propagación, teniendo la grieta un largo del orden del tamaño de granos, siendo muy sensible a diferencias locales de microestructura, presencia de partículas de segunda fase, cambios de dirección de los planos cristalográficos, contornos de granos, etc.
Ya la propagación al estadio II corresponde a la forma macroscópica de propagación en que el material puede ser considerado homogéneo, siendo relevantes las propiedades medias del material y las diferencias a nivel metalúrgico son de menor importancia.
La propagación en el estadio II queda caracterizada por la formación de estrías microscópicas que marcan el crecimiento de la fisura a cada ciclo de carga. Para la propagación en el estadio II es necesario que existan tensiones de tracción en el extremo de la griega, de forma de posibilitar la ruptura del material.
Muchas veces la propagación en el estadio II produce una superficie que queda marcada macroscópicamente por las sucesivas posiciones del frente de la grieta, dando origen a las llamadas líneas de reposo. Estas son formadas por paradas en el crecimiento de la grieta, sea por una reducción de carga o por una parada en el equipamiento, o entonces por una sobrecarga que inmoviliza la grieta por algún tiempo.
Muchas veces las líneas de reposo se hacen más evidentes por la acción de la corrosión sobre las superficies ya rotas. Cuando la carga que provoca la falla por fatiga es de amplitud constante, las líneas de reposo prácticamente no aparecen, como es el caso de la falla en cuerpos de pruebas de fatiga.