Fractografía

La fractografía es el estudio de las superficies de fractura de los materiales. Los métodos fractográficos se utilizan habitualmente para determinar la causa de la falla en las estructuras de ingeniería, especialmente en la falla del producto y la práctica de la ingeniería forense o el análisis de fallas. En la investigación de la ciencia de los materiales, la fractografía se utiliza para desarrollar y evaluar modelos teóricos del comportamiento del crecimiento de grietas.

Uno de los objetivos del examen fractográfico es determinar la causa de la falla mediante el estudio de las características de una superficie fracturada. Los diferentes tipos de crecimiento de grietas (p. ej., fatiga, agrietamiento por corrosión bajo tensión, fragilización por hidrógeno) producen rasgos característicos en la superficie, que pueden usarse para ayudar a identificar el modo de falla. Sin embargo, el patrón general de grietas puede ser más importante que una sola grieta, especialmente en el caso de materiales frágiles como cerámica y vidrio.

Uso

La fractografía es una técnica ampliamente utilizada en ingeniería forense, ingeniería de materiales forenses y mecánica de fracturas para comprender las causas de las fallas y también para verificar las predicciones de fallas teóricas con fallas de la vida real. Es útil en ciencia forense para analizar productos rotos que se han utilizado como armas, como botellas rotas, por ejemplo. Por lo tanto, un acusado podría alegar que una botella estaba defectuosa y se rompió accidentalmente cuando golpeó a una víctima de agresión. La fractografía podría mostrar que la acusación es falsa y que se necesitó una fuerza considerable para romper la botella antes de usar el extremo roto como arma para atacar deliberadamente a la víctima. Los agujeros de bala en los parabrisas o ventanas de vidrio también pueden indicar la dirección del impacto y la energía del proyectil. En estos casos, el patrón general de agrietamiento es vital para reconstruir la secuencia de eventos, más que las características específicas de un solo agrietamiento. La fractografía puede determinar si la causa del descarrilamiento de un tren fue un riel defectuoso o si un ala de un avión tenía grietas por fatiga antes del choque.

La fractografía también se utiliza en la investigación de materiales, ya que las propiedades de fractura pueden correlacionarse con otras propiedades y con la estructura de los materiales.

Identificación de características

Origen

Un objetivo importante de la fractografía es establecer y examinar el origen del agrietamiento, ya que el examen en el origen puede revelar la causa del inicio del agrietamiento. El examen fractográfico inicial se lleva a cabo comúnmente en una escala macro utilizando microscopía óptica de baja potencia y técnicas de iluminación oblicua para identificar la extensión del agrietamiento, los modos posibles y los orígenes probables. La microscopía óptica o la macrofotografía a menudo son suficientes para identificar la naturaleza de la falla y las causas del inicio y crecimiento de grietas si se conoce el patrón de carga.

Las características comunes que pueden causar el inicio de grietas son inclusiones, vacíos o agujeros vacíos en el material, contaminación y concentraciones de tensión.

Crecimiento de grietas por fatiga

La imagen de un cigüeñal roto muestra que el componente falló debido a un defecto en la superficie cerca del bulbo en el centro inferior. Las marcas semicirculares cerca del origen indican una grieta que crece en el material a granel mediante un proceso conocido como fatiga. El cigüeñal también muestra hachuras, que son las líneas en las superficies de fractura que se remontan al origen de la fractura. Algunos modos de crecimiento de grietas pueden dejar marcas características en la superficie que identifican el modo de crecimiento y el origen de las grietas a escala macro, por ejemplo, marcas de playa o estrías en las grietas por fatiga.

Microscopía

Se pueden usar microscopios para determinar el punto de iniciación y el mecanismo que causó el crecimiento de grietas. La información se puede obtener de imágenes de la superficie de la fractura conocidas como fractografías y se pueden utilizar para construir diagramas. Se puede usar un mapa de superficie de fractura esquemática para aislar e identificar las características en la superficie que muestran cómo falló el producto. Dicho mapa puede ser una forma valiosa de presentar información que muestre claramente cómo se inició una grieta que creció con el tiempo.

Microscopía USB

Los microscopios USB son especialmente útiles para examinar las características de la superficie de la fractura, ya que son lo suficientemente pequeños como para ser portátiles. Una variedad de tamaños de cámara y resolución están disponibles comercialmente a bajo costo. El cable de la cámara se conecta a la computadora a través de un conector USB y la mayoría de estos dispositivos vienen con iluminación en la cámara suministrada por luces LED.

Microscopía electrónica de barrido

En muchos casos, la fractografía requiere un examen a una escala más fina, que generalmente se lleva a cabo en un microscopio electrónico de barrido o SEM. La resolución es mucho mayor que la del microscopio óptico, aunque las muestras se examinan en un vacío parcial y el color está ausente. Los SEM mejorados ahora permiten el examen a presiones cercanas a la atmosférica, lo que permite el examen de materiales sensibles como los de origen biológico. El SEM es especialmente útil cuando se combina con la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía o EDX, que se puede realizar en el microscopio, por lo que se pueden analizar áreas muy pequeñas de la muestra para determinar su composición elemental.

Ejemplo

Implante de seno

Se forma una cúspide donde se unen las grietas quebradizas, como se muestra en la imagen de un catéter fallido (Cp). La cúspide se formó por rotura frágil del catéter sobre un implante mamario de caucho de silicona. El origen de las grietas está en el hombro del lado izquierdo. La identificación de tales características permitirá hacer un mapa de la superficie de fractura de la superficie que se está estudiando. El implante fracasó debido a la sobrecarga, concentrándose todas las cargas impuestas en la conexión entre el catéter y la bolsa que contenía la solución salina. Como resultado, el paciente informó pérdida de líquido del implante, por lo que se extrajo quirúrgicamente y se reemplazó.

En el caso del catéter de implante mamario fallido, la trayectoria de la fisura fue muy simple, pero la causa más sutil. La microscopía electrónica de barrido posterior mostró numerosas microfisuras entre la bolsa y el catéter, lo que indica que la unión adhesiva entre los dos componentes había fallado prematuramente, quizás debido a una fabricación defectuosa. El material de construcción de la bolsa y el catéter, el caucho de silicona, es un elastómero físicamente débil y el diseño del producto debe permitir la baja resistencia al desgarro o al corte del material.

Aeronaves de Patrulla Marítima

Ocurrió una grieta no crítica en el orificio del sujetador de un tablón del ala inferior. El tablón se fabricó con una aleación de aluminio AA7075-T6 de 3,2 mm de espesor. El tiempo de detección de la grieta y el conteo de g-metros de la aeronave permitieron a los investigadores averiguar la carga de uso de la aeronave. Las grietas en un SEM mostraron evidencia y patrones de fatiga. La carga cíclica y la fatiga parecían haber empeorado progresivamente con algunas grietas grandes y otras pequeñas en longitud y anchura, lo que indicaba una fuerza ocasional superior a 2> g. El g-metro mostró que la aeronave había volado desde el despegue hasta el aterrizaje 302.180 veces, con la fuerza g y la aceleración excediendo ocasionalmente más de 2 G. Esto fue más que el máximo anunciado por el fabricante.La conclusión fue que la fatiga y las grietas deben inspeccionarse regularmente en aeronaves antiguas o de uso común. El estudio también encontró formas novedosas para usar la fractografía cuantitativa en aeronaves, que compara el historial de carga (en este caso, el g-metro) y los registros de la aleación que experimenta fatiga en un entorno de laboratorio con diferentes presiones, ciclos y temperaturas. El estudio utilizó la base de datos de grietas para crear un modelo que predice las fuerzas y la progresión de las grietas.