Fractografía y su aporte al análisis de falla

 Fig. 1 Superficie de fractura de Perno

Saludos a todos, en este blog por lo general se muestran micrografías de algunos metales y sus aleaciones sin embargo como su nombre lo indica tambien tenemos una sección dedicada a la fractografía en vista de que esta técnica es muy importante a la hora de realizar investigación de falla. Como analista de falla tuve la oportunidad de ver muchas superficies de fracturas desde implantes médicos hasta por piezas soldadas que fracturaron. Uno de los detalles que más me llamó la atención fue la importancia de preservar las superficies fracturadas durante la investigación de una falla e incluso escribí un artículo en una revista científica dedicado a la influencia de la contaminación en el análisis de superficies de fracturas.

Ahora vamos a entrar en materia, la figura 1 muestra la superficie de fractura de un perno y como se puede apreciar tenemos las dos caras de la fractura cosa que es muy importante ya que toda la información que se puede obtener de la pieza está repartida en ambas superficies. Por eso es sumamente importante tener las dos piezas para poder analizarlas.

 

 Fig. 2 Análisis de la superficie de fractura

¿Qué información nos da la pieza? Primeramente vamos a realizar un análisis macrográfico, esto quiere decir vamos a analizar la superficie buscando detalles que sean importante para conocer el avance de la grieta que generó la fractura de la pieza. En la figura 2 podemos apreciar dichos detalles, la fractura de la pieza se debe a fatiga la flecha anaranjada muestra el origen de la grieta y el avance de la misma que debaja tras de sí las marcas de playa, estas marcas aparecen en dos sectores diferentes de la pieza como lo indican las flechas lo que puede ser un indicativo de que la grieta pudo tener varios puntos de origen y el avance fue diferente en ambos sectores en vista de la forma que tienen las marcas de playa. El segundo detalle está registrado en la flecha negra que es el lugar donde ocurrió la fractura final, fíjense que es una zona fibrosa sin deformación plastica lo cual es indicativo que la pieza fracturó de forma frágil. De esta manera se puede determinar que la pieza sufrió un fatiga que fue la causante de la fractura de la misma sin embargo, hay dos detalles más que no deben pasar desapercibidos. El primero lo indica la flecha amarrilla allí se puede apreciar una capa de óxido sobre las marcas de playa y que se repite en ambas caras de fractura, esto puede indicar que ambas caras estuvieron expuesta al medio ambiente y reaccionaron con este generando la corrosión ó la presencia de un medio corrosivo rodeando la pieza. Si esta última es cierta, los productos de corrosión deben ser preservados para un análisis más detallado para verificar o descartar que la pieza estuviera sometida a un fenómeno conocido como corrosión fatiga. El último detalle que es igual de importante para un analista esta indicado en los circulos y que se denominan daño mecánico, esto ocurre por dos razones, en la primera la pieza se fractura y ambas caras chocan una contra la otra dejando tras de sí dichas marcas y en la segunda se puede presentar por mala manipulación de la pieza, en este caso se pone en contacto ambas caras lo cual a su vez pueden generar dichas marcas. Es por eso que nunca se deben colocar ambas piezas fracturadas en contacto 

Como siempre agradezco su atención y cualquier dudas o comentario adicional será bienvenido

Microestructura de una soldadura por laser de un acero Inoxidable Ferritico

Fig. 1 Microestructura de Acero Inoxidable ferrítico post soldadura

La soldadura que se presenta en la figura 1 representa un acero inoxidable ferrítico soldado con laser. La duda del estudiante radicaba en los recuadros rojos donde sospechaba la presencia de martensita y quería saber si esa microestructura podía presentarse en este material.

El tema da mucho para conversar y lo primero que vamos a hacer es hablar de los aceros inoxidables que son aleaciones de Fe, Cr y Ni y cuya caracteristica especial que los distingue además de su propiedad de resistencia a la corrosión es su microestructura. De esta manera el acero inoxidable puede ser austenítico, martensítico, ferrítico, dúplex  (ferrítico-austenítico) o por precipitación a temperatura ambiente. En este punto ya se puede observar que a nivel microestructural difiere del acero común que presenta ferrita y perlita a temperatura ambiente. 

La martensita que aparece en el acero luego del tratamiento térmico no es la misma martensita  en los aceros inoxidables ya que esta última se da bajo condiciones especiales tanto de Cromo equivalente como Niquel equivalente lo cual a su vez permite obtener una fase estable, cosa que en un acero común no se puede obtener (la martensita se presenta como una fase meta estable)

En el caso de los aceros inoxidables ferríticos, la fase ferrita delta esta presente desde el mismo momento en que el material pasa a solidificarse, esto quiere decir que no hay austenita que pueda convertirse en martensita cosa como si ocurriría en un acero al carbono.

Partiendo de esta introducción quedaría entonces analizar los recuadros de la figura. ¿Existe la posibilidad de tener martensita en esta soldadura? La respuesta es NO porque para que aparezca la martensita la austenita debe estar en la zona afectada por el calor cosa que en este material no esta presente y por otro lado, los aceros inoxidables ferriticos rara vez son soldados con material de aporte ya que este metal sufre de un fenómeno denominado crecimiento de grano el cual a su vez hace que la resistencia decaiga considerablemente, razón por la cual las variables de soldadura deben ser bien controladas para evitar el crecimiento de grano como se puede apreciar en el centro de la figura. 

Tengan siempre presente que hay diferencias microestructurales entre los aceros y los aceros inoxidables y las microestructuras a temperatura ambiente de estos últimos se obtienen gracias a la influencia de los elementos tales como Cr y Ni en gran medida junto a otros elementos como lo son Mo, Si, Cu, N,Mn, C y Cb.

La martensita en un acero al carbono se obtiene por tratamiento térmico después de austenizar y a una alta rata de enfriamiento pero a temperatura ambiente la ferrita y la perlita son las fases que se pueden observar en un microscopio.

Hablemos del Cobre...

El segundo metal favorito de este blog despues del Aluminio. El cobre fue el primer metal trabajado en la antiguedad antes de la aparicion de las alecaiones de bronce y latón. En este blog me han hecho preguntas acerca de este maravilloso metal entre ellas están ¿Que reactivos se pueden emplear para el ataque químico?, ¿Qué fases están presentes en un cobre 99.99%? y la preparación metalográfica de este metal.

Con gusto les puedo decir que la norma ASTM E407 relacionada con los reactivos empleados para el ataque quimico de metales y aleaciones indica que soluciones son las adecuadas para revelar la microestructura de el cobre y sus aleaciones

Dos reactivos son recomendados el primero es 25 g FeCl3, 25 ml HCl y 100 ml H2O (36) y el segundo 5 g FeCl3, 16 ml HCl y 60 ml etanol o metanol 95% (40).

Fig. 1 Norma ASTM E 407 para microataque de metales y aleaciones

El otro aspecto que vamos a considerar es las fases presentes en un cobre 99.99% pureza. La figura 2 muestra la microestructura de este metal. Como es un metal casi 100% puro el término fases no se aplica ya que las fases son soluciones sólidas que se forman cuando un metal principal se mezcla con uno o varios elementos metálicos o no metálicos como por ejemplo el Latón. Esta aleación si la observamos en el diagrama Cu-Zn presenta una fase alfa o fase (Cu) que es diferente al Cu 99.99%. aunque tiene en común casi todas las propiedades del Cobre excepto su temperatura de fusión y resistencia. En cuanto al aspecto microestructural se pueden observar granos equiaxiales con maclaje, oxidos diseminados (puntos negros) y la norma ASTM E 112 tiene una cartelera comparativa de diferentes tamaños de granos para estimar el numero de grano ASTM.

Fig. 2 Microestructura cobre 99.99%

Por último esta la preparación metalográfica de este metal. En la figura 3 pueden apreciar algunos defectos en la preparación metalográfica que pueden ocurrir. Incluso a mi me ha pasado muchas veces con este metal en la preparación me aparecen rayas y no debe ser motivo de frustación ya que con practica se va mejorando mucho

Fig. 3 Rayaduras durante la preparación metalografica.

Importancia de los diagramas TTT en la estimación de microestructuras en una soldadura

Los diagramas TTT son importantes en la estimación de microestructuras en aceros que van a ser tratados térmicamente. Se puede observar las variaciones microestructurales en función de la temperatura y el tiempo en la cual se realiza el enfriamiento de la pieza. En el caso de las soldaduras ocurren diferentes transformaciones que van desde la fundición y solidificación del charco hasta el tratamiento térmico en la zona adyacente a la línea de fusión. Aunque esta no se funde las altas temperaturas y la rapidez de enfriamiento pueden generar cambios microestructurales.

Veamos este ejemplo con dos aceros, el primero SAE 1080 y el segundo AISI 4340, la pregunta realizada es ¿Cual sería las posibles microestructuras de estos aceros en su zona afectada por el calor si la rapidez de enfriamiento es 150°F/s?

Fig. 1 Diagrama TTT Acero SAE 1080

Como pueden observar (Fig. 1) la linea roja muestra el lugar aproximado que representa la velocidad de enfriamiento de esta pieza. Se puede apreciar que toca la zona de transformación martensitica y tambien cruza la linea de transformación perlítica por lo que se puede estimar que la zona afectada por el calor tendrá martensita y perlita como microestructuras finales.

 

 Fig. 2 Diagrama TTT Acero AISI 4340 

En el caso del acero AISI 4340 (Fig. 2) la transfomación es mucho más compleja debido a que a esa rapidez de enfriamiento se atravieza varias zonas de transformación lo cual a su vez se reflejara en diferentes microestructuras que van desde la martensita, pasando por la bainita y ferrita mas perlita. De esta manera los diagramas TTT resultan muy valiosos a la hora de estimar posibles microestructuras en un material y deben ser consultados cuando se tiene conocimiento de la velocidad de enfriamiento de una pieza sea en un tratamiento térmico o durante operaciones de soldadura.

Diferencia entre Metal Puro y Solución Sólida

Un estudiante me preguntó ¿Cual era la diferencia entre un metal puro y una solución sólida porque el no las podía distinguir?

La respuesta a dicha pregunta es muy sencilla y la puedes ver en cualquier diagrama de fases. Primero, un metal puro tiene un punto de fusión definido mientras que una solución sólida no, la temperatura de fusión varía conforme se va agregando mas soluto a la solución. Segundo las soluciones sólidas se definen como átomos de soluto en la estructura del solvente. Veamos este ejemplo en el diagrama Cu-Zn (fig.1). Como dije los metales puros tienen sus temperaturas fijas definidas como el caso del cobre 1085 °C y el cinc 452 °C sin embargo, una vez que se forma una aleación entre estos metales (latón) la temperatura cambia. Para una aleación 20% Zn vemos que  funde aproximadamente a 1000°C si el porcentaje de cinc aumenta la temperatura de fusión de esta baja. Ese es un dato que debe siempre tenerse en cuenta para diferenciar a un metal puro de una aleación. Por otro lado a las aleaciones se les asigna letras griegas o como puede observase al metal se le coloca en paréntesis ( ), esto para diferenciarlo del metal puro de ahí que, (Cu) puede definirse como una aleación Cu-Zn o átomos de cinc en la estructura del cobre. Las soluciones sólidas pueden ser sustitucionales cuando un átomo sustituye a otro en la estructura cristalina o intersticial cuando este ocupa los espacios entre dos átomos y la ventaja de ellas es que mantienen las misma propiedades eléctricas y térmicas pero son mucho mas resistentes que los metales puros.   

Fig. 1 Diagrama Cu-Zn. Fuente: Metals handbook volumen 3 Diagramas de Fases y aleaciones