La fractografía es el estudio de las superficies de fractura de los materiales. Los métodos fractográficos se utilizan habitualmente para determinar la causa de fallas en estructuras de ingeniería, especialmente en fallas de productos y la práctica de ingeniería forense o análisis de fallas . En la investigación en ciencia de materiales , la fractografía se utiliza para desarrollar y evaluar modelos teóricos del comportamiento de 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 (por ejemplo , fatiga , 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 agrietamiento puede ser más importante que una sola grieta, especialmente en el caso de materiales frágiles como cerámica y vidrio .
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La fractografía es una técnica ampliamente utilizada en ingeniería forense , ingeniería de materiales forense 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 han sido utilizados como armas, como botellas rotas, por ejemplo. Por lo tanto, un acusado podría alegar que una botella estaba defectuosa y se rompió accidentalmente cuando impactó a una víctima de una agresión. La fractografía podría mostrar que la acusación era falsa y que se necesitaba 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 parabrisas o ventanas de cristal 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 una sola grieta. La fractografía puede determinar si la causa del descarrilamiento del tren fue un riel defectuoso o si el ala de un avión tenía grietas por fatiga antes del accidente.
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.
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 a escala macro utilizando microscopía óptica de baja potencia y técnicas de iluminación oblicua para identificar el alcance del agrietamiento, los modos posibles y los orígenes probables. La microscopía óptica o la macrofotografía suelen ser suficientes para identificar la naturaleza de la falla y las causas del inicio y crecimiento de la grieta si se conoce el patrón de carga.
Las características comunes que pueden causar el inicio de grietas son inclusiones , huecos o agujeros vacíos en el material, contaminación y concentraciones de tensión .
La imagen de un cigüeñal roto muestra que el componente falló debido a un defecto en la superficie cerca del bulbo en la parte inferior central. 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 rayas , que son las líneas en las superficies de fractura que se pueden rastrear hasta el origen de la fractura. Algunos modos de crecimiento de las 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.
Se pueden utilizar microscopios para determinar el punto de inicio y el mecanismo que provocó el crecimiento de las grietas. La información se puede obtener a partir de imágenes de la superficie de la fractura conocidas como fractografías y utilizarse en la construcción de diagramas. Se puede utilizar un mapa esquemático de la superficie de fractura para aislar e identificar las características de la superficie que muestran cómo falló el producto. Un mapa de este tipo puede ser una forma valiosa de presentar información que muestre claramente cómo se inició una grieta que creció con el tiempo.
Los microscopios USB son especialmente útiles para examinar las características de la superficie de la fractura, ya que son lo suficientemente pequeños como para sostenerlos con la mano. Se encuentran disponibles comercialmente una variedad de tamaños y resoluciones de cámaras 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 .
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 no hay color. 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 espectroscopía 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.
Se forma una cúspide donde se unen las grietas frágiles, como se muestra en la imagen de un catéter defectuoso (Cp). La cúspide se formó por el fallo 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 realizar un mapa de la superficie de fractura de la superficie que se está estudiando. El implante falló debido a una sobrecarga, concentrándose todas las cargas impuestas en la conexión entre el catéter y la bolsa que contiene la solución salina. Como resultado, el paciente refirió pérdida de líquido del implante, por lo que fue extraído quirúrgicamente y reemplazado.
En el caso del catéter de implante mamario fallido, la ruta de la grieta fue muy simple, pero la causa más sutil. Una microscopía electrónica de barrido más detallada 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 tanto de la bolsa como del 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.
Se produjo una grieta no crítica en el orificio de sujeción de una tabla del ala inferior. La tabla estaba hecha de una aleación de aluminio AA7075-T6 de 3,2 mm de espesor . El momento de detección de la grieta y el contador g del avión permitieron a los investigadores determinar la carga del avión durante su uso. Las grietas en un SEM mostraron evidencia y patrones de fatiga . La carga cíclica y la fatiga parecían haber empeorado progresivamente, siendo algunas grietas grandes y otras pequeñas en longitud y anchura, lo que indicaba fuerzas ocasionales superiores a 2 g. El medidor g mostró que el avión había realizado 2.500 vuelos, con la fuerza g y la aceleración excediendo ocasionalmente más de 2 G. Esto fue más que el máximo anunciado por el fabricante. [1] La conclusión fue que la fatiga y las grietas deberían inspeccionarse periódicamente en aviones viejos o de uso común. [1] El estudio también encontró formas novedosas de utilizar la fractografía cuantitativa en aviones, que compara el historial de carga (en este caso, el medidor g) y los registros de la aleación que experimenta fatiga en un 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.