Fractura intergranular

En mecánica de fractura , 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, más común, se produce cuando la grieta crece a través de los granos del material. A modo de analogía, en un muro 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 existe una influencia ambiental hostil y se ve favorecido por tamaños de grano mayores y tensiones más elevadas . ^{[ 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 ve favorecida por tamaños de grano más pequeños), la fractura intergranular se promueve por la homogeneización de la deformación resultante de granos gruesos. ^{[ 3 ]}

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 fractura intergranular. ^{[ 5 ]}

La fractura intergranular puede ocurrir en una amplia variedad de materiales, incluyendo aleaciones de acero, cobre, aluminio y cerámica. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 3 ]} En metales con múltiples orientaciones de red , cuando una red termina y comienza otra, 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 puede observarse una superficie brillante. En cerámica, las fracturas intergranulares se propagan a través de los límites de grano, produciendo superficies lisas y rugosas donde los granos pueden identificarse fácilmente.

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 a la propagación preferencial de grietas en los límites de grano: ^{[ 8 ] [ 6 ]}

• Nucleación y coalescencia de microvacíos en inclusiones o partículas de segunda fase ubicadas a lo largo de los límites de grano.
• Formación de grietas y cavidades en los límites de grano asociadas a condiciones de ruptura por tensión a temperaturas elevadas.
• Descohesión entre granos contiguos debido a la presencia de elementos de impureza en los límites de grano y en asociación con atmósferas agresivas como hidrógeno gaseoso y metales líquidos.
• Procesos de agrietamiento por corrosión bajo tensión asociados con la disolución química a lo largo de los límites de grano.
• Condiciones de carga cíclica
• Cuando el material presenta un número insuficiente de sistemas de deslizamiento independientes para acomodar la deformación plástica entre granos contiguos. Esto también se conoce como fractura intercristalina o separación de límites de grano.
• Difusión más rápida a lo largo de los límites de los granos que a lo largo del interior de los granos.
• Mayor velocidad de nucleación y crecimiento de precipitados en los límites de grano.
• El agrietamiento por temple, o crecimiento de grietas tras un proceso de temple , es otro ejemplo de fractura intergranular y casi siempre se produce por procesos intergranulares. ^{[ 6 ]} Este proceso de agrietamiento por temple se ve favorecido por límites de grano debilitados y grandes tamaños de grano, y además está influenciado por el gradiente de temperatura al que se produce el temple 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 ]}

La fractura intergranular se puede clasificar de la siguiente manera: ^{[ 6 ]}

• La fractura intergranular con hoyuelos implica casos en los que se produce coalescencia de microvacíos en los límites de grano como resultado de la cavitación por fluencia o la nucleación de vacíos en los precipitados de los límites de grano. Dicha fractura se caracteriza por la presencia de hoyuelos en la superficie. La fractura intergranular con hoyuelos suele dar lugar a una baja ductilidad macroscópica, con una topología con hoyuelos que se revela en las facetas de los granos cuando se observa a mayores aumentos (de 1000 a 5000x). Las impurezas que se adsorben en los límites de grano promueven la fractura intergranular con hoyuelos. ^{[ 6 ]}
• La fractura frágil intergranular se da en casos en los que las superficies de los granos no presentan hoyuelos que indiquen la coalescencia de microvacíos. Dicha fractura se denomina frágil debido a que ocurre antes de la deformación plástica. ^{[ 4 ]} Entre las causas se incluyen partículas frágiles de segunda fase en los límites de grano, segregación de impurezas o átomos en los límites de grano y fragilización inducida por el medio ambiente. ^{[ 6 ]}
• La fractura por fatiga intergranular implica casos en los que la fractura intergranular se produce como resultado de una carga cíclica o fatiga . Este tipo específico de fractura intergranular suele estar asociado a un procesamiento inadecuado de los materiales o a condiciones ambientales adversas que debilitan gravemente los granos. ^{[ 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 conducir a la fatiga intergranular. ^{[ 7 ]}

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 ]} A altos niveles de impurezas, especialmente en el caso de fragilización por hidrógeno , la probabilidad de fractura intergranular es mayor. ^{[ 6 ]} Se hipotetiza que solutos como el hidrógeno estabilizan y aumentan la densidad de vacantes inducidas por deformación, ^{[ 11 ]} lo que conduce a microfisuras y microvacíos en los límites de grano. ^{[ 5 ]}

El agrietamiento intergranular depende de la orientación relativa del límite común entre dos granos. La trayectoria de la fractura intergranular suele ocurrir a lo largo del límite de grano de mayor ángulo. ^{[ 6 ]} En un estudio, se demostró que el agrietamiento nunca se presentó en límites con una desorientación de hasta 20 grados, independientemente del tipo de límite. ^{[ 12 ]} En ángulos mayores, se observaron grandes áreas con comportamiento agrietado, sin agrietar 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 ]}

• Fractura transgranular
• corrosión intergranular
• Cristalito