Universidad Nacional

Autónoma de México.

Facultad de Química.

Laboratorio de Análisis de Fallas.

Clave de la asignatura:

1907.

Profesor:

Osvaldo Flores Cedillo.

Alumno:

Estañol Vega José Arturo de Jesús.

Reporte de crecimiento de grieta.

Fecha de entrega:

Martes 19 de Noviembre de 2013.

1

Objetivos.

Determinar el crecimiento de una grieta. Aplicar una carga dada a una pieza de latón Exponer la pieza a un ambiente corrosivo que promueva el crecimiento de la

grieta.

Introducción

La norma ASTM E647 es la pauta aceptada para las pruebas de crecimiento de grietas por fatiga y es aplicable a una amplia variedad de materiales y tasas de crecimiento. La prueba consta de varios pasos, comenzando con la selección del tamaño de la muestra, geometría, y la técnica de medición de longitud de la grieta. En cuanto a la planificación de las pruebas, el investigador debe tener una comprensión de la aplicación de los datos de la misma. La prueba se realiza a menudo en el laboratorio a temperatura ambiente, sin embargo, cualquier medio ambiente y la temperatura de interés gaseoso o líquido se pueden utilizar para determinar el efecto de la temperatura, la corrosión, u otra reacción química en la carga de carga también puede implicar varias formas de onda para la carga de amplitud constante, carga del espectro, o la carga aleatoria.

En la selección de una muestra, la capacidad de resolución del dispositivo de medición de grieta y el K-gradiente (la velocidad a la que K se aumenta o disminuye) en la muestra debe ser conocida para asegurar que la prueba puede llevarse a cabo apropiadamente

Durante las condiciones estables de crecimiento, la velocidad de crecimiento de las grietas en esta etapa siguen la ley empírica propuesta por Paris y Erdogan:

Donde “a” es la longitud de la grieta, N el número de ciclos, “C” y “m” son constantes que dependen del material y medio ambiente.

K es el factor de intensidad de esfuerzos que determina la magnitud de la distribución de tensiones alrededor de la grieta; depende de las tensiones aplicadas, de la longitud de la grieta y de su forma. A medida que el tamaño de la grieta crece, si la carga cíclica es constante, aumenta ΔK y en consecuencia la velocidad de crecimiento da/dN aumenta.

2

ΔK= Kmax – Kmin (4.3)

Figura 1. Consideraciones de la prueba según la norma ASTM E647

Desarrollo experimental.Primero se eligió la pieza a la cual se le iba a someter la carga. Para este

experimento se utilizo una probeta de latón con unas dimensiones mostradas en la siguiente figura.

3

Figura 2.Dimensiones de la probeta.

Posteriormente se le maquinaria la cuerda para después colocarle un tornillo con el que se le aplicaría la carga (en mi caso fue 8 N). También se preparo la pieza metalográficamente para ver su microestructura antes de se le aplicase la carga.

Figura 3. Pieza con el tornillo y la carga aplicada.

4

Figura 4. Metalografía de la probeta. 50 x

Figura 5. Metalografía de la probeta. 200 x

5

Finalmente se dejo la pieza en un medio corrosivo (hidróxido de amonio 0.1 M) durante dos meses para ver la influencia de la corrosión y la fatiga en el crecimiento de la grieta en la pieza.

Resultados.

Figura 6. Probeta después de dos meses en la solución corrosiva.

Como se puede ver en la figura 5 se presento una grieta, sin embargo dicha grieta apareció a los pocos días de haber sumergido la pieza en el medio corrosivo y alcanzo su máxima longitud en unos 5 días, la grieta no presento un aumento aparente en su longitud después de este periodo. Cabe mencionar que no se cambio la solución de amonio.

Cuando se decidió que ya no iba a haber un aumento en la extensión de la grieta se preparó metalográficamente de la pieza y se le realizo un ataque con para relevar la microestructura de la pieza.

F

Figura 7. a) y b)

Metalografías de la

Probeta después del ensayo

a) 10X izquierda

b) 50x derecha.

a

6

Figura 8. Metalografía de la probeta después del ensayo. 100x

Posteriormente se fracturo la pieza para constatar cual fue la profundidad total de penetración de la grieta en la probeta.

Figura 9. Probeta fracturada.

7

Figura 10. Probeta fracturada.

Análisis de Resultados.

Como se puede ver en las figuras 6, 7 y 8 la grieta que se tuvo recorrió de forma más o menos recta la probeta, la medición que se hiso de la extensión de la misma nos da como resultado aproximadamente una longitud de penetración de unos 6 milimetros. Al fracturar la probeta podemos ver que efectivamente la corrosión y la grieta avanzo 6 mm desde la muesca de la probeta hasta detenerse por completo, al ver las figuras 9 y 10 podemos apreciar esto en las diferentes coloraciones que tiene la fractura de la probeta. Las zonas donde la grieta avanzo se ven de un color más claro ya que en estas zonas el medio corrosivo ataco la superficie del material y dejo una capa de oxido. La zona inferior, de un color más metálico es la zona donde la grieta no alcanzo a crecer y al fracturar la probeta solo podemos ver la fractura frágil de la pieza.

Debido a que no se pudo llevar a cabo un control adecuado del crecimiento de la grieta durante el experimento, solo podemos decir que en las condiciones a la cuales fue sometida la pieza, se genera una falla por fatiga. Sin embargo si extrapolamos nuestros resultados podemos ver que si una pieza se encuentra sometida a un esfuerzo de 8 Newton fuerza esta va a presentar una falla si además se somete a un medio corrosivo.

Podemos decir entonces que nuestra pieza fallo con una corrosión asistida por esfuerzos, ya que si el metal es atacado por un medio agresivo, en nuestro caso el cloruro de amonio puede liberar protones, y además se encuentra sometido a una carga constante, entonces la grieta generada por la corrosión localizada se vuelve un concentrador de esfuerzos lo cual aumenta la penetración de la grieta y esto a su vez deja

8

expuesto más metal por lo que se vuelve un proceso auto-catalítico, cabe mencionar que lo que detuvo el ataque de la probeta fue el hecho de que la solución estaba muy poco concentrada. Es decir los iones responsables de la corrosión se acabaron y esto impidió que el mecanismo siguiera avanzando. Si se hubiera vuelto a agregar el medio agresivo, no se hubiera detenido el ataque.

Teóricamente es posible determinar la velocidad de crecimiento de grieta si se conoces los valores numéricos que mencionaron en la introducción de este reporte, sin embargo yo considere más importante reportar el tipo de mecanismo que fue responsable de la falla de la pieza.

A continuación se calculan los esfuerzos aplicados a la probeta y la tenacidad a la fractura encontrada.

Calculo del esfuerzo de torsión

τ Ρ=F ×d (entreranura y tornillo)

τ Ρ=8N ×0.005m=0.04Nm

Calculo del esfuerzo aplicado

σ= FA

σ= 8N

π (0.0067m )2=56727.09 Pa

σ=56.727MPa

Calculo de la Tenacidad a la Fractura

K lc=σ √πa

K lc=56.727√π (0.006m)

K lc=7.78M Pa/m2

Como se puede ver, al aplicar una carga mucho mayor a la tenacidad a la fractura del material este fallara y comenzara la propagación de la grieta.

9

Si se deseara mejorar los resultados de la práctica podría utilizarse una solución más agresiva para materiales que presentan una capa pasiva (como el latón) como pueden ser cloruros.

De forma general podemos decir que el crecimiento de una grieta de depende de:

TIEMPO frente CICLO DE DEPENDIENTE) crecimiento de la grieta. LA CONTINUIDAD EN LA CARGA DE FATIGA Corrosión bajo tensión. VARIACIONES en microestructura del material (por ejemplo, sensibilización).

Conclusiones.

El mecanismo responsable de la falla fue Corrosión asistida por esfuerzos El ataque de la pieza se detuvo por la baja concentración del medio corrosivo. La penetración de la grieta para una carga de 8 N-Fuerza y una concentración de

Hidróxido de Amonio 0.1 M fue de 6 mm. El crecimiento de una grieta depende del tiempo, la continuidad de la carga

aplicada y la microestructura del material. La tenacidad a la fractura encontrada para el latón es de 7.87 MPa/m2

Bibliografía.

ASM Metals Handbook. Fatigue and Fracture. Vol. 19. Pp. 481-489.

10