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3.6.2 Fractografía de las fracturas por fatiga en metales

La formación de una fractura por fatiga en metales se presenta si: (1) hay una carga variable en el tiempo; (2) el rango de intensidad de esfuerzo aplicado supera al rango de intensidad de esfuerzos umbral del material (ΔKaplicado > ΔKumbral), lo cual se relaciona con que el pico de la onda de esfuerzo aplicada (σmáximo) sea mayor a la resistencia límite de fatiga corregida de la pieza (σmáximo > σF AT C), para la razón de carga de la onda de esfuerzo aplicada (R). Si las condiciones anteriores no se cumplen, ello implica que las microgrietas formadas en la nucleación no se propagarán, es decir, tenderán a permanecer en condición estable. La vida a fatiga de una pieza se verá seriamente acortada si hay daño mecánico previo por deformación superficial o concentradores severos de esfuerzo: (a) en la geometría de la pieza, (b) inducidos por el proceso de fabricación, (c) de tipo microestructural o (d) generados en servicio, por golpes, desgaste o corrosión.

A simple vista, las fracturas por fatiga de alto ciclaje de elementos mecánicos no mostrarán deformación plástica o distorsión notable de las piezas, en su conjunto o cerca de las zonas de fractura; sin embargo, en fracturas por fatiga de bajo ciclaje, ello sí podrá estar presente si se trata de un material dúctil (figuras 3.49 y 3.50, imágenes superiores izquierdas). No obstante lo anterior, en las fatigas de alto ciclaje, si se presenta fractura final súbita dúctil, es posible que en dicha zona esté presente la deformación macroscópica de la pieza.

En general, las superficies de las fracturas por fatiga de alto ciclaje se caracterizan por presentar dos zonas claramente diferenciadas: (1) zona de propagación estable de grietas en servicio, en la cual a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico, se encontrará una textura tersa o granular; (2) zona de fractura final, donde la pieza agrietada no pudo seguir soportando la carga, y por lo tanto, ocurrió una fractura de manera súbita (crecimiento inestable de grietas) (figura 3.49, superior derecha).

Bajo inspección visual a ojo desnudo, con lupas o estereoscopio, la textura predominante en las superficies de propagación estable de grieta por fatiga de alto ciclaje de metales será la tersa (figura 3.51, superior izquierda). La textura tersa es consecuencia del predominio del mecanismo de fatiga transgranular. Si el mecanismo predominante es la fatiga cristalográfica, la textura visible será una combinación de la tersa y la granular, ya que dentro de cada grano habrá planos preferentes de propagación de las grietas de fatiga (figura 3.51, superior derecha). Cuando predominen los mecanismos de clivaje o agrietamiento intergranular, la textura predominante será la granular (figura 3.51, central izquierda). En la fatiga de bajo ciclaje, donde predomine el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos, la textura encontrada será la fibrosa (figura 3.51, central derecha). Todas estas texturas podrán presentar frotamiento total o parcial, es decir, daño de las superficies de fatiga por roce entre las dos caras de grieta (figura 3.51, inferior), lo cual se favorece cuando halla inversión total de carga (tracción-compresión) o cuando se combinen los modos de carga I y II o I y III.

El límite entre la zona de propagación estable de grieta y la zona de fractura final es una marca de playa, cuya geometría indica la forma que tenía el frente de grieta, inmediatamente antes de presentarse la fractura final (figura 3.49, superior derecha). Esta marca se forma por el contraste visual que se produce entre las texturas de la zona de propagación estable y las de la zona de fractura final.

Figura 3.49 Fracturas por fatiga de alto ciclaje

Nota. Muñón de cigüeñal fatigado a torsión, donde se puede notar que no hay deformación plástica de la pieza (superior izquierda); zonas típicas de una superficie de fractura por fatiga (superior derecha). Nótese que no hay marcas de playa intermedias; fractura por corrosión fatiga a flexión de un eje, donde hay una marca de playa intermedia (central izquierda); fractura por fatiga a flexión de un cigüeñal, donde se presentaron varias marcas de playa intermedias (central derecha); orígenes múltiples de fatiga separados por marcas ratchet (inferior izquierda); presencia de marcas de río en superficie de fractura por fatiga de un cigüeñal. Nótese que la aparición de las marcas coincide con un cambio en la orientación de la superficie de fractura (inferior derecha). Las flechas amarillas indican la dirección del crecimiento de las grietas.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.50 Fracturas por fatiga de bajo ciclaje

Nota. Tornillo de acero martensítico fatigado a bajo ciclaje en 32 ciclos, aplicando un 95 % del esfuerzo último. Nótese que hay deformación del elemento alrededor de la zona de fractura (superior izquierda); superficie de fractura por fatiga del tornillo, donde se nota su textura fibrosa (superior derecha); superficie de fractura por fatiga de bajo ciclaje, de un elemento estructural hecho en duraluminio 7075 T6, donde hay textura fibrosa y presencia de marcas de playa (inferior). Las flechas amarillas indican la dirección del crecimiento de las grietas.

Fuente: elaboración propia.

Lo más común en piezas mecánicas que fallan por fatiga es que tengan varias marcas de playa en la zona de propagación estable de grietas, las cuales se forman generalmente por: (1) corrosión u oxidación en el frente de grieta, producto de la acción del aire o del lubricante de la máquina durante un periodo de detención de la pieza; (2) cambios en el rango de intensidad de esfuerzos aplicados, que producen cambios en la cinética de crecimiento y en la rugosidad; (3) cambios en el estado de esfuerzos que originen variaciones en la orientación de la superficie de grieta; (4) cambios en la frecuencia de los ciclos de carga aplicados, que llevan a variaciones en la cinética del crecimiento. En las imágenes superior derecha, central izquierda y central derecha de la figura 3.49, se puede ver la apariencia que tiene una fractura por fatiga sin marcas de playa intermedias, la de una fractura con una marca de playa intermedia y la de una fractura con varias marcas de playa intermedias, respectivamente.

Figura 3.51 Texturas en las zonas de propagación estable de grietas por fatiga

Nota. Tersa en fatiga transgranular de acero bonificado 8640 con 40 RC (superior izquierda); combinación de tersa y granular en fatiga cristalográfica de duraluminio 7075 T6 (superior derecha); granular en fatiga intergranular de acero 5160 bonificado a 50 RC (central izquierda); fibrosa en fatiga de bajo ciclaje por formación y coalescencia de microvacíos, en duraluminio 7075 T6 (central derecha); tersa con frotamiento por roce entre las caras de grieta, en acero inoxidable AISI 410 (inferior). Las flechas amarillas indican la dirección de crecimiento de las grietas.

Fuente: elaboración propia.

En el caso de una fractura por fatiga en la cual solo se encuentre la marca de playa, que separa las zonas de propagación estable y de fractura final (figura 3.49, superior derecha), se puede afirmar que las condiciones ambientales, de nivel de esfuerzos y de orientación de estos, no cambiaron durante todo el proceso de crecimiento en servicio de la grieta de fatiga, es decir, esta pieza probablemente no tuvo detenciones prolongadas durante su funcionamiento (operación continua a ciclos de carga constantes).

El eje de la figura 3.49 (central izquierda) corresponde a un eje perteneciente a una bomba de extracción de crudo en pozo, equipo que operó en varios pozos diferentes antes de la falla. Su superficie de propagación estable mostró claramente una marca de playa intermedia, con lo cual se pudo deducir que el eje nucleó e inició su agrietamiento en el penúltimo pozo en que operó, ya que dicha marca de playa probablemente se formó por acción corrosiva, mientras el eje estuvo almacenado antes de ingresar al último pozo.

El cigüeñal de la figura 3.49 (central derecha) trabajó en el motor de un helicóptero; en este caso se encontraron quince marcas de playa claramente definidas, lo que para el helicóptero implicó que desde al menos quince vuelos anteriores, el cigüeñal ya se encontrara agrietado. Además, las marcas de playa se formaron por la acción corrosiva del aceite lubricante del motor durante los largos periodos detención del helicóptero.

En las zonas de origen de los agrietamientos por fatiga, será común encontrar las marcas Ratchet, cada una de las cuales separa dos grietas de fatiga independientes. Es importante notar que los orígenes de los agrietamientos por fatiga no están en las marcas Ratchet, sino entre ellas (figura 3.49, inferior izquierda). Si no se encuentran marcas Ratchet en la zona de origen de agrietamiento, ello indica que se tuvo un solo origen de grieta de fatiga (figura 3.49, superior derecha y central izquierda).

Marcas radiales y de río también pueden estar presentes en las zonas de propagación estable de las grietas, y generalmente están asociadas a cambios en el estado de esfuerzos, que generan bifurcaciones y reorientaciones de las superficies de fatiga (figura 3.49, inferior derecha). Estas marcas tenderán a aparecer en piezas grandes, o de geometría compleja, o cerca de la transición entre las zonas de propagación estable y de fractura final, es decir, en la etapa III de propagación.

Como regla general, en las superficies de fractura por fatiga de alto ciclaje se encontrará que la rugosidad irá en continuo incremento, desde el origen hacia la zona de fractura final (figura 3.49, inferior derecha), lo cual ayuda a establecer las regiones de origen de los agrietamientos, si no se tienen marcas Ratchet, de río, radiales o de playa que lo permitan. De igual manera, las zonas de origen al ser más antiguas, es posible que presenten coloraciones oscuras producto de la corrosión u oxidación, mientras que las últimas zonas en formarse durante la propagación serán de un brillo metálico más acentuado (figura 3.56, central derecha).

Las superficies de fractura por fatiga de bajo ciclaje tienden a no mostrar un límite claro entre la zona de propagación estable de grieta en servicio y la zona de fractura final. Sus texturas tienden a ser fibrosas en el caso de materiales dúctiles (figura 3.50, superior derecha) y granulares para materiales frágiles. En las texturas fibrosas se podrán encontrar marcas de playa (figura 3.50, inferior), y en menor medida marcas radiales o de río. Debido a estas características, a veces es difícil distinguir entre una fractura súbita y una por fatiga de bajo ciclaje.

Figura 3.52 Tipos de fracturas finales en fatiga

Nota. Fractura súbita frágil con textura granular (superior izquierda); fractura súbita dúctil con textura fibrosa (superior derecha); fractura súbita dúctil formando labio de corte con textura fibrosa (inferior). Se pueden tener zonas de crecimiento estable en servicio, pequeñas o grandes respecto a la zona de fractura final. Las flechas amarillas indican la dirección del agrietamiento.

Fuente: elaboración propia.

El tamaño relativo entre la zona de propagación estable de grieta y la zona de fractura final puede dar indicios sobre el nivel del esfuerzo experimentado respecto a la resistencia de la pieza, si se tiene certeza de que durante la propagación de grieta el nivel de carga se mantuvo aproximadamente igual. Una zona de propagación estable pequeña (figura 3.52, superior izquierda) sugiere que la carga de fatiga era muy elevada respecto a la resistencia de la pieza, ya que con pocos ciclos se generó fractura final, mientras que una zona de propagación estable grande (figura 3.52, superior derecha), sugiere un nivel de carga de fatiga baja. En este último caso surge una pregunta obvia: ¿si la carga de fatiga era baja, por qué se fatigó la pieza? La respuesta no es sencilla, pero es común encontrar que en los casos en que se presenta esta situación, ello se debe a que en la zona de inicio del agrietamiento había algún concentrador de esfuerzo severo o un daño mecánico previo. Esto facilita la nucleación del agrietamiento, y el rango de esfuerzos aplicado, aunque es bajo, es de todas maneras suficiente para propagar las grietas. Además de lo anterior, se debe tener presente que el tamaño relativo entre las dos zonas, no solo depende de la solicitación, sino también de la tenacidad de fractura de la pieza.

En la figura 3.53 se resume, a manera de ejemplo, para ejes sometidos a flexión unidireccional, la influencia que el nivel de esfuerzo y su concentrador tienen en: (a) el tamaño relativo entre la zona de propagación estable y la zona de fractura final; (b) el número de orígenes del agrietamiento y, por lo tanto, de marcas Ratchet. En esta figura también se ilustra que cerca de cada origen de grieta, las marcas de playa tienden a ser elípticas o circulares, y el origen se encuentra hacia la zona cóncava de la marca. Una vez las grietas se unen para formar un solo frente de grieta, este puede generar marcas de playa ya no tan cóncavas, rectas o incluso convexas; cerca de la zona de fractura final, las marcas de playa generadas pueden ahora ser convexas respecto a los orígenes, o lo mismo cóncavas respecto a la fractura final.

Figura 3.53 Influencia del rango de esfuerzos aplicados y el nivel de concentración de esfuerzos presente en el tamaño de la zona de propagación de grietas en servicio y el número de orígenes de fatiga para un eje sometido a flexión unidireccional

Fuente: elaboración propia.

Además de la posibilidad de tener varios orígenes de grieta en una superficie de fatiga, también es probable que se tengan varias grietas paralelas de fatiga, es decir, un agrietamiento múltiple (figura 3.54). Esto se favorece cuando se tiene un rango de esfuerzos aplicados alto y una zona amplia de la pieza sometida a este, es decir, no hay una zona especialmente cargada, sino varias (ausencia de concentradores de esfuerzo o presencia de varios que generan el mismo nivel de concentración).

Cuando no exista certeza de que el valor de la carga de fatiga se mantuvo constante durante el proceso de agrietamiento, no es tan fácil sacar conclusiones sobre el nivel de carga que experimentó la pieza, a partir del tamaño relativo de las zonas de propagación estable y de fractura final, ya que en muchos diseños mecánicos (por ejemplo, en puentes metálicos), es común que al agrietarse por fatiga un elemento estructural, otro denominado redundante asuma la carga que el agrietado está dejando de soportar, es decir, el elemento producto de su agrietamiento pierde carga. En este caso tendremos una zona de propagación estable grande y de fractura final pequeña, pero no por esto debemos asumir que la carga de fatiga era nominalmente baja, ya que de entrada sabemos que durante el origen del agrietamiento la carga era probablemente alta.

Figura 3.54 Agrietamiento múltiple de eje en fatiga bajo torsión (las grietas están resaltadas con partículas magnéticas)

Nota. Obsérvese el patrón en forma de “X” que tienen las grietas cerca de su origen.

Fuente: elaboración propia.

Dependiendo del tipo de material (dúctil o frágil), del tamaño y la geometría de la pieza, y del tamaño relativo de la zona de fractura final, se podrá encontrar una fractura final súbita frágil (figura 3.52, superior izquierda) o súbita dúctil (tipo fibrosa o tipo labio de corte) (figura 3.52, superior derecha e inferior).

La trayectoria de las grietas de fatiga durante su propagación es similar a la de las fracturas súbitas frágiles, donde en general se sigue una trayectoria perpendicular al máximo esfuerzo de tracción local generado por los diferentes modos de carga; sin embargo, existen dos particularidades: (a) para el caso de tracción, en piezas delgadas, materiales tenaces y altas velocidades de propagación (etapa III), o en fatiga de bajo ciclaje, se podrá tener una trayectoria de propagación a 45o respecto al normal máximo, donde dicha propagación se dará bajo la acción combinada de un esfuerzo normal y el cortante máximo; (b) para el caso de torsión, es posible que las grietas durante su nucleación y las fases iniciales del crecimiento (etapa I) sean colineales con el cortante máximo, haciendo transición posteriormente a la perpendicular al esfuerzo de tracción (figuras 3.55 y 3.56, ver también la figura 3.24). El caso (b) descrito en este párrafo se ve favorecido si hay, por ejemplo, inclusiones no metálicas orientadas con el cortante máximo, o si además del torsor hay esfuerzos de contacto superficial por deslizamiento.

Figura 3.55 Orientación de las superficies de fractura por fatiga en función del tipo de carga aplicada

Nota. (a) Tracción, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (b) tracción, trayectoria a 45o bajo combinación de esfuerzo normal y cortante; (c) flexión, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (d) torsión, trayectoria perpendicular al esfuerzo normal máximo; (e) torsión con trayectoria inicial longitudinal; (f) torsión con trayectoria inicial circunferencial. En los últimos dos casos el agrietamiento inicial sigue al cortante máximo y cuando gira a 45o sigue la perpendicular al normal máximo.

Fuente: elaboración propia.

En las fracturas por fatiga a torsión en las zonas de origen, se podrá encontrar: (a) un patrón de agrietamiento completamente orientado a 45o respecto al esfuerzo normal (figura 3.56, central izquierda); (b) un patrón de grietas en forma de “X” (figuras 3.54 y 3.56, central derecha), o (c) un patrón escalonado (figura 3.56, inferior).

Figura 3.56 Ejemplos de orientación de las superficies de fractura por fatiga, en función del tipo de carga aplicada

Nota. Orientación transversal en fractura por fatiga de tornillo sometido a tracción (superior izquierda); orientación transversal en fractura por fatiga de eje sometido a flexión unidireccional (superior derecha); orientación a 45o en fractura por corrosión fatiga de eje sometido a torsión (central izquierda); múltiple agrietamiento a 45o en eje cigüeñal fatigado a torsión (central derecha); aspecto escalonado de superficie de fatiga a torsión de cigüeñal, donde el origen del agrietamiento fue paralelo al eje (inferior). Las flechas amarillas indican la dirección de crecimiento del agrietamiento.

Fuente: elaboración propia.

Al inspeccionar a altos aumentos las superficies de fractura por fatiga de alto ciclaje de metales, con el estereoscopio o el MEB, y complementar dicha inspección con observación de secciones metalográficas transversales a las superficies de fractura, se podrá observar que, en general, el mecanismo de fatiga transgranular deja una superficie menos rugosa que la generada por la fatiga cristalográfica, y esta a su vez menos que la que dejan la fatiga por clivaje o desprendimiento intergranular cíclico (figura 3.57). Las superficies con mayor rugosidad se obtendrán en la fatiga de bajo ciclaje, donde predomine el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos (figura 3.58). Las estriaciones de fatiga se presentan especialmente en metales de alta ductilidad y son observables con MEB (figura 3.47, superior y central izquierdas); sin embargo, en algunos materiales frágiles también podrán aparecer. En sección metalográfica no es posible detectar las estriaciones.

Figura 3.57 Imágenes de MEB y metalográficas de fatiga intergranular, cristalográfica y transgranular

Nota. Fatiga intergranular cíclica en acero 5160 bonificado con 50 RC: aspecto en MEB de los granos (superior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (superior derecha). Fatiga cristalográfica en duraluminio 2014 T6: aspecto bajo observación en estereoscopio (central izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (central derecha); nótese que en cada grano las grietas de fatiga siguen una trayectoria diferente, lo que origina la textura mixta entre granular y tersa. Fatiga transgranular en acero 5160 bonificado con 40 RC: aspecto en MEB de la superficie de fractura (inferior izquierda); aspecto típico en sección metalográfica (inferior derecha); nótese que la trayectoria de grieta es bastante llana, ya que no se experimentan cambios importantes de dirección al pasar de un grano a otro. Nótese también el patrón radial que se forma en la superficie de fractura deformada, lo que permite conocer la dirección de crecimiento. Las flechas amarillas indican el sentido de propagación.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.58 Fatiga de bajo ciclaje de un acero 8620 bonificado con 27 RC, mediante el mecanismo de formación y coalescencia de microvacíos intragranulares

Nota. Aspecto en MEB (izquierda); aspecto en sección metalográfica (derecha). Las flechas amarillas indican el sentido de propagación.

Fuente: elaboración propia.

Bajo inspección con MEB de superficies de fatiga que contengan estriaciones, será posible estimar un valor del número total de ciclos transcurridos en la propagación, a partir del conteo de las estriaciones en diferentes zonas de la superficie de fractura (cerca de los orígenes, en zonas intermedias y cerca de la zona de fractura final); sin embargo, el valor obtenido es solo una estimación, ya que el espaciamiento entre estriaciones no es constante en toda la superficie de fractura, y habrá zonas donde no se hallen estriaciones o estén borradas por el frotamiento, y hay que tener en cuenta que es posible que una sola estriación se forme en varios ciclos de carga, es decir, no necesariamente siempre se cumple que una estriación equivale a un ciclo (especialmente a bajos niveles del rango de esfuerzos aplicados). De todas maneras, este conteo le servirá al analista para estimar al menos el orden de magnitud de los ciclos transcurridos en la etapa de propagación de las grietas.

En la fatiga de alto ciclaje durante la etapa II de propagación, en muchos de los metales predomina el mecanismo de fatiga transgranular, con lo cual en sección metalográfica las grietas tenderán a ser bastante rectas, es decir, poco afectadas por la microestructura (figura 3.59, izquierda); no obstante lo anterior, es posible que en la etapa I o en la etapa III de propagación se presenten otros mecanismos; en estas zonas se presentan trayectorias más quebradas, como el ejemplo mostrado en la figura 3.59 (derecha).

En la referencia [13] el lector encontrará una ampliación sobre los mecanismos y fractografía de las fracturas por fatiga.

Figura 3.59 Secciones metalográficas

Nota. Trayectoria de grieta aproximadamente recta por fatiga transgranular (en etapas I y II), en duraluminio 7075 T6 (izquierda); trayectoria zigzagueante por fatiga cristalográfica en etapa I de propagación y posterior trayectoria recta por fatiga transgranular en la etapa II, en un acero 5120 recocido.

Fuente: elaboración propia.

3.7 FRACTURAS PROGRESIVAS POR FATIGA TÉRMICA

Estas son fracturas que para formarse requieren varios ciclos de carga (figura 3.41), donde ninguno de los picos de dichos ciclos sobrepasa en valor a la resistencia última de la pieza. Las solicitaciones en este caso son derivadas de ciclos térmicos, es decir, por la acción de esfuerzos generados en dilataciones y contracciones térmicas restringidas (agrietamiento asistido por cambios de temperatura), lo cual las diferencia de las fracturas por fatiga mecánica, descritas en el numeral 3.6. Aunque el origen de los esfuerzos es distinto, el tratamiento de la resistencia al agrietamiento, los mecanismos de agrietamiento y las características fractográficas son las mismas entre la fatiga térmica y la fatiga mecánica, a condición de que la acción corrosiva asociada con la temperatura no sea muy severa y que no se tenga cooperación de la fluencia lenta o termofluencia en el mecanismo de agrietamiento. Los ciclos de fatiga térmica generalmente están asociados a los transientes generados durante los encendidos y apagados de los equipos, por lo que durante su vida total, en general, se aplica un número pequeño de cargas. Lo anterior lleva a que muchos de los casos de agrietamiento que se desarrollen durante la vida de servicio, se traten de fatiga de bajo ciclaje.

Si la fatiga térmica se da a un régimen de temperatura muy alto, donde empiece a presentarse el comportamiento viscoso del material, el agrietamiento por fluencia lenta cooperará, a lo cual se le denomina fatiga termomecánica, y se describe en el numeral 3.16. Si con la fatiga térmica no cooperan efectos viscosos, pero el agrietamiento es influenciado por la acción de un medio corrosivo u oxidante, se hablará de corrosión fatiga térmica; de ello se trata en el numeral 3.11.

Entre más altos sean el rango de esfuerzos y la razón de carga aplicados, menor será el número máximo de ciclos que puede soportar el material antes de la fractura por fatiga térmica. En ensayos de algunos materiales se encuentra que si el pico del esfuerzo en cada ciclo es lo suficientemente bajo, se puede tener una vida a fatiga térmica infinita; el pico de esfuerzo por debajo del cual no se presenta fractura por fatiga, se llama esfuerzo límite de fatiga, y está asociado a una vida entre 106 y 108 ciclos. Esta resistencia corresponde al esfuerzo límite de fatiga térmica, para la temperatura máxima de trabajo. Al igual que en el caso de la fatiga mecánica, existirá una resistencia al agrietamiento de la pieza, la cual depende del tamaño, la condición superficial, el tipo de carga y la geometría de la pieza, la cual se denomina resistencia límite de fatiga corregida (σF AT C), para la temperatura de trabajo máxima de la pieza.

3.8 GENERALIDADES SOBRE LAS FRACTURAS ASISTIDAS POR EL AMBIENTE

En este grupo de fracturas progresivas se aglutinan mecanismos de agrietamiento que se activan por la acción combinada de cargas mecánicas (esfuerzos) y la acción del medio ambiente que rodea la pieza (sinergias corrosión fractura). El medio ambiente puede facilitar el agrietamiento, básicamente mediante tres acciones: (1) corrosión, (2) difusión de elementos químicos hacia la pieza y (3) radiación.

En estos agrietamientos las velocidades de crecimiento de grietas son muy amplias, desde 10–1 a 10–12 m/s [14]. Dentro de esta familia de agrietamientos se encuentran, entre otros, los que responden a: corrosión esfuerzo, corrosión fatiga, corrosión fatiga térmica, fragilización por hidrógeno, fragilización por contacto con metal líquido, fragilización por contacto con metal sólido, fragilización por radiación, fragilización dinámica (las formas que están influenciadas por el ambiente). Estos tipos de agrietamientos tienden a aparecer solapados entre sí, o combinados con efectos debido a la temperatura, por lo que muchas veces en los análisis de falla es difícil clasificar un agrietamiento determinado en un tipo u otro.

3.9 FRACTURAS PROGRESIVAS POR CORROSIÓN ESFUERZO

Estas son fracturas que se forman en materiales metálicos bajo carga constante, por nucleación y crecimiento estable de grietas durante un determinado periodo de tiempo (agrietamiento retardado en el tiempo) (figura 3.60), donde cooperan de manera sinérgica en el agrietamiento, la presencia del esfuerzo y de reacciones de corrosión anódicas o catódicas, desde un medio ambiente específico (sinergia corrosión fractura o más específicamente, sinergia corrosión esfuerzo). En general, se encuentra que las aleaciones metálicas son más susceptibles a agrietarse que los metales puros. Un material dado experimenta este tipo de agrietamiento si es sometido a un determinado nivel de carga y en un ambiente químico específico. Si la carga disminuye o el medio ambiente cambia, el agrietamiento puede que no se presente o que se dé a una menor velocidad. El medio ambiente presente es el que permite que un esfuerzo constante, inferior al esfuerzo de fluencia, logre fracturar la pieza, facilitando la nucleación de las grietas y permitiendo que estas puedan avanzar a esfuerzo constante, vía interacciones del medio con el material presente en la cabeza de las grietas. Cada pareja material-ambiente bajo carga constante, nuclea y propaga grietas de manera diferente, y a esto se le denomina el mecanismo del agrietamiento por corrosión esfuerzo.

Figura 3.60 Comportamiento del esfuerzo versus el tiempo en las fracturas por corrosión esfuerzo

Fuente: elaboración propia.

Algunas aleaciones en determinados ambientes pueden exhibir un esfuerzo por debajo del cual no se presenta el agrietamiento, el cual se conoce como esfuerzo umbral de agrietamiento (σumbral), cuyo valor depende del ambiente químico que se tenga, del acabado superficial y de la microestructura; este valor oscila en la mayoría de las aleaciones entre el 10 y el 70 % del esfuerzo de fluencia. En la figura 3.61 se ilustra la forma de un diagrama típico de resistencia al agrietamiento por corrosión esfuerzo de una aleación. Asociado con el esfuerzo umbral de agrietamiento, se encuentra el factor de intensidad de esfuerzos umbral para el crecimiento de grietas por corrosión esfuerzo (KIACE), por debajo del cual no se propagan las grietas. El valor tanto del σumbral como del KIACE, no es tanto una propiedad del material, sino más bien una propiedad de la dupla material-medio ambiente estudiada. En la figura 3.62 se muestra el comportamiento general de la velocidad de crecimiento estable de las grietas (da/dt), contra el factor de intensidad de esfuerzos aplicados (Kaplicado), donde se puede notar que hay tres etapas de propagación (bajo carga constante, que es lo que comúnmente se presenta en servicio): etapa I, donde se presenta un comportamiento lineal logarítmico, con un rápido aumento de la velocidad de crecimiento de las grietas para cambios pequeños del factor de intensidad de esfuerzos aplicados; etapa II, donde se tiene una velocidad de crecimiento constante para un rango amplio del factor de intensidad de esfuerzos aplicados; etapa III, donde de nuevo aumentan las velocidades de propagación, con el factor de intensidad de esfuerzos aplicados, hasta que se alcance la tenacidad de fractura. En las etapas I y II de propagación se presentan velocidades que están en los órdenes de 10–9 a 10–6 m/s [15].

Figura 3.61 Curva típica de resistencia al agrietamiento por corrosión esfuerzo de una aleación metálica que exhibe un esfuerzo umbral

Fuente: elaboración propia.

Figura 3.62 Comportamiento de la velocidad de crecimiento estable de grietas por corrosión esfuerzo, en función del factor de intensidad de esfuerzos aplicado

Nota. Hay tres etapas de propagación diferenciadas.

Fuente: elaboración propia.

El esfuerzo que genera el agrietamiento, generalmente corresponde al modo I de carga y puede ser aplicado desde el exterior de la pieza y/o producto de esfuerzos residuales de fabricación. Si los esfuerzos residuales presentes en la pieza son de compresión, ello puede aminorar el agrietamiento. El fenómeno de agrietamiento se da generalmente con soluciones líquidas, producto de condensación sobre las superficies de las piezas o por inmersión en estas. Medios gaseosos también pueden provocar el agrietamiento.

Así, en resumen, para que ocurra una fractura por agrietamiento mediante corrosión esfuerzo, deberán darse dos situaciones: (a) que el esfuerzo aplicado (σaplicado) sea igual o mayor al esfuerzo umbral de agrietamiento (σumbral), para aquellos materiales que lo presentan, o en términos del factor de intensidad de esfuerzos, que el factor de intensidad de esfuerzos aplicados (Kaplicado) sea igual o mayor al factor de intensidad de esfuerzos umbral (KIACE); y (b) que se dé el tiempo suficiente.

En las fracturas por cooperación corrosión esfuerzo se presentan tres fases: (a) nucleación de grietas, (b) propagación estable de las grietas (que se da en las etapas I, II y III) y (c) fractura final por sobrecarga, una vez el tamaño de las grietas ha generado un factor de intensidad de esfuerzos igual a la tenacidad de fractura del material.

3.9.1 Mecanismos del agrietamiento por corrosión esfuerzo en metales

Como mecanismos de nucleación y crecimiento de grietas se han propuesto, entre otros, los siguientes (figura 3.63): (a) modelo de ruptura por deslizamiento de capas pasivantes: donde la nucleación de las grietas y su propagación se atribuyen a que la capa pasivante es repetidamente fracturada por el escalonamiento generado en el deslizamiento que se da en el frente de grieta. Lo anterior expone metal nuevo al medio, permitiendo su disolución por corrosión, posterior repasivación y de nuevo fractura de la capa por el deslizamiento, repitiéndose este proceso durante el agrietamiento. Este mecanismo es común en metales de baja energía de apilamiento; (b) modelo de zona activa en límite de grano: acá se presenta agrietamiento preferentemente intergranular, debido a que en los límites de grano del material o en sus zonas adyacentes hay precipitados y/o segregados que hacen que estas regiones sean más anódicas que el centro de los granos, facilitando la disolución del metal por corrosión bajo la acción del esfuerzo; (c) modelo de corrosión en túneles: donde se presenta disolución del metal por corrosión, en forma de pequeñas picaduras o túneles paralelos, que al ir creciendo dejan delgadas líneas de metal soportando el esfuerzo entre ellas, las cuales finalmente fracturan de manera dúctil.

Figura 3.63 Mecanismos de nucleación y crecimiento de grietas por corrosión esfuerzo y corrosión fatiga

Nota. (a) Modelo de ruptura por deslizamiento de capas pasivantes: de izquierda a derecha se ve cómo el deslizamiento rompe la capa pasivante en frente de grieta, permitiendo la disolución del metal por corrosión y la posterior repasivación, repitiéndose el ciclo; (b) modelo de zona anódica en límite de grano, donde es esta región la preferente del metal para disolverse por corrosión; (c) modelo de corrosión en túneles, el cual inicia con picaduras profundas de corrosión cercanas, las cuales al crecer promueven fractura del metal remanente entre ellas, repitiéndose este proceso cíclicamente durante el crecimiento de grieta; (d) modelo de plasticidad acrecentada por absorción de elementos químicos en cabeza de grieta (especialmente del hidrógeno en zonas catódicas), que favorecen el deslizamiento y el posterior crecimiento por clivaje de la grieta; (e) modelo de fractura de capa pasivante frágil, donde el esfuerzo fractura la capa exponiendo metal nuevo, el cual se disuelve y repasiva, repitiéndose continuamente la fractura de la capa y reexposición del metal.

Fuente: elaboración propia.

La corrosión en túneles avanza intermitentemente, repitiéndose cíclicamente el proceso de formación de los túneles y la fractura dúctil, durante todo el fenómeno del agrietamiento; (d) modelo de plasticidad acrecentada por absorción de elementos químicos en cabeza de grieta: donde desde el medio ambiente se difunden elementos químicos en la cabeza de grieta (especialmente el hidrógeno en zonas catódicas y en aleaciones de níquel), que aumentan el nivel de dislocaciones en planos de deslizamiento, facilitando deslizamientos que permiten el crecimiento de las grietas; (e) modelo de fractura de capa pasivante frágil: en este caso la acción del esfuerzo fractura la capa pasivante frágil, exponiendo metal nuevo a la disolución por corrosión, con lo cual se forma una nueva capa que al ir creciendo de nuevo fractura, y el ciclo se repite de esta manera, profundizando la grieta; (f) modelo de inducción de clivaje por fractura de la capa pasivante: este caso es similar al anterior, la diferencia radica en que el agrietamiento de la capa puede penetrar en el metal, lo que genera clivaje dentro de los granos. El clivaje crece hasta que la grieta se detiene por el abombamiento, lo que permite de nuevo la pasivación y posterior ruptura, repitiéndose el proceso. Este mecanismo también se propone para zonas dealeadas de un metal, donde es la fractura de la capa dealeada la que induce el clivaje de los granos de la aleación; (g) modelo de absorción de elementos químicos que inducen fragilidad: producto del proceso de corrosión, se difunden elementos químicos en la cabeza de grieta que bajan la resistencia de los enlaces en los planos de clivaje, lo cual permite el crecimiento de la grieta; (h) modelo de la descohesión inducida por el hidrógeno: producto de la acción corrosiva, en las zonas catódicas se puede producir hidrógeno, el cual se difunde preferentemente en los límites de grano del metal, bajando la resistencia local y permitiendo la ruptura de enlaces, con lo cual las grietas crecen.

De los mecanismos de nucleación y propagación descritos se puede resumir lo siguiente: se aplican a aleaciones que se pasivan (mecanismos a, c, e y f); permiten explicar la presencia de estriaciones en la superficie de fractura (mecanismos a, c, d, e, f y g); generan agrietamiento intergranular (mecanismos b y h); generan agrietamiento transgranular (mecanismos a, c, d, e, f y g), dentro de los cuales algunos generan cuasiclivaje (mecanismos c, f y g); contemplan disolución anódica del metal en frente de grieta (mecanismos a, b, c, d, e, f y g); contemplan reacciones catódicas en frente de grieta como la evolución de hidrógeno, oxígeno o nitrógeno (mecanismos d, g y h); involucran dentro del proceso deslizamiento en frente de grieta y/o fractura de metal y/o fractura de la capa pasivante (mecanismos a, c, d, e, f, g y h).

Figura 3.63 Mecanismos de nucleación y crecimiento de grietas por corrosión esfuerzo y corrosión fatiga (continuación)

Nota: (f) Modelo de inducción de clivaje por fractura de la capa pasivante, donde por el esfuerzo la capa fractura penetrando la grieta en el metal, lo cual favorece el clivaje parcial del grano y la posterior repasivación del frente de grieta, reiniciándose el proceso posteriormente; (g) modelo de absorción de elementos químicos que inducen fragilidad, donde dichos elementos bajan la resistencia de los enlaces, favoreciendo la progresión de las grietas por clivaje; (h) modelo de la descohesión inducida por el hidrógeno, el cual se da en las zonas catódicas del proceso de corrosión, donde la evolución del hidrógeno facilita su difusión en límites de grano del metal y la posterior merma de la resistencia local.

Fuente: elaboración propia.

Los mecanismos d y h son dos formas reportadas en que el hidrógeno puede provocar el agrietamiento bajo carga constante; sin embargo, el daño por hidrógeno también se puede manifestar a través de otros mecanismos como los descritos en el numeral 3.12.1, entre los que además se cuentan: (1) teoría de la presión de hidrógeno, (2) teoría de la reacción gaseosa y (3) teoría de la formación de hidruros.

Los sitios preferentes en los cuales inicia el agrietamiento, son zonas de alta solicitación por concentración de esfuerzo en la pieza (concentradores geométricos, de manufactura y generados en servicio), zonas con diferencias locales de composición química (pares galvánicos dentro del material), zonas con bajo espesor local de la capa pasivante, o zonas con capas endurecidas por golpes o mecanizado; sin embargo, también es posible que se presente agrietamiento en superficies planas libres de concentradores, pares galvánicos o daños superficiales, con tal que el esfuerzo sea el suficiente para el ambiente presente.

Dentro de los concentradores de esfuerzo generados en servicio, los producidos por la acción corrosiva del medio son muy importantes, como picaduras de corrosión y la corrosión intergranular; sin embargo, no necesariamente se presenta corrosión previa al agrietamiento, ni siempre que se tenga corrosión intergranular o picaduras se va a producir agrietamiento. Para que a partir de picaduras de corrosión se genere agrietamiento, se requieren grandes relaciones de aspecto de estas (profundidad/diámetro), mayores a 10 [16]. También son importantes como zonas de inicio, aquellas donde se presenten efectos de rendija (gradientes de concentración de especies respecto al fluido libre), como pueden ser zonas de traslape entre piezas o zonas de estanque de fluido en defectos superficiales. En cuanto a zonas que presentan dealeación en una superficie, se ha detectado igualmente que pueden actuar como orígenes del agrietamiento (figura 3.64).

Por razones obvias, no hay origen subsuperficial de agrietamientos por corrosión esfuerzo, sin embargo, una vez las grietas lleguen a la superficie por otro mecanismo progresivo, al entrar el medio en ellas se puede seguir la propagación por corrosión esfuerzo en el interior de la pieza.

Algunas de las explicaciones que se han dado a la presencia del esfuerzo umbral de agrietamiento son como sigue: (a) la existencia de un esfuerzo mínimo para romper la capa pasivante; (b) la existencia de un esfuerzo mínimo para activar el deslizamiento en frente de grieta; (c) la existencia de un esfuerzo mínimo para romper una capa dealeada; (d) la existencia de una abertura de grieta mínima que permita el transporte de iones. La existencia de la etapa II de propagación de las grietas, donde se alcanza una velocidad de crecimiento constante para varios valores de intensidad de esfuerzos aplicados, se atribuye, entre otros factores, a que: (1) se ha alcanzado la máxima velocidad de transporte de iones dentro de la grieta; (2) se ha alcanzado un equilibrio entre las velocidades de ruptura y regeneración de la capa pasivante en cabeza de grieta; (3) se ha alcanzado la máxima rata de corrosión posible para la solución en frente de grieta y el potencial presente. Nótese que la velocidad de crecimiento de grieta en la etapa II no depende de factores mecánicos.

Figura 3.64 Sitios de agrietamiento por corrosión esfuerzo

Nota. Eje de aleación Inconel 625, que presentó agrietamiento en la base de las nervaduras, transmitiendo torque en contacto con solución acuosa de Cl– + H2S + CO2 a altas temperaturas (superior izquierda); alambre de anclaje en suelo hecho de acero AISI 1070, que fracturó en zona de rendija, por daño en el encauchetado que aislaba el cable de la humedad y las sales del terreno (superior derecha); acero no aleado de bajo carbono agrietado en base de picaduras, el cual operó en medio acuoso aireado a 300 oC (central izquierda); duraluminio 7075 T6 con corrosión intergranular y posterior agrietamiento, en ambiente acuoso rico en cloruros (central derecha); latón con 35 % de Zn agrietado desde zonas dealeadas, en ambiente con aguas duras (inferior).

Fuente: elaboración propia.

Entre otras, las variables que influyen en si se producirá o no el agrietamiento y la cinética a la cual se dará, se encuentran: la temperatura, la presión, el grado de aireación de la solución, especies químicas presentes, concentración y actividad de los iones, pH de la solución, potencial electroquímico, viscosidad, nivel de agitación, nivel del esfuerzo, rata de deformación, estado de esfuerzos (plano o triaxial), tipo de carga (tensión, flexión, etcétera), composición química del metal, su microestructura (fases, tamaño de grano, inclusiones), su tendencia pasivante y su dureza.

Durante el diseño de un componente mecánico que operará en un ambiente que puede producirle agrietamiento, el diseñador deberá escoger la composición química y el nivel de dureza adecuado del material. Para escoger la aleación que se utilizará, se deberá evitar en lo posible usar aquellas que se sabe son susceptibles de agrietarse en el medio en que se operará (tabla 3.1), y si ello no es posible, documentarse bien sobre la mejor combinación de microestructura, composición específica de aleación y medio, temperatura y demás variables mencionadas, que minimizarán la ocurrencia del agrietamiento. Para que se produzca el agrietamiento bajo las soluciones mencionadas en la tabla 3.1, generalmente no se requieren grandes concentraciones de las especies químicas responsables; pueden incluso ser tan bajas como 10 ppm. En varios casos al incrementarse la concentración, aumenta la velocidad de nucleación y crecimiento de las grietas. En general, se escogen tratamientos térmicos y microestructuras que den durezas bajas, ya que ello asegura un bajo nivel de esfuerzos residuales y un material que, por tener microestructuras de baja energía, es menos susceptible a la corrosión y al agrietamiento por corrosión esfuerzo.

Tabla 3.1 Combinaciones aleación-medio ambiente reportadas que producen agrietamiento por corrosión esfuerzo**** [1719]

Desde el diseño se deberá propender por mantener los esfuerzos aplicados y residuales bajos. Los esfuerzos residuales pueden provenir de fabricación, por tratamiento térmico, soldadura, trabajo en frío, etcétera, o generarse en servicio; por ejemplo, cuando la acumulación de productos de la corrosión genera cuñas que esfuerzan piezas bajo unión. Los ajustes prietos entre piezas pueden promover el agrietamiento, por lo que se debe ser cuidadoso en la selección de este tipo de uniones en ambientes corrosivos. Dilataciones o contracciones térmicas también pueden generar esfuerzos que degeneren en agrietamiento. La protección catódica y la presencia de algunos aniones no fragilizantes pueden, en algunos casos, evitar o aminorar la velocidad del agrietamiento. Sin embargo, en la protección catódica se debe ser cuidadoso de no promover una excesiva evolución de hidrógeno, lo cual también puede promover el agrietamiento.

La velocidad del crecimiento de grietas mediante los mecanismos anódicos, que no incluyen deslizamiento en frente de grieta y/o fractura de metal y/o fractura de la capa pasivante, estará condicionada por la densidad de corriente de corrosión; si además están incluidos estos efectos mecánicos, la velocidad del agrietamiento será mayor. No necesariamente un medio que favorezca la nucleación de las grietas favorecerá su crecimiento, o viceversa, lo que se debe, entre otros factores, a que las condiciones del medio que hay en el frente de grieta, generalmente difieren de las del fluido libre fuera de la grieta, como consecuencia de la disolución del metal y fenómenos de transporte de masa a través de la grieta (efectos de rendija).

Una grieta avanza por reacciones anódicas, si termodinámicamente es factible que haya disolución de iones metálicos en el frente de grieta y que la velocidad de entrega de los iones sea mucho menor en las paredes de la grieta que en la cabeza. Bajo reacción catódica la grieta avanza si hay condiciones termodinámicas que favorezcan la reducción de hidrógeno en la cabeza de grieta.

El agrietamiento por corrosión esfuerzo del tipo intergranular se favorece cuando hay ciertos gradientes de composición química entre el centro de los granos y sus límites (segregaciones) o cuando se tienen precipitados en dichas zonas (partículas de segunda fase). Ejemplos de esta situación se encuentran en: aceros inoxidables sensibilizados (carburos de cromo precipitados en límites de grano); aceros con segregación de S, P o Sn a los límites de grano; aleaciones de níquel de la serie 600 que precipitan carburos de cromo en límite de grano; aleaciones de aluminio con precipitados intermetálicos anódicos o catódicos en límites de grano. En el caso de las segregaciones, el espesor de las zonas enriquecidas de elementos químicos que favorecen el agrietamiento alrededor de los granos puede ser del orden de 1 a 2 nm [20]. En aceros ferríticos el agrietamiento por corrosión esfuerzo anódico es común en ambientes acuosos por encima de los 100 oC, mientras que el agrietamiento catódico por evolución de hidrógeno (agrietamiento por hidrógeno) tiende a presentarse a temperaturas menores de 100 oC y con pH bajos.

Entre los medios que pueden cooperar con el esfuerzo para producir el agrietamiento, se encuentran, entre muchos otros: (1) los de composición controlada, donde se puede ejercer control sobre las concentraciones, como es el caso de los fluidos de trabajo, proceso o intercambio de energía (agua, vapor, sodio líquido, productos químicos, petroquímicos, sustancias alimenticias, etcétera), o el de los fluidos usados durante los procesos de fabricación (lubricantes de maquinado, sustancias protectoras durante transporte, sustancias de limpieza ácidas o alcalinas, residuos de fluidos usados durante depósitos electrolíticos, líquidos penetrantes usados en búsqueda de discontinuidades, etcétera); (2) los de composición no controlada, en donde no se puede controlar las concentraciones, o a lo sumo se agregan inhibidores de la corrosión, lo cual se encuentra, por ejemplo, en la atmósfera y sus condensados, en los fluidos extraídos de pozos petroleros o aguas de yacimiento, etcétera; (3) los producidos por lixiviación, donde un fluido puede atravesar un sólido poroso y arrastrar algunos de sus componentes, como es el caso de sustancias corrosivas liberadas por el concreto, aislamientos térmicos, polímeros, el suelo u otros, cuando el agua los infiltra (estas sustancias pueden ser ricas en cloruros o iones azufre).

Tanto en fenómenos de corrosión como en la cooperación de esta con el agrietamiento, se debe poner especial atención en los ciclos de mojado y secado sobre las superficies metálicas, ya que aun cuando el líquido no tenga una composición agresiva, el hecho de evaporarse cíclicamente deja sobre la superficie metálica parte de los iones nocivos que poco a poco se irán concentrando. En el caso del ambiente atmosférico, estos ciclos provienen de las oscilaciones en presión y temperatura entre el día y la noche, o se pueden deber a subidas y bajadas del nivel de un líquido dentro de un tanque, etcétera.

Ambientes típicos con cloruros se encuentran en la atmósfera marina y en el contacto directo con el agua de mar, por lo que la maquinaria de transporte (vehículos, aeronaves y embarcaciones) es susceptible de presentar agrietamientos en los aceros de alta resistencia, los inoxidables y en las aleaciones de aluminio.

Los fluidos temporales pueden ser tan dañinos o más que aquellos a los que comúnmente está expuesto el material, es el caso del agua usada en pruebas hidrostáticas de tuberías y recipientes a presión (donde es común que no se ejerza mucho control sobre su composición), o el ambiente rico en cloruros que rodea a las piezas durante su transporte marítimo, o los fundentes de soldadura empleados durante el ensamble de la estructura, o los lavados ácidos y/o alcalinos periódicos, o los periodos de encendido y apagado de los equipos de proceso, donde se presentan gradientes de composición en los fluidos de trabajo (por ejemplo, por ingreso de aire en el interior de una caldera durante paradas), etcétera.

Aleaciones que comúnmente agrietan de manera intergranular son las aleaciones de aluminio y los aceros de alta resistencia. Aceros de media y baja resistencia, aleaciones base níquel y latones pueden agrietarse inter o transgranularmente, dependiendo del medio y la microestructura del material. Los latones bifásicos pueden presentar agrietamiento en agua pura. Las aleaciones de magnesio y los aceros inoxidables austeníticos generalmente agrietan de manera transgranular; sin embargo, si estos últimos están sensibilizados puede ser intergranular. Los aceros inoxidables ferríticos o dúplex tienden a ser más resistentes al agrietamiento en medios con cloruros que los austeníticos. En general, se nota que aleaciones de dos elementos químicos mayoritarios son más susceptibles a agrietarse que aleaciones con poco nivel de aleantes y, a su vez, estas son más susceptibles que los metales puros. Las aleaciones de grano fino presentan una mayor vida al agrietamiento que las de grano grueso, especialmente cuando los mecanismos de crecimiento dependan del movimiento de las dislocaciones, la formación del clivaje o el agrietamiento intergranular.

Las aleaciones de aluminio generalmente se usan en condición de máxima resistencia, lo que implica tener granos de solución sólida con precipitados intermetálicos (normalmente tratamiento T6), los cuales al precipitarse en límites de grano generan pares galvánicos con el interior de estos, lo cual facilita la corrosión intergranular y también el agrietamiento por corrosión esfuerzo intergranular. Para bajar la susceptibilidad al agrietamiento, se recurre a tratamientos de envejecimiento que no arrojan la máxima dureza, pero son más benignos, como el T7 o el T8.

En aceros de baja resistencia mecánica, el agrietamiento cáustico se da normalmente a temperaturas mayores a 100 oC, en contenidos de soda del orden del 15 % o más y es de tipo intergranular. En estos materiales en agua aireada a temperaturas del orden de 200 o 250 oC, también se experimenta agrietamiento intergranular por la presencia del oxígeno disuelto (situación que se puede presentar en aguas de calderas). En ambos casos, es conveniente mantener el nivel de esfuerzos residuales bajo, para minimizar el agrietamiento.

En aceros de media y alta resistencia se puede dar agrietamiento intergranular, en soluciones con nitratos a más de 100 oC (NH4NO3, Ca(NO3)2, LiNO3, KNO3, NaNO3), donde a mayor concentración disminuye el esfuerzo umbral. En este caso tratamientos de alivio de tensiones también bajan la susceptibilidad del material por agrietarse.

El amoniaco con trazas de oxígeno y CO2 (no el amoniaco puro) puede promover el agrietamiento inter o transgranular de los aceros, siendo mayor la tendencia con el aumento de la dureza. Adiciones de agua al amoniaco pueden eliminar el agrietamiento y, así mismo, tratamientos de alivio de tensiones bajan la susceptibilidad a este.

Soluciones acuosas alcalinas que contengan carbonato o bicarbonato de sodio (NaHCO3 y Na2CO3), a temperaturas mayores a 100 oC promueven el agrietamiento intergranular de los aceros, lo cual se ha encontrado en conducciones de gas natural (condensados). En aceros ferríticos, el agrietamiento por hidrógeno es intergranular, y se da en zonas catódicas de las reacciones de corrosión con agua pura, con condensados de vapor de agua, con condensados atmosféricos, con soluciones ácidas, o con soluciones de sulfuros y arseniuros. El agrietamiento por hidrógeno asociado a procesos corrosivos también se presenta comúnmente en aleaciones base níquel, titanio y aluminio, siendo de tipo intergranular.

Los aceros inoxidables austeníticos son especialmente sensibles a las soluciones acuosas con cloruros y en caliente, generando agrietamiento transgranular, el cual pasa a ser intergranular si el acero está sensibilizado. Soluciones acuosas con soda cáustica en el orden del 50 %, y a temperaturas de 150 a 205 oC, promueven el agrietamiento intergranular de estos materiales. Se presenta también agrietamiento intergranular en aceros sensibilizados, en contacto con ácido politiónico, el cual se puede formar fácilmente por reacción del aire húmedo con la película pasivante del acero. Los aceros inoxidables ferríticos y dúplex también se agrietan en soluciones acuosas con cloruros o soda cáustica, pero muestran mayor resistencia que los aceros austeníticos, siendo los dúplex los de mejor desempeño.

Los aceros inoxidables martensíticos y los endurecibles por precipitación son sensibles a soluciones con cloruros y, en general, a otras soluciones que produzcan corrosión sobre el material, donde el mecanismo de agrietamiento está asociado a la fragilización por hidrógeno en las zonas catódicas (evolución de hidrógeno), lo cual se acentúa especialmente a altas durezas.

Las aleaciones de cobre se pueden agrietar a temperatura ambiente, en soluciones acuosas con amoniaco, citratos, tartratos, sulfatos, nitratos, nitritos y en algunas aleaciones con agua pura, al igual que en mezclas gaseosas con SO2. En el caso del agrietamiento con soluciones amoniacales, a pH neutro se da intergranularmente y a alta velocidad, mientras que a pH alto o bajo, la velocidad del agrietamiento disminuye y es transgranular.

Las aleaciones de titanio se agrietan en sales fundidas de cloruros entre 260 y 480 oC, en ácido nítrico a alta temperatura (más de 100 oC) y con sus vapores a temperatura ambiente, en soluciones con halogenuros (cloruros) a temperatura ambiente y mayores, en tetróxido de nitrógeno entre la temperatura ambiente y 75 oC, en alcoholes metil o etil con o sin halogenuros a temperatura ambiente, en agua de mar a temperatura ambiente. Los agrietamientos pueden ser inter o transgranulares.

Las aleaciones de níquel se pueden agrietar en soluciones que formen ácido politiónico a temperatura ambiente, especialmente si la aleación está sensibilizada (intergranular); en soluciones acuosas con iones flúor a temperatura ambiente; en vapor de agua a alta temperatura que puede llevar a agrietamiento intergranular; en soluciones acuosas con iones plomo; en soluciones acuosas con Cl– + H2S + CO2 a altas temperaturas, que producen agrietamiento transgranular; en soluciones de NaOH a alta temperatura, donde generalmente el agrietamiento es intergranular. El agrietamiento intergranular se acentúa si la aleación está sensibilizada, especialmente en las de alto cromo (como las series 600 u 800) donde los límites de grano se empobrecen de este elemento.

Las aleaciones de magnesio a temperatura ambiente agrietan generalmente de manera transgranular, en soluciones acuosas con halogenuros, en agua aireada, en agua destilada o en ambiente atmosférico marino. Estas aleaciones son en general más resistentes al agrietamiento en ambientes atmosféricos que las aleaciones de aluminio.

Piezas forjadas o laminadas donde la estructura de los granos está altamente texturizada, son altamente sensibles a generar corrosión esfuerzo, si la carga de tracción actúa perpendicular a la dirección principal de deformación (el umbral de agrietamiento y la vida son menores). Las aleaciones de aluminio son especialmente sensibles a esta situación en ambientes con cloruros, por ello en el diseño con estos materiales, se debe ser muy cuidadoso en la selección de la orientación de los granos en las piezas y del tratamiento de envejecimiento por usar, ya que en estos casos no es conveniente tener el máximo grado de dureza.

3.9.2 Fractografía de las fracturas por corrosión esfuerzo en metales

La formación de una fractura por corrosión esfuerzo en metales se presenta si: (1) hay un esfuerzo constante en el tiempo, aplicado o residual; (2) el factor de intensidad de esfuerzos supera al factor de intensidad de esfuerzos umbral para el crecimiento de grietas por corrosión esfuerzo (Kaplicado > KIACE), lo cual está relacionado con que el esfuerzo sea mayor que el esfuerzo umbral de agrietamiento de la pieza (σaplicado > σumbral); (3) la pieza está operando en un medio ambiente que favorece el agrietamiento del metal del cual está hecha. La vida a corrosión esfuerzo de una pieza se verá seriamente acortada si: (a) hay concentradores de esfuerzo severos (geométricos, por fabricación, microestructurales o generados en servicio por desgaste o corrosión); (b) no se tiene un buen acabado superficial; (c) hay rendijas sobre la pieza o defectos superficiales que las favorezcan.

A simple vista, el agrietamiento o las fracturas por corrosión esfuerzo en las zonas de propagación estable de grieta no mostrarán deformación plástica o distorsión notable de la pieza (figura 3.65, fotos superiores); sin embargo, en las zonas de fractura final es común que sí se tenga dicha deformación. Lo anterior se debe a que la mayoría de metales que fallan por este mecanismo están en condición blanda, lo cual facilita que la fractura final sea de naturaleza súbita dúctil (figura 3.65, central izquierda).

En general, las superficies de las fracturas por corrosión esfuerzo se caracterizan por presentar dos zonas claramente diferenciadas: (1) zona de propagación estable de grietas en servicio, en la cual a simple vista, con lupas o estereoscopio óptico, se encontrará una textura predominantemente granular y en algunos casos tersa; (2) zona de fractura final, donde la pieza agrietada no pudo seguir soportando la carga y, por lo tanto, fractura de manera súbita (crecimiento inestable de grietas). El tamaño relativo entre las dos zonas puede dar información sobre el nivel de esfuerzos aplicados; en general, a mayor tamaño de la zona de fractura final se habrá tenido un esfuerzo aplicado más elevado.

Figura 3.65 Fracturas por corrosión esfuerzo

Nota. Grieta de corrosión esfuerzo en tubería de evaporador de caldera, en zona con capa de magnetita y picaduras por oxígeno. El medio consta de vapor de agua aireado a 300 oC (superior izquierda); eje de perforación petrolera de acero AISI 4330 con 40 RC, que fracturó por corrosión esfuerzo en un ambiente acuoso con H2S disuelto. Nótese la ausencia de deformación en la zona de fractura (superior derecha); superficie de fractura del eje anterior, donde se puede ver la zona de propagación en servicio y la zona de fractura dúctil final (central izquierda); detalle de la superficie de propagación de grieta en servicio del eje anterior, donde se nota la presencia de productos de la corrosión sobre ella (central derecha); superficie de fractura por corrosión esfuerzo, de una chaqueta para cable eléctrico que operó en pozo petrolero (medio acuoso con sal, H2S y CO2), la cual estaba hecha de acero AISI 304 soldado. Nótese que no hay productos de la corrosión en la superficie de fractura (inferior izquierda); imagen de MEB de la superficie de fractura de la chaqueta anterior (inferior derecha).

Fuente: elaboración propia.

Bajo inspección visual a ojo desnudo, con lupas o estereoscopio, o bajo inspección con MEB, en la zona de propagación estable de grieta, se podrán encontrar marcas Ratchet, marcas radiales, marcas de río y marcas de playa (figura 3.65, central derecha e inferiores), donde se sigue la misma lógica de dirección de propagación respecto a las marcas que se muestran en la figura 3.4. Las marcas de playa se pueden formar por detención en el crecimiento de grieta, cambios en el valor del esfuerzo aplicado o cambios en el medio presente (química, temperatura, pH, etcétera); sin embargo, la presencia de marcas de playa no es tan común como en el caso de la fatiga, ya que muchos de los elementos que se agrietan están bajo carga constante; la marca de playa que más comúnmente se encuentra, es la que separa la zona de propagación estable de la de fractura súbita final. En general, se observa que la densidad de marcas Ratchet, radiales y de río es alta en las superficies de fractura por corrosión esfuerzo, ya que, entre otras razones, este modo de fractura tiende a tener múltiples orígenes, múltiples ramificaciones de grieta y alta rugosidad (debido a que los mecanismos de agrietamiento están fuertemente influenciados por la estructura granular del metal).

Sobre las superficies de fractura en materiales no pasivantes, se podrán encontrar productos de la corrosión (exceptuando algunos casos, por ejemplo, en el agrietamiento por hidrógeno) (figuras 3.65, central derecha, y 3.67, izquierda), mientras que en materiales pasivantes es común que no queden productos de la corrosión (de nuevo con excepciones) (figura 3.65, inferior izquierda). Además, las superficies de las piezas agrietadas puede que presenten o no signos de algún otro mecanismo de la corrosión aparte del agrietamiento (figura 3.66).

Figura 3.66 Piezas de acero inoxidable AISI 304

Nota. Superficie de tubería agrietada por corrosión esfuerzo a 150 oC, en medio acuoso estático con alta concentración de cloruros, donde además hay corrosión uniforme y por picaduras en la superficie (izquierda); superficie de chaqueta para cable eléctrico agrietada por corrosión esfuerzo, en pozo petrolero (medio acuoso con sal, H2S y CO2 a 100 oC en flujo continuo), en donde no hay signos de otras formas de corrosión aparte del agrietamiento (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Debido a estas situaciones, es claro deducir que no siempre que haya corrosión y agrietamiento se debe inferir automáticamente que el mecanismo presente es corrosión esfuerzo (porque la corrosión pudo ser posterior a la fractura o agrietamiento); ni tampoco se puede inferir que si no hay ningún signo de corrosión, ello descarte que una grieta se haya formado por corrosión esfuerzo.

Así pues, el analista debe recurrir, aparte de la información que brinda la pieza, a información sobre temperatura, composición del medio en que se operó, esfuerzos aplicados (estáticos y/o cíclicos) residuales, etcétera, para poder establecer si se tiene efectivamente un caso de agrietamiento por corrosiónesfuerzo o no.

Bajo observación a ojo desnudo, con lupas o estereoscopio, la textura granular de las superficies de fractura es la más común en el agrietamiento por corrosión esfuerzo, y se presenta cuando a nivel microscópico hay agrietamiento intergranular o transgranular, con cambios importantes de dirección en la propagación de la grieta de un grano a otro. Si en el agrietamiento transgranular no hay cambios importantes de dirección entre un grano y otro, la textura tenderá a ser tersa (asemejándose a las de fatiga de alto ciclaje) (figura 3.67). En términos generales, la rugosidad promedio de las superficies de fractura por corrosión esfuerzo tiende a ser mayor que las de la fatiga de alto ciclaje.

Figura 3.67 Texturas de superficies de fractura por corrosión esfuerzo

Nota. Textura granular de superficie de fractura por corrosión esfuerzo, de acero AISI 4120 que operó en ambiente de pozo petrolero (izquierda). Nótese la presencia de los productos de la corrosión sobre la superficie; textura tersa en acero AISI 304 agrietado por corrosión esfuerzo, en ambiente de pozo petrolero (derecha).

Fuente: elaboración propia.

En los agrietamientos y fracturas por corrosión esfuerzo, es común que se presenten varias grietas paralelas y cada una con varias ramificaciones, lo cual se atribuye sobre todo a la acción corrosiva, que permite que no se genere una sola grieta predominante, como ocurre en la fatiga, sino que varias de ellas puedan propagarse profundamente en la pieza. La acción corrosiva también permite que puedan darse varios ánodos o cátodos (según sea el mecanismo predominante), en cada grieta principal, lo que origina las ramificaciones (figura 3.68, izquierda). Si la acción del crecimiento de grietas se diera solo por el esfuerzo, como es el caso de la fatiga, la cabeza de grieta sería la única zona propensa a propagar. No obstante lo anterior, también en corrosión esfuerzo se pueden presentar grietas con pocas o nulas ramificaciones (figura 3.68, central). Al abrir las grietas secundarias se podrá tener mayor claridad sobre el mecanismo de agrietamiento predominante y los sitios de origen. En aquellos casos en los cuales el agrietamiento estuvo asociado a la disolución anódica, será posible notar que las grietas son anchas y con productos de la corrosión en su interior (lo cual también es válido para las grietas de corrosión fatiga) (figura 3.68, derecha), mientras que, por ejemplo, las grietas por fatiga serán finas y sin productos en ellas (figura 3.59).

Figura 3.68 Agrietamientos inter y transgranulares por corrosión esfuerzo

Nota. Aleación Inconel 625 con agrietamiento transgranular ramificado, la cual operó en solución acuosa de Cl– + H2S + CO2 a altas temperaturas (izquierda); acero no aleado de bajo carbono con agrietamiento intergranular no ramificado, el cual operó con vapor de agua aireado a 300 oC (centro); detalle de una de las grietas de la foto izquierda, en cuyo interior se aprecian productos de la corrosión (derecha).

Fuente: elaboración propia.

La trayectoria promedio que siguen las grietas de corrosión esfuerzo durante su nucleación y propagación es similar a la de las fracturas súbitas frágiles (figura 3.24), donde en general se sigue una trayectoria perpendicular al máximo esfuerzo normal local, generado por los diferentes modos de carga (modo I, combinaciones de modos I y II, y de modos I y III); también se ha documentado propagación bajo modo III en torsión.

Al inspeccionar a altos aumentos las superficies de agrietamiento por corrosión esfuerzo de metales, con el estereoscopio o el MEB, y complementar dicha inspección con observación de secciones metalográficas transversales a las superficies de fractura, se podrá identificar si el mecanismo predominante es: (a) el agrietamiento intergranular (figura 3.69, fotos superiores) o (b) el agrietamiento transgranular (figura 3.69, fotos inferiores). El agrietamiento intergranular puede mostrar evidencias de “cavitación” en límites de grano, si hay formación de microvacíos cerca de ellos, ruptura de partículas de segunda fase, etcétera (figura 3.69, superior central). En el agrietamiento transgranular, cada grano tiende a mostrar una superficie de fractura similar a la del clivaje frágil (cuasiclivaje), razón por la cual, varios de los mecanismos de agrietamiento mostrados en la figura 3.63 incluyen al clivaje como medio de propagación. Mediante pruebas de emisión acústica, los investigadores han detectado que algunos materiales en algunos medios propagan las grietas a saltos, lo cual genera en la superficie de fractura estriaciones, sobre todo en el agrietamiento transgranular (figura 3.69, inferior izquierda). Se debe ser cuidadoso de no confundir estas estriaciones con las de fatiga, por ejemplo, recurriendo a la información recopilada del historial de la pieza y de otras características de la superficie de fractura. Sin embargo, es importante recalcar que no todos los agrietamientos por corrosión esfuerzo generan estriaciones. Una superficie de grieta puede mostrar zonas transgranulares y otras intergranulares, lo cual puede indicar alternancia entre comportamientos anódicos y catódicos durante la propagación, y también se puede presentar en el agrietamiento por corrosión fatiga.

Figura 3.69 Imágenes de MEB y metalográficas de fracturas por corrosión esfuerzo

Nota. Fractura intergranular por corrosión esfuerzo de acero AISI 4120 que operó en ambiente de pozo petrolero: aspecto típico en MEB (izquierda y central superior). Nótese la presencia de la cavitación en límite de grano; aspecto típico en sección metalográfica (superior derecha). Nótese que la superficie de fractura bordea los granos. Fractura transgranular por corrosión esfuerzo de acero AISI 304 que operó en ambiente de pozo petrolero: aspecto típico en MEB (izquierda y central inferior). Nótese la presencia de estrías y la textura del cuasiclivaje en cada grano; aspecto típico en sección metalográfica (inferior derecha). Nótese que la superficie de fractura atraviesa los granos. Las flechas rojas indican el sentido de propagación.

Fuente: elaboración propia.

En aquellos casos donde hay productos de la corrosión ubicados en la superficie de fractura, que no permiten visualizar la textura o las marcas bajo inspección óptica o con MEB, será necesario remover por vía química o con ultrasonido dichos productos para acceder a las superficies; pero previamente a ello se deberán tomar las muestras de los productos necesarias para conocer su composición química.

En la referencia [21] el lector encontrará una ampliación sobre los mecanismos y fractografía de las fracturas por corrosión esfuerzo.