Fractografía

La fractografía es el estudio de las superficies de fractura de los materiales. Los métodos fracográficos se utilizan de forma rutinaria para determinar la causa de las fallas en las estructuras de ingeniería, especialmente en las fallas de productos y en la práctica de la ingeniería forense o el análisis de fallas . En la investigación de la ciencia de los materiales , la fractografía se utiliza para desarrollar y evaluar modelos teóricos del comportamiento del crecimiento de las 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 grieta individual, especialmente en el caso de materiales frágiles como cerámicas y vidrios .

La fractografía es una técnica ampliamente utilizada en ingeniería forense , ingeniería forense de materiales y mecánica de fracturas para comprender las causas de los fallos y también para verificar las predicciones teóricas de fallos con fallos de la vida real. Es de utilidad en la ciencia forense para analizar productos rotos que se han utilizado como armas, como por ejemplo botellas rotas. Así, un acusado podría alegar que una botella estaba defectuosa y se rompió accidentalmente al impactar a una víctima de un asalto. La fractografía podría demostrar que la acusación es falsa y que se necesitó una fuerza considerable para romper la botella antes de utilizar el extremo roto como arma para atacar deliberadamente a la víctima. Los agujeros de bala en parabrisas o ventanas de vidrio 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, en lugar de las características específicas de una sola grieta. La fractografía puede determinar si la causa del descarrilamiento de un tren fue un raíl defectuoso o si un ala de un avión tenía grietas por fatiga antes de un choque.

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 de las grietas, ya que el examen en el origen puede revelar la causa de la iniciación de las grietas. El examen fracográfico inicial se lleva a cabo comúnmente a escala macro utilizando microscopía óptica de baja potencia y técnicas de iluminación oblicua para identificar la extensión de las grietas, los posibles modos y los orígenes probables. La microscopía óptica o la macrofotografía suelen ser suficientes para determinar la naturaleza de la falla y las causas de la iniciación y el crecimiento de las grietas si se conoce el patrón de carga.

Las características comunes que pueden provocar la iniciación 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 superficial cerca del bulbo en el centro inferior. Las marcas semicirculares cerca del origen indican una grieta que crece hacia el material a granel mediante un proceso conocido como fatiga . El cigüeñal también muestra rayados , que son las líneas en las superficies de fractura que se pueden rastrear hasta el origen de la fractura. Algunos modos de crecimiento de grietas pueden dejar marcas características en la superficie que identifican el modo de crecimiento de la grieta y el origen a escala macro, por ejemplo, marcas de playa o estrías en grietas por fatiga.

Se pueden utilizar microscopios para determinar el punto de inicio y el mecanismo que provocó el crecimiento de la grieta. La información se puede obtener a partir de imágenes de la superficie de la fractura, conocidas como fractografías , y se pueden utilizar para construir diagramas. Se puede utilizar un mapa esquemático de la superficie de la fractura para aislar e identificar las características de la superficie que muestran cómo falló el producto. Este mapa puede ser una forma valiosa de presentar información que muestre claramente cómo se inició una grieta y cómo creció con el tiempo.

Los microscopios USB son especialmente útiles para examinar las características de la superficie de las fracturas, ya que son lo suficientemente pequeños como para sostenerlos con la mano. Hay disponibles en el mercado cámaras de distintos tamaños y resoluciones 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 normalmente 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 permiten ahora 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 la espectroscopia de rayos X por 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 juntan las grietas frágiles, como se muestra en la imagen de un catéter fallido (Cp). La cúspide se formó por una falla frágil del catéter en un implante mamario de caucho de silicona . El origen de las grietas está en el hombro del lado izquierdo. La identificación de dichas características permitirá realizar un mapa de la superficie de fractura de la superficie en estudio. El implante falló debido a una sobrecarga, y todas las cargas impuestas se concentraron en la conexión entre el catéter y la bolsa que contenía la solución salina. Como resultado, la paciente informó pérdida de líquido del implante, por lo que se lo extrajo quirúrgicamente y se lo reemplazó.

En el caso del catéter de implante mamario fallido, la trayectoria de la grieta era muy simple, pero la causa más sutil. Una microscopía electrónica de barrido adicional mostró numerosas microgrietas entre la bolsa y el catéter, lo que indica que la unión adhesiva entre los dos componentes había fallado prematuramente, tal vez 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 fijación de una plancha del ala inferior. La plancha estaba hecha de una aleación de aluminio AA7075-T6 de 3,2 mm de espesor . El momento de la detección de la grieta y el medidor de gravedad de conteo de la aeronave permitieron a los investigadores averiguar la carga sobre la aeronave por el uso. Las grietas en un SEM mostraron evidencia y patrones de fatiga . La carga cíclica y la fatiga parecían haber empeorado progresivamente con algunas grietas grandes y otras pequeñas en longitud y ancho, lo que indica una fuerza ocasional más fuerte que 2> g. El medidor de gravedad mostró que la aeronave había volado 2.500 vuelos, con la fuerza g y la aceleración ocasionalmente excediendo más de 2 G. Esto era más que el máximo anunciado para el fabricante. ^[1] La conclusión fue que la fatiga y las grietas deberían inspeccionarse regularmente en aeronaves antiguas o de uso común. ^[1] El estudio también encontró nuevas formas de utilizar la fractografía cuantitativa en aeronaves, que compara el historial de carga (en este caso, el g-metro) y los registros de la aleación que experimenta fatiga en un entorno de 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.

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• Análisis de fallos
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• Fractura
• Ingeniería forense de polímeros
• Ciencia forense

• Lewis, Peter Rhys, Reynolds, K, y Gagg, C, Ingeniería de materiales forenses: estudios de casos , CRC Press (2004).
• Mills, Kathleen Fractography , Manual de la Sociedad Americana de Metales (ASM), volumen 12 (1991).
• NT Goldsmith, RJH Wanhill, L. Molent, Fractografía cuantitativa de la fatiga y un estudio de caso ilustrativo, Engineering Failure Analysis, volumen 96 (febrero de 2019) Páginas 426–435.