El cierre de grietas es un fenómeno en la carga de fatiga , donde las caras opuestas de una grieta permanecen en contacto incluso con una carga externa que actúa sobre el material. A medida que aumenta la carga, se alcanzará un valor crítico en el que la grieta se abrirá . El cierre de la grieta se produce por la presencia de material que mantiene abiertas las caras de la grieta y puede surgir de muchas fuentes, incluida la deformación plástica o la transformación de fase durante la propagación de la grieta, la corrosión de las superficies de la grieta, la presencia de fluidos en la grieta o la rugosidad en las superficies de la grieta. [1]
Durante la carga cíclica, una grieta se abrirá y cerrará provocando 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 negativa (es decir, ), el CTOD permanecerá igual a cero a medida que las caras de la grieta se presionen entre sí. Sin embargo, se descubrió que el CTOD también puede ser cero en otros momentos incluso cuando la fuerza aplicada es positiva impidiendo que el factor de intensidad de tensión alcance su mínimo. Por lo tanto, la amplitud del rango del factor de intensidad de tensión, también conocida como fuerza impulsora de la punta de la grieta , se reduce en relación con el caso en el que no se produce el cierre, reduciendo así la tasa de crecimiento de la grieta. El nivel de cierre aumenta con la relación de tensiones y por encima de aproximadamente 0 , las caras de las grietas no hacen 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, produciendo un desplazamiento de apertura de la punta de la grieta, CTOD. El crecimiento de grietas es generalmente una función del rango del factor de intensidad de tensión, para un ciclo de carga aplicado y es
Sin embargo, el cierre de la grieta ocurre cuando las superficies de la fractura están en contacto por debajo del factor de intensidad de tensión del nivel de apertura incluso bajo carga positiva, lo que nos permite definir un rango de intensidad de tensión efectivo como
que es menor que el nominal aplicado .
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 la fractura incluso durante cargas de tracción cíclicas. [3] [4] El efecto de cierre de grietas ayuda a explicar una amplia gama de datos de fatiga, y es especialmente importante en la comprensión del efecto de la relación de tensiones (menos cierre a una relación de tensiones más alta) y las grietas cortas (menos cierre que las grietas largas para la misma intensidad de tensión cíclica). [5]
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 por fatiga que avanza. [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:
La transformación martensítica inducida por deformación en el campo de tensiones de la punta de la grieta es otra posible razón para provocar el cierre de la grieta. Fue estudiado por primera vez por Pineau, Pelloux y Hornbogen en aceros inoxidables austeníticos metaestables. Estos aceros se transforman de estructura reticular austenítica a 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 las grietas entran en contacto entre sí. [9] Este cierre inducido por transformación está fuertemente influenciado por el tamaño y la geometría de la muestra de ensayo y de la grieta por fatiga.
El cierre inducido por óxido ocurre cuando ocurre una corrosión rápida durante la propagación de grietas. Se produce cuando el material base en la superficie de la fractura se expone a atmósferas gaseosas y acuosas y se oxida . [10] Aunque la capa oxidada es normalmente 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, producen aún más óxidos. El volumen oxidado crece y suele ser mayor que el volumen del material base alrededor de las superficies de las grietas. Como tal, el volumen de los óxidos puede interpretarse como una cuña insertada en la grieta, reduciendo el rango de intensidad de la tensión del efecto. Los experimentos han demostrado que el cierre de grietas inducido por óxido ocurre tanto a temperatura ambiente como a temperatura elevada, y la acumulación de óxido es más notable con relaciones R bajas y tasas de crecimiento de grietas bajas (cercanas al umbral). [11]
El cierre inducido por rugosidad ocurre con el Modo II o carga de corte en el plano, que se debe al mal ajuste 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, la deformación fuera del plano ocurre localmente cuando se aplica la carga de Modo II y, por lo tanto, está presente una rugosidad microscópica de las superficies de fractura por fatiga. Como resultado, estas cuñas desparejadas entran en contacto durante el proceso de carga de fatiga, lo que resulta en el cierre de la grieta. El desajuste en las superficies de fractura también se produce en el campo lejano de la grieta, lo que puede explicarse por el desplazamiento y rotación asimétricos del material. [12]
El cierre de grieta inducido por rugosidad es justificable o válido cuando la rugosidad de la superficie es del mismo orden que el desplazamiento de apertura de grieta. Está influenciado por factores tales como el tamaño del grano, el historial de carga, las propiedades mecánicas del material, la relación de carga y el tipo de muestra.
