Las estrías son marcas producidas en la superficie de la fractura que muestran el crecimiento incremental de una grieta por fatiga . Una estría marca la posición de la punta de la grieta en el momento en que se formó. El término estría generalmente se refiere a estrías dúctiles que son bandas redondeadas en la superficie de la fractura separadas por depresiones o fisuras y pueden tener la misma apariencia en ambos lados de las superficies de contacto de la grieta por fatiga. Aunque algunas investigaciones han sugerido que se requieren muchos ciclos de carga para formar una sola estría, ahora se cree generalmente que cada estría es el resultado de un solo ciclo de carga. [1]
La presencia de estrías se utiliza en el análisis de fallas como una indicación de que una grieta por fatiga ha estado creciendo. Las estrías generalmente no se ven cuando una grieta es pequeña, aunque esté creciendo por fatiga, pero comenzarán a aparecer a medida que la grieta se hace más grande. No todas las marcas periódicas en la superficie de la fractura son estrías. El tamaño de una estría para un material en particular generalmente está relacionado con la magnitud de la carga caracterizada por el rango del factor de intensidad de tensión , la tensión media y el entorno. El ancho de una estría es indicativo de la tasa general de crecimiento de la grieta, pero puede ser localmente más rápida o más lenta en la superficie de la fractura.
El estudio de la superficie de la fractura se conoce como fractografía . Las imágenes de la grieta se pueden utilizar para revelar características y comprender los mecanismos de crecimiento de la grieta. Si bien las estrías son bastante rectas, tienden a curvarse en los extremos, lo que permite determinar la dirección del crecimiento de la grieta a partir de una imagen. Las estrías generalmente se forman en diferentes niveles en los metales y están separadas por una banda de desgarro entre ellas. Las bandas de desgarro son aproximadamente paralelas a la dirección del crecimiento de la grieta y producen lo que se conoce como un patrón de río , llamado así porque se parece al patrón divergente que se ve en los flujos de los ríos. La fuente del patrón de río converge a un solo punto que normalmente es el origen de la falla por fatiga. [2]
Las estrías pueden aparecer en ambos lados de la superficie de fractura de contacto. Existe cierta controversia sobre si las estrías producidas en ambos lados de la superficie de fractura coinciden de pico a pico o de pico a valle. La forma de las estrías también puede ser diferente en cada lado de la superficie de fractura. [3] Las estrías no se producen de manera uniforme en toda la superficie de fractura y muchas áreas de una grieta por fatiga pueden estar desprovistas de estrías. Las estrías se observan con mayor frecuencia en metales, pero también se producen en plásticos como el poli(metilmetacrilato) . [4]
Las estrías pequeñas se pueden ver con la ayuda de un microscopio electrónico de barrido . [5] Una vez que el tamaño de una estría supera los 500 nm (longitud de onda de resolución de la luz), se pueden ver con un microscopio óptico . La primera imagen de estrías fue tomada por Zapffe y Worden en 1951 utilizando un microscopio óptico. [1]
El ancho de una estría indica la tasa local de crecimiento de la grieta y es típico de la tasa general de crecimiento sobre la superficie de la fractura. La tasa de crecimiento se puede predecir con una ecuación de crecimiento de grietas como la ecuación de Paris-Erdogan . Los defectos como inclusiones y límites de grano pueden ralentizar localmente la tasa de crecimiento.
Las cargas de amplitud variable producen estrías de diferentes anchos y el estudio de estos patrones de estrías se ha utilizado para comprender la fatiga. [6] [7] Aunque se pueden utilizar varios métodos de conteo de ciclos para extraer los ciclos de amplitud constante equivalentes de una secuencia de amplitud variable, el patrón de estrías difiere de los ciclos extraídos utilizando el método de conteo Rainflow .
La altura de una estría se ha relacionado con la relación de tensión del ciclo de carga aplicado, donde y es, por tanto, una función de la intensidad de tensión mínima y máxima del ciclo de carga aplicado. [8]
El perfil de estrías depende del grado de carga y descarga en cada ciclo. La parte de descarga del ciclo provoca una deformación plástica en la superficie de las estrías. La extensión de las grietas solo se produce a partir de la parte ascendente del ciclo de carga. [9]
Otras marcas periódicas en la superficie de la fractura pueden confundirse con estrías.
Las cargas de amplitud variable hacen que las grietas cambien el plano de crecimiento y este efecto se puede utilizar para crear bandas marcadoras en la superficie de la fractura. Cuando se aplican varios ciclos de amplitud constante, pueden producir una meseta de crecimiento en la superficie de la fractura. Las bandas marcadoras (también conocidas como marcas de progresión o marcas de playa ) se pueden producir e identificar fácilmente en la superficie de la fractura, incluso si la magnitud de las cargas puede ser demasiado pequeña para producir estrías individuales. [10]
Además, las bandas marcadoras también pueden ser producidas por grandes cargas (también conocidas como sobrecargas) que producen una región de fractura rápida en la superficie de la grieta. La fractura rápida puede producir una región de extensión rápida antes de que el embotamiento de la punta de la grieta detenga el crecimiento y se produzca un mayor crecimiento durante la fatiga. La fractura rápida se produce a través de un proceso de coalescencia de microhuecos donde las fallas se inician alrededor de partículas intermetálicas. El avión F111 fue sometido a pruebas periódicas para garantizar que las grietas presentes fueran más pequeñas que un cierto tamaño crítico. Estas cargas dejaron marcas en la superficie de la fractura que se pudieron identificar, lo que permitió medir la tasa de crecimiento intermedio que se produce en servicio. [11]
Las marcas también se producen por un cambio en el entorno donde el petróleo o los entornos corrosivos pueden depositarse o por una exposición excesiva al calor y colorear la superficie de la fractura hasta la posición actual de la punta de la grieta. [10]
Las bandas marcadoras se pueden utilizar para medir la tasa instantánea de crecimiento de los ciclos de carga aplicados. Al aplicar una secuencia repetida separada por cargas que producen un patrón distintivo, el crecimiento de cada segmento de carga se puede medir utilizando un microscopio en una técnica llamada fractografía cuantitativa ; la tasa de crecimiento de los segmentos de carga de amplitud constante o de amplitud variable se puede medir directamente desde la superficie de la fractura. [12]
Las huellas de neumáticos son las marcas que se producen en la superficie de la fractura cuando algo deja una impresión en la superficie debido a la apertura y el cierre repetidos de las caras de la grieta. Esto puede producirse por una partícula que queda atrapada entre las caras de la grieta o por el desplazamiento de las propias caras y el contacto directo con la superficie opuesta. [13]
Las estrías gruesas son arrugas generales de la superficie de la fractura y no corresponden a un único ciclo de carga, por lo que no se consideran estrías verdaderas. Se producen en lugar de estrías regulares cuando no hay suficiente humedad atmosférica para formar hidrógeno en la superficie de la punta de la grieta en aleaciones de aluminio, impidiendo así la activación de los planos de deslizamiento. Las arrugas en la superficie se cruzan y, por lo tanto, no representan la posición de la punta de la grieta.
Las estrías se producen a menudo en aleaciones de aluminio de alta resistencia. En estas aleaciones, la presencia de vapor de agua es necesaria para producir estrías dúctiles, aunque demasiado vapor de agua producirá estrías frágiles también conocidas como estrías de clivaje . Las estrías frágiles son más planas y más grandes que las estrías dúctiles producidas con la misma carga. Hay suficiente vapor de agua presente en la atmósfera para generar estrías dúctiles. Las grietas que crecen internamente están aisladas de la atmósfera y crecen en el vacío . [14] Cuando el vapor de agua se deposita sobre la superficie de fractura de aluminio recién expuesta, se disocia en hidróxidos e hidrógeno atómico . El hidrógeno interactúa con la punta de la grieta afectando la apariencia y el tamaño de las estrías. La tasa de crecimiento aumenta típicamente en un orden de magnitud, con la presencia de vapor de agua. [15] Se cree que el mecanismo es la fragilización por hidrógeno como resultado de la absorción de hidrógeno en la zona plástica en la punta de la grieta. [16]
Cuando una grieta interna se abre paso hasta la superficie, la velocidad de crecimiento de la grieta y el aspecto de la superficie de la fractura cambiarán debido a la presencia de vapor de agua. Se producen estrías gruesas cuando una grieta por fatiga crece en el vacío, como cuando crece a partir de una falla interna. [15]
En el aluminio (un material cúbico centrado en las caras ), las grietas crecen cerca de planos de índice bajo , como los planos {100} y {110} (consulte el índice de Miller ). [3] Ambos planos bisecan un par de planos de deslizamiento . El crecimiento de grietas que involucra un solo plano de deslizamiento se denomina crecimiento de etapa I y el crecimiento de grietas que involucra dos planos de deslizamiento se denomina crecimiento de etapa II . [17] Las estrías generalmente solo se observan en el crecimiento de etapa II.
Las estrías frágiles se forman típicamente en los planos {100}. [17]
Se han desarrollado muchos modelos para explicar el proceso de formación de una estría y su forma resultante. Algunos de los modelos más importantes son:
