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Articulo de referencia

Cierre de grietas

El cierre de grietas es un fenómeno que ocurre durante la fatiga , donde las caras opuestas de una grieta permanecen en contacto incluso con una carga externa aplicada al materi...

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El cierre de grietas es un fenómeno que ocurre durante la fatiga , donde las caras opuestas de una grieta permanecen en contacto incluso con una carga externa aplicada al material. Al aumentar la carga, se alcanza un valor crítico en el que la grieta se abre . El cierre de grietas se produce por la presencia de material que mantiene abiertas las caras de la grieta y puede deberse a diversas causas, como la deformación plástica o la transformación de fase durante la propagación de la grieta, la corrosión de las superficies agrietadas, la presencia de fluidos en la grieta o la rugosidad de las superficies agrietadas. [ 1 ]

Descripción

Efecto de cierre de grietas (ejemplo de R=0)

Durante la carga cíclica, una grieta se abrirá y cerrará, lo que provocará que el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta (CTOD) varíe cíclicamente en fase con la fuerza aplicada. Si el ciclo de carga incluye un período de fuerza o relación de tensión negativaR{\displaystyle R}(es decirR<0{\displaystyle R<0}), el CTOD permanecerá igual a cero a medida que las caras de la grieta se compriman. Sin embargo, se descubrió que el CTOD también puede ser cero en otros momentos, incluso cuando la fuerza aplicada es positiva, lo que impide que el factor de intensidad de tensión alcance su mínimo. Por lo tanto, la amplitud del rango del factor de intensidad de tensión, también conocido como fuerza impulsora de la punta de la grieta , se reduce en relación con el caso en el que no se produce cierre, reduciendo así la tasa de crecimiento de la grieta. El nivel de cierre aumenta con la relación de tensión y por encima de aproximadamenteR=0,7{\displaystyle R=0.7}, las caras de la grieta no entran en contacto y normalmente no se produce el cierre. [ 2 ]

La carga aplicada generará un factor de intensidad de tensión en la punta de la grieta,K{\displaystyle K}produciendo un desplazamiento de apertura de la punta de la grieta, CTOD. El crecimiento de la grieta es generalmente una función del rango del factor de intensidad de tensión,ΔK{\displaystyle \Delta K}para un ciclo de carga aplicado y es

ΔK=Kmáximo−Kmin{\displaystyle \Delta K=K_{\text{máx}}-K_{\text{mín}}}

Sin embargo, el cierre de la grieta ocurre cuando las superficies de fractura están en contacto por debajo del factor de intensidad de tensión del nivel de apertura.K<Koperación{\displaystyle K<K_{\text{op}}}aunque bajo carga positiva, lo que nos permite definir un rango de intensidad de tensión efectivo.ΔKefectivo{\displaystyle \Delta K_{\text{eff}}}como

ΔKefectivo=Kmáximo−Koperación{\displaystyle \Delta K_{\text{eff}}=K_{\text{max}}-K_{\text{op}}}

que es menor que el nominal aplicadoΔK{\displaystyle \Delta K}.

Historia

El fenómeno del cierre de grietas fue descubierto por primera vez por Elber en 1970. Observó que podía producirse un contacto entre las superficies de fractura incluso durante la carga de tracción cíclica. [ 3 ] [ 4 ] El efecto de cierre de grietas ayuda a explicar una amplia gama de datos de fatiga y es especialmente importante para comprender el efecto de la relación de tensiones (menor cierre a mayor relación de tensiones) y las grietas cortas (menor cierre que las grietas largas para la misma intensidad de tensión cíclica). [ 5 ]

Mecanismos de cierre de grietas

Cierre de grietas inducido por plasticidad

El fenómeno del cierre de grietas inducido por plasticidad está asociado con el desarrollo de material residual deformado plásticamente en los flancos de una grieta de fatiga en avance. [ 6 ]

El grado de plasticidad en la punta de la grieta está influenciado por el nivel de restricción del material. Los dos casos extremos son:

  1. En condiciones de tensión plana , el material en la zona plástica se alarga, lo cual se compensa principalmente con un flujo del material fuera del plano. Por lo tanto, el cierre de grietas inducido por plasticidad en condiciones de tensión plana puede expresarse como consecuencia del material estirado detrás de la punta de la grieta, que puede considerarse como una cuña insertada en la grieta que reduce la deformación plástica cíclica en la punta de la grieta y, por consiguiente, la velocidad de propagación de la grieta por fatiga. [ 7 ]
  2. En condiciones de deformación plana y amplitudes de carga constantes, no se forma una cuña plástica a grandes distancias detrás de la punta de la grieta. Sin embargo, el material en la estela plástica se deforma plásticamente. Se produce un corte plástico; este corte induce una rotación de la pieza original de material y, como consecuencia, se forma una cuña local en las proximidades de la punta de la grieta. [ 8 ]

Cierre de grietas inducido por transformación de fase

La transformación martensítica inducida por deformación en el campo de tensiones de la punta de la grieta es otra posible causa del cierre de la misma. Fue estudiada por primera vez por Pineau y Pelloux y Hornbogen en aceros inoxidables austeníticos metaestables. Estos aceros se transforman de la estructura reticular austenítica a la martensítica bajo una deformación suficientemente alta, lo que conduce a un aumento del volumen del material delante de la punta de la grieta. Por lo tanto, es probable que surjan tensiones de compresión cuando las superficies de la grieta entran en contacto. [ 9 ] Este cierre inducido por la transformación está fuertemente influenciado por el tamaño y la geometría de la probeta y de la grieta de fatiga.

Cierre de grietas inducido por óxido

El cierre inducido por óxido ocurre cuando se produce una corrosión rápida durante la propagación de grietas. Se produce cuando el material base en la superficie de fractura se expone a atmósferas gaseosas y acuosas y se oxida . [ 10 ] Aunque la capa oxidada suele ser muy delgada, bajo deformación continua y repetitiva, la capa contaminada y el material base experimentan roturas repetitivas, exponiendo aún más material base y, por lo tanto, produciendo aún más óxidos. El volumen oxidado crece y suele ser mayor que el volumen del material base alrededor de las superficies de la grieta. Por lo tanto, el volumen de los óxidos puede interpretarse como una cuña insertada en la grieta, reduciendo el rango de intensidad de tensión efectivo. Los experimentos han demostrado que el cierre de grietas inducido por óxido ocurre tanto a temperatura ambiente como a temperaturas elevadas, y la acumulación de óxido es más notable a bajas relaciones R y bajas velocidades de crecimiento de grietas (cercanas al umbral). [ 11 ]

Cierre de grietas inducido por la rugosidad

Desajuste de las superficies de fractura en el cierre de grietas inducido por rugosidad

El cierre inducido por la rugosidad ocurre con la carga de tipo Modo II o de corte en el plano, debido al desajuste de las superficies de fractura rugosas de las partes superior e inferior de la grieta. [ 10 ] Debido a la anisotropía y heterogeneidad en la microestructura, se produce una deformación fuera del plano localmente cuando se aplica la carga de Modo II, y por lo tanto, se presenta rugosidad microscópica en las superficies de fractura por fatiga. Como resultado, estas cuñas de desajuste entran en contacto durante el proceso de carga por fatiga, lo que resulta en el cierre de la grieta. El desajuste en las superficies de fractura también tiene lugar en el campo lejano de la grieta, lo que puede explicarse por el desplazamiento y la rotación asimétricos del material. [ 12 ]

El cierre de grietas inducido por la rugosidad es justificable o válido cuando la rugosidad de la superficie es del mismo orden de magnitud que el desplazamiento de apertura de la grieta. Este fenómeno se ve influenciado por factores como el tamaño del grano, el historial de carga, las propiedades mecánicas del material, la relación de carga y el tipo de probeta.

Referencias

  1. ↑ Pippan, R.; Hohenwarter, A. (2017-02-01). "Cierre de grietas por fatiga: una revisión de los fenómenos físicos" . Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures . 40 (4): 471– 495. doi : 10.1111/ffe.12578 . ISSN 8756-758X . PMC 5445565. PMID 28616624 .   
  2. ↑ Zehnder, Alan (2012). Mecánica de fractura . Springer Science+Business Media. pág. 73. ISBN  9789400725942.
  3. ↑ Elber, Wolf (1970). "Cierre de grietas por fatiga bajo tensión cíclica". Ingeniería de la fractura . 2 : 37–45 . doi : 10.1016/0013-7944(70)90028-7 .
  4. ↑ Elber, W. (1971). "La importancia del cierre de grietas por fatiga". Tolerancia al daño en estructuras de aeronaves . págs. 230–230–13. doi : 10.1520/STP26680S . ISBN  978-0-8031-0031-2.
  5. ↑ Taylor, David (2007). Teoría de las distancias críticas: una nueva perspectiva en mecánica de fracturas . Elsevier. pág. 166. ISBN  978-0-08-044478-9.
  6. ↑ Pippan, R.; Kolednik, O.; Lang, M. (1994). "Un mecanismo para el cierre de grietas inducido por plasticidad bajo condiciones de deformación plana". Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures . 17 (6): 721– 726. doi : 10.1111/j.1460-2695.1994.tb00269.x . ISSN 1460-2695 . 
  7. ↑ Ranganathan, N (1999), "Análisis del crecimiento de grietas por fatiga en términos de cierre de grietas y energía", Avances en la medición y análisis del cierre de grietas por fatiga: Segundo volumen , ASTM International, págs. 14–14–25, doi : 10.1520/stp15748s , ISBN  9780803126114
  8. ↑ Antunes, Fernando; Branco, R.; Rodrigues, Dulce María (enero de 2011). "Cierre de grietas inducido por plasticidad bajo condiciones de deformación plana" . Key Engineering Materials . 465 : 548–551 . doi : 10.4028/www.scientific.net/kem.465.548 . ISSN 1662-9795 . S2CID 137209902 .  
  9. ↑ Mayer, HR; Stanzl-Tschegg, SE; Sawaki, Y.; Hühner, M.; Hornbogen, E. (2007-04-02). "Influencia del cierre de grietas inducido por transformación en el crecimiento lento de grietas por fatiga bajo carga de amplitud variable". Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures . 18 (9): 935– 948. doi : 10.1111/j.1460-2695.1995.tb00918.x .
  10. 1 2 Suresh, S.; Ritchie, RO (septiembre de 1982). "Un modelo geométrico para el cierre de grietas por fatiga inducido por la rugosidad de la superficie de fractura" . Metallurgical Transactions A. 13 ( 9): 1627– 1631. Bibcode : 1982MTA....13.1627S . doi : 10.1007/bf02644803 . ISSN 0360-2133 . S2CID 14822747 .  
  11. ↑ Suresh, S.; Zamiski, GF; Ritchie, D RO (agosto de 1981). "Cierre de grietas inducido por óxido: una explicación del comportamiento de crecimiento de grietas por fatiga de corrosión cerca del umbral". Metallurgical and Materials Transactions A . 12 (8): 1435– 1443. Bibcode : 1981MTA....12.1435S . doi : 10.1007/bf02643688 . ISSN 1073-5623 . S2CID 137261193 .  
  12. ↑ Pippan, R; Strobl, G; Kreuzer, H; Motz, C (septiembre de 2004). "Plasticidad asimétrica de la estela de grieta: una razón para el cierre de grietas inducido por la rugosidad". Acta Materialia . 52 (15): 4493– 4502. Bibcode : 2004AcMat..52.4493P . doi : 10.1016/j.actamat.2004.06.014 . ISSN 1359-6454 .