Análisis de fallas metalúrgicas y patrones de fractura
Los materiales metálicos, que se utilizan en una gran variedad de productos, comúnmente se rompen debido al entorno que los rodea. La causa de la rotura sólo se puede determinar tras observar el material y analizar con precisión la superficie fracturada.
En la industria automotriz, la aeroespacial y otras industrias en las que la seguridad es importante, los materiales utilizados son el componente básico que garantiza la calidad del producto.
En esta sección se describen los métodos de análisis de fallas metalúrgicas, así como las características de los patrones de fractura y las superficies fracturadas. En esta sección también se presentan ejemplos del uso de un Microscopio Digital 4K para resolver los problemas de análisis de fallas metalúrgicas a los que se enfrentan los microscopios convencionales.
- Causas de rotura reveladas por las superficies de fractura metálica
- Tipos de fractografía
- Patrones de fractura de materiales metálicos
- Problemas en el análisis de fallas metalúrgicas y sus soluciones
- Hacer que el análisis de fallas metalúrgicas sea más avanzado y eficiente
Causas de rotura reveladas por las superficies de fractura metálica
Los materiales metálicos como el acero, el cobre y las aleaciones de aluminio se utilizan en una amplia gama de productos, desde electrodomésticos y juguetes hasta instalaciones y equipos de infraestructura.
Constantemente se estudian nuevos materiales de alto rendimiento, principalmente en las industrias automotriz y aeroespacial. Los estudios se han vuelto necesarios debido a la exigencia de reducir el tamaño y el peso de los productos, aumentando al mismo tiempo su rigidez y rendimiento. En campos como el de los automóviles, aviones, barcos, vagones de ferrocarril y naves espaciales tripuladas, la rotura de los materiales metálicos puede poner en riesgo vidas humanas, por lo que se requiere una selección estricta de los materiales y un diseño de seguridad basado en el cálculo de la resistencia.
A la hora de seleccionar los materiales metálicos, se llevan a cabo diversas pruebas de materiales relativas a la tensión de los mismos.
Los métodos de prueba típicos son los siguientes.
- Pruebas mecánicas:
- Prueba de tensión, prueba de flexión, prueba de compresión, prueba de cizallamiento, prueba de fluencia, prueba de desgaste, etc.
- Pruebas de dureza:
- Prueba de dureza por indentación, prueba de dureza dinámica
- Pruebas químicas:
- Prueba de corrosión
A través de las pruebas de materiales y la fractografía, se analizan las causas de rotura y las propiedades de los materiales para seleccionarlos o mejorarlos.
Tipos de fractografía
La fractografía investiga cómo se han fracturado los materiales metálicos (patrón de superficie fracturada o forma de la fractura) a través de la observación de la estructura para estimar las causas primarias teniendo en cuenta diversos aspectos como los materiales, los métodos de fabricación, las formas y las condiciones de uso. Entre varios métodos para observar la estructura de una superficie fracturada, los siguientes son los principales métodos factográficos para materiales metálicos.
Observación macroscópica
La observación macroscópica es un método de análisis que utiliza, por ejemplo, el ojo desnudo, lupas con poco aumento y microscopios estereoscópicos. Esta observación se puede realizar fácilmente en el lugar donde se ha producido una fractura y se utiliza para distinguir aproximadamente las causas según el tipo de fractura, la presencia de marcas de playa, etc. Sin embargo, la observación macroscópica por sí sola no es suficiente para investigar en detalle cómo se ha producido una fractura.
Observación microscópica
La observación microscópica investiga las características microscópicas mediante la observación de la estructura de una superficie fracturada utilizando microscopios ópticos y microscopios electrónicos de barrido (SEM). Con esta observación, se pueden investigar las formas de las fracturas en detalle capturando diversas características de una superficie fracturada, como los hoyuelos y los patrones de rayas.
Patrones de fractura de materiales metálicos
Los patrones de fractura se clasifican en fracturas dúctiles, frágiles, por fatiga y ambientales. Para cada patrón, se realiza una observación macroscópica y microscópica para investigar la causa de la rotura. La descripción general de cada patrón de fractura y el resumen de su superficie fracturada se describen a continuación.
Fractura dúctil
La fractura dúctil es un patrón de fractura que se observa en muchos materiales metálicos y muestra una gran deformación, como el estiramiento y estrechamiento, hasta la aparición de la fractura. A través de la observación de la estructura, se pueden ver las siguientes características y patrones de fractura detallados.
- Características de las superficies fracturadas
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- Observación macroscópica:
- Labio de cizalla, blanco grisáceo opaco
- Observación microscópica:
- Microhuecos, hoyuelos isométricos (fractura por tracción), hoyuelos estirados (fractura por cizallamiento)
Fractura frágil:
Una fractura frágil es un patrón de fractura en el cual el agrietamiento se ha extendido rápidamente mientras que muestra poca deformación plástica. A medida que avanza el agrietamiento, no se produce ninguna deformación plástica alrededor de la superficie fracturada. En general, las fracturas frágiles se producen en muchos materiales de acero en condiciones normales de uso. En muchos casos, la superficie fracturada está formada por superficies de fractura de cuasi- escisión, que se observan en grandes aceros tratados térmicamente y en aceros estructurales en general ubicados en ambientes extremadamente fríos.
- Características de las superficies fracturadas
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- Observación macroscópica:
- Reflejo brillante de color blanco plateado, patrón de chevron (fractura transgranular rápida), grietas que se extienden radialmente
- Observación microscópica:
- Superficie de fractura de cuasi- escisión, patrón de río, fractura granular, fractura compleja
Fractura por fatiga
Una fractura por fatiga es un patrón de fractura en el que el agrietamiento ha procedido gradualmente bajo una carga repetida. Se dice que más del 70% de los patrones de fractura en las estructuras mecánicas caen bajo este patrón.
La apariencia del material fracturado no muestra estiramiento ni estrechamiento, lo que es similar a las fracturas frágiles, pero se revela una deformación plástica significativa bajo la observación microscópica.
La superficie fracturada es generalmente lisa, en comparación con las superficies de otros patrones de fractura, y se observan marcas de playa como característica macroscópica. A partir de la aparición de estas marcas de playa, se puede saber dónde comenzó la fractura y en qué dirección procedió el agrietamiento.
Como característica microscópica, típicamente se observa un patrón de rayas llamado estrías. Este patrón rayado es vertical a la dirección en la que procedió la grieta y se dice que ocurre fácilmente en aleaciones de aluminio y aleaciones de cobre, mientras que no ocurre fácilmente en aleaciones ferrosas.
- Características de las superficies fracturadas
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- Observación macroscópica:
- Marca de playa, marca de trinquete (varios puntos de concentración de tensiones), ojo de pez (punto de inicio de la fractura), grietas de propagación radial
- Observación microscópica:
- Estrías (correspondientes al ciclo de tensión), grietas secundarias, marcas de roce o fracturas sin rasgos
Fractura ambiental
Una fractura ambiental es un patrón de fractura que se produce con el agrietamiento que se desarrolla en un entorno corrosivo. Por lo tanto, esta fractura también puede producirse incluso bajo una tensión externa extremadamente pequeña.
Las fracturas ambientales típicas son la fragilización por hidrógeno y el agrietamiento por corrosión bajo tensión.
- Fragilización por hidrógeno
- La fragilización por hidrógeno también se denomina fractura retardada y se observa habitualmente en los materiales de acero. Este fenómeno está causado por la entrada de hidrógeno en los materiales. Esta entrada se observa normalmente en los procesos de fabricación de materiales, como la soldadura y la galvanoplastia, y en las reacciones de corrosión en el entorno de uso.
- Agrietamiento por corrosión bajo tensión
- Este agrietamiento suele producirse en accidentes en los que el material es acero inoxidable austenítico. En particular, las fracturas transgranulares suelen producirse en entornos de uso con iones C1-. Por otra parte, las fracturas de límites de grano se producen en materiales distintos del acero inoxidable, como el cobre puro, el latón y las aleaciones de aluminio.
- Características de las superficies fracturadas
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- Fragilización por hidrógeno
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- Análisis macroscópico
- Reflejo blanco plateado y brillante
- Análisis microscópico
- Fractura granular, marca de pelo
- Agrietamiento por corrosión bajo tensión
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- Análisis macroscópico
- Reflejo parcial, oxidación/descoloración
- Análisis microscópico
- Fractura granular, patrón de plumas
- Fractura por alta temperatura
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- Análisis macroscópico
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- Análisis microscópico
- Fractura granular, hoyuelo, hundimiento
Problemas en el análisis de fallas metalúrgicas y sus soluciones
Como se ha descrito anteriormente, al observar las superficies fracturadas no sólo mediante la observación macroscópica, sino también mediante la observación microscópica, se pueden investigar los patrones de fractura con más detalle para comprender las causas y las condiciones de las fracturas. En muchos casos, se utilizan microscopios y microscopios electrónicos de barrido (SEM) para la observación microscópica, pero tienen varios problemas en el análisis de fallas metalúrgicas.
Puede resolver estos problemas y capturar varios patrones de fractura con alta definición para garantizar un análisis más fiable utilizando nuestro Microscopio Digital 4K.
En esta sección se presentan ejemplos de resolución de problemas en el análisis de fallas metalúrgicas utilizando el Microscopio Digital 4K de ultra alta definición Serie VHX de KEYENCE.
Eliminación de reflejos en una superficie de fractura metálica
Problemas convencionales con los microscopios
Los reflejos irregulares en la superficie de una fractura metálica pueden generar deslumbramiento, lo que a veces dificulta la observación. Una observación poco clara puede provocar un análisis inexacto debido a que se pasa por alto el agrietamiento.
Con el Microscopio Digital 4K Serie VHX
La función de eliminación de reflejos puede suprimir los reflejos innecesarios para que se puedan capturar con claridad incluso las grietas más pequeñas en una superficie de fractura metálica.
Enfoque completo de todo el objeto, incluso en el caso de superficies de fractura metálicas irregulares
Problemas convencionales con los microscopios
Las superficies de fractura de los materiales metálicos suelen ser tridimensionales. Para observar cada característica de las numerosas irregularidades de una superficie fracturada, es necesario ajustar el enfoque repetidamente, lo que hace que el análisis requiera mucho tiempo. Otro problema es que no es posible realizar una observación exhaustiva basada en una imagen del objeto completo.
Con el Microscopio Digital 4K Serie VHX
La función de composición de profundidad en tiempo real hace posible enfocar toda una superficie de fractura metálica. Esta función no sólo reduce el tiempo necesario para ajustar el enfoque repetidamente, sino que también permite observar y evaluar muchas características compuestas que existen en una superficie fracturada.
Análisis de detalles independientemente del ángulo y la sombra
Problemas convencionales con los microscopios
Las irregularidades en una superficie de fractura metálica no sólo dificultan el ajuste del enfoque, sino que también cambian el sombreado en función del ángulo. En consecuencia, es difícil y lleva mucho tiempo determinar las condiciones de iluminación. En algunos casos, también es difícil explicar los patrones de fractura sólo con los datos de imagen capturados bajo una única condición de iluminación.
Con el Microscopio Digital 4K Serie VHX
Con la función de iluminación múltiple, que captura automáticamente los datos de iluminación omnidireccional con sólo pulsar un botón, se puede seleccionar la imagen más adecuada para la observación de la estructura.
Incluso después de haber seleccionado o exportado las imágenes capturadas, los datos de las imágenes con cada condición de iluminación siguen guardadas en la PC y se pueden recuperar.
Observación clara incluso para formas diminutas de patrones sútiles
Problemas convencionales con los microscopios
Algunas superficies metálicas fracturadas pueden tener patrones de fractura sutiles. En estos casos, la fractografía requiere mucho tiempo y el contraste puede ser demasiado bajo para realizar la observación correctamente.
Con el Microscopio Digital 4K Serie VHX
El Modo óptico efecto de sombra, un nuevo método de observación que combina una lente HR de alta resolución específicamente diseñada, un sensor de imagen CMOS 4K e iluminación, analiza el contraste en una imagen capturada con una iluminación variada.
Este método permite observar claramente irregularidades sutiles y diminutas en una superficie de fractura metálica. La información sobre las irregularidades también se puede mostrar en diferentes colores componiendo una imagen en modo óptico efecto de sombra con información de color.
Hacer que el análisis de fallas metalúrgicas sea más avanzado y eficiente
Como se ha explicado anteriormente, el Microscopio Digital 4K de alta definición Serie VHX permite ver fácilmente las superficies de las fracturas metálicas que no se pueden observar bien con los microscopios y SEM convencionales.
Dado que la Serie VHX puede reducir en gran medida el tiempo dedicado al análisis de fallas metalúrgicas, puede aumentar la velocidad del ciclo de mejora de la calidad y de la I+D y lograr una eficiencia de trabajo mucho mayor en comparación con el uso de un microscopio convencional o un SEM. Además, la Serie VHX le permite recuperar datos de imágenes anteriores, para que pueda seleccionar y mejorar los materiales utilizando tendencias y comparaciones anteriores.
Equipada con muchas otras funciones avanzadas, la Serie VHX puede ser un poderoso aliado para una fractografía y una observación de estructuras más eficientes, que se requieren para convertirse en un líder en el campo de la I+D. Para obtener más información sobre el producto o realizar consultas, haga clic en los botones a continuación.
