Fractura del material que se propaga a lo largo de los límites de grano.
En mecánica de fracturas , la fractura intergranular , el agrietamiento intergranular o la fragilización intergranular se producen cuando una grieta se propaga a lo largo de los límites de grano de un material, generalmente cuando estos límites de grano se debilitan. [1] La fractura transgranular , que se observa con más frecuencia, se produce cuando la grieta crece a través de los granos del material. Como analogía, en una pared de ladrillos, la fractura intergranular correspondería a una fractura que tiene lugar en el mortero que mantiene unidos los ladrillos.
Es probable que se produzca agrietamiento intergranular si hay una influencia ambiental hostil y se ve favorecido por tamaños de grano más grandes y tensiones más altas . [1] El agrietamiento intergranular es posible en un amplio rango de temperaturas. [2] Mientras que el agrietamiento transgranular se ve favorecido por la localización de la deformación (que a su vez se fomenta por tamaños de grano más pequeños), la fractura intergranular se promueve por la homogeneización de la deformación resultante de los granos gruesos. [3]
Fractura intergranular producida por propagación de grietas a lo largo de los límites de grano
La fragilización , o pérdida de ductilidad, suele ir acompañada de un cambio en el modo de fractura, de transgranular a intergranular. [4] Esta transición es particularmente significativa en el mecanismo de fragilización por átomos de impurezas. [4] Además, la fragilización por hidrógeno es una categoría común de fragilización en la que se puede observar una fractura intergranular. [5]
La fractura intergranular puede ocurrir en una amplia variedad de materiales, incluyendo aleaciones de acero, aleaciones de cobre, aleaciones de aluminio y cerámicas. [6] [7] [3] En metales con múltiples orientaciones de red , cuando una red termina y otra comienza, la fractura cambia de dirección para seguir el nuevo grano. Esto da como resultado una fractura de aspecto bastante irregular con bordes rectos del grano y se puede ver una superficie brillante. En cerámica, las fracturas intergranulares se propagan a través de los límites de grano, produciendo superficies lisas y abultadas donde los granos se pueden identificar fácilmente.
Mecanismos de fractura intergranular
Aunque es fácil identificar el agrietamiento intergranular, determinar la causa es más complejo ya que los mecanismos son más variados, en comparación con la fractura transgranular. [6] Hay varios otros procesos que pueden conducir a la fractura intergranular o la propagación preferencial de grietas en los límites de grano: [8] [6]
Nucleación y coalescencia de microhuecos en inclusiones o partículas de segunda fase ubicadas a lo largo de los límites de grano
Formaciones de grietas y cavidades en los límites de grano asociadas con condiciones de ruptura por tensión a temperatura elevada
Descohesión entre granos contiguos debido a la presencia de elementos de impureza en los límites de los granos y en asociación con atmósferas agresivas como hidrógeno gaseoso y metales líquidos.
Cuando el material tiene un número insuficiente de sistemas de deslizamiento independientes para adaptarse a la deformación plástica entre granos contiguos. Esto también se conoce como fractura intercristalina o separación de los límites de grano.
Difusión más rápida a lo largo de los límites de los granos que a lo largo de los interiores de los granos
Nucleación y crecimiento más rápidos de precipitados en los límites de grano.
El agrietamiento por enfriamiento, o el crecimiento de grietas después de un proceso de enfriamiento , es otro ejemplo de fractura intergranular y casi siempre ocurre por procesos intergranulares. [6] Este proceso de agrietamiento por enfriamiento es promovido por límites de grano debilitados y tamaños de grano grandes y además influenciado por el gradiente de temperatura en el que ocurre el enfriamiento y la expansión de volumen durante la transformación.
Desde el punto de vista energético, la energía liberada por la propagación de grietas intergranulares es mayor que la predicha por la teoría de Griffith , lo que implica que el término de energía adicional para propagar una grieta proviene de un mecanismo de límite de grano. [9]
Tipos de fractura intergranular
La fractura intergranular se puede clasificar de la siguiente manera: [6]
La fractura intergranular con hoyuelos implica casos en los que se produce una coalescencia de microhuecos en los límites de grano como resultado de la cavitación por fluencia o la nucleación de huecos en los precipitados de los límites de grano. Dicha fractura se caracteriza por hoyuelos en la superficie. La fractura intergranular con hoyuelos generalmente conduce a una ductilidad macroscópica baja, con una topología con hoyuelos revelada en las facetas del grano cuando se observa con mayores aumentos (1000 a 5000x). Las impurezas que se adsorben en los límites de grano promueven la fractura intergranular con hoyuelos. [6]
La fractura frágil intergranular implica casos en los que las superficies de los granos no tienen hoyuelos que indiquen coalescencia de microhuecos. Dicha fractura se denomina frágil debido a que se fractura antes de la fluencia plástica. [4] Las causas incluyen partículas frágiles de segunda fase en los límites de grano, segregación de impurezas o átomos en los límites de grano y fragilización asistida por el medio ambiente. [6]
La fractura por fatiga intergranular implica casos en los que la fractura integranular se produce como resultado de una carga cíclica o fatiga . Este tipo específico de fractura intergranular suele estar asociada a un procesamiento inadecuado de los materiales o a condiciones ambientales adversas en las que los granos se debilitan gravemente. [6] La tensión aplicada a temperaturas elevadas (fluencia), los precipitados en los límites de grano, el tratamiento térmico que provoca segregación en los límites de grano y el debilitamiento de los límites de grano asistido por el medio ambiente pueden provocar fatiga intergranular. [7]
Papel de los solutos y las impurezas
A temperatura ambiente, la fractura intergranular se asocia comúnmente con una cohesión alterada resultante de la segregación de solutos o impurezas en los límites de grano. [10] Ejemplos de solutos que se sabe que influyen en la fractura intergranular son el azufre, el fósforo, el arsénico y el antimonio específicamente en aceros, el plomo en aleaciones de aluminio y el hidrógeno en numerosas aleaciones estructurales. [10] En niveles altos de impurezas, especialmente en el caso de fragilización por hidrógeno , la probabilidad de fractura intergranular es mayor. [6] Se plantea la hipótesis de que los solutos como el hidrógeno estabilizan y aumentan la densidad de vacantes inducidas por la deformación, [11] lo que conduce a microfisuras y microhuecos en los límites de grano. [5]
Función de la orientación del límite de grano
El agrietamiento intergranular depende de la orientación relativa del límite común entre dos granos. La trayectoria de la fractura intergranular ocurre típicamente a lo largo del límite de grano con el ángulo más alto. [6] En un estudio, se demostró que nunca se presentó agrietamiento para límites con desorientación de hasta 20 grados, independientemente del tipo de límite. [12] En ángulos mayores, se observaron grandes áreas de comportamiento agrietado, no agrietado y mixto. Los resultados implican que el grado de agrietamiento del límite de grano, y por lo tanto la fractura intergranular, está determinado en gran medida por la porosidad del límite o la cantidad de desajuste atómico. [12]
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