¿Cuál es la problemática?
Estudio de facies de fractura de anclaje metálico, ¿cómo encontró FILAB el origen del fallo?
Un anclaje metálico es un dispositivo utilizado para fijar firmemente elementos a una estructura o soporte. Estos anclajes están diseñados para resistir cargas importantes, incluidas cargas de tracción y/o de cizallamiento, y se utilizan a menudo para fijar elementos estructurales al hormigón u otros materiales de construcción.
El objetivo de este estudio es peritar un anclaje metálico que se ha roto para identificar la causa de este fallo. En efecto, el cliente desea optimizar la seguridad y la fiabilidad de su entorno, así como mejorar la durabilidad de sus instalaciones. Este anclaje es de acero inoxidable y sirve para soportar rejillas refractarias en hornos de producción de arcillas o ladrillos.
Para identificar esta causa, FILAB realizó primero análisis fractográficos y, en una segunda fase, un balance de salud del material de la varilla mediante diferentes técnicas, y ello sobre dos muestras.
Análisis fractográficos
Las dos piezas se cortaron minuciosamente en el taller de FILAB para observar su superficie de fractura con la lupa binocular y el MEB-EDX.
La técnica de la lupa binocular
Las observaciones ópticas realizadas con la lupa binocular permitieron obtener la siguiente información:
Se observó un aplanamiento en el borde de ambas superficies.
Las dos superficies de fractura de la pieza presentan un aspecto corroído.
El MEB-EDX
Las observaciones MEB y los análisis EDX realizados permitieron obtener la siguiente información:
- Se identificaron cavidades, que pueden corresponder a una zona de fin de desgarro durante la fractura de la pieza.
- La mayor parte de ambas superficies de fractura está recubierta de corrosión compuesta por Oxígeno (O), Cromo (Cr), Níquel (Ni) y Hierro (Fe).
- Se observaron en el MEB zonas de facetas, características de una fractura intergranular frágil de la pieza. Los análisis EDX, por su parte, indican altos contenidos de Hierro (Fe) y Cromo (Cr), pero sin Níquel (Ni), lo que podría evidenciar una diferencia de fase en estas zonas.
Balance de salud del material
Análisis elemental de C y S y análisis por ICP-AES
Los resultados de los análisis químicos realizados sobre los dos anclajes metálicos cumplen las especificaciones del grado X6CrNi25-20 (1.4951) según la norma NF EN 10088-1.
Análisis micrográfico
Durante esta etapa, la superficie de fractura se cortó con la microtronzadora en sentido longitudinal para observar la microestructura cercana a la zona de fractura y en el núcleo de la pieza. A continuación, la preparación se embutió en frío en una resina acrílica y se pulió hasta el grado 0,15μm.
Las observaciones mediante microscopía óptica realizadas permitieron obtener la siguiente información:
- Antes del ataque químico, el núcleo de la muestra presenta algunas porosidades de pequeñas dimensiones. En la superficie, hay porosidades de grandes dimensiones y una gruesa capa de corrosión.
- Después del ataque químico, se observan granos maclados (bandas en los granos) en toda la muestra. Estos granos son característicos de la fase de austenita, en consonancia con el grado del acero inoxidable.
- Las precipitaciones de fases sigma están distribuidas de manera homogénea en el núcleo de la muestra. En la superficie, estos precipitados se localizan en los límites de grano.
Medición de dureza
Las mediciones de dureza se realizaron sobre la preparación metalográfica observada anteriormente. Se observa que hay diferencias en los valores de dureza según las zonas de la muestra. La dureza en superficie es más alta que la dureza en el núcleo. Por otra parte, la dureza en el núcleo está por debajo de los valores teóricos esperados para este grado (158HV en lugar de 160 – 225HV).
Los resultados obtenidos
Los análisis realizados en este estudio han conducido a la siguiente información:
Análisis fractográficos:
La mayoría de las dos superficies de fractura están recubiertas de corrosión. Además, están compuestas mayoritariamente de oxígeno, cromo, níquel y hierro. Se han identificado cupulillas, que pueden corresponder a una zona de fin de arrancamiento durante la rotura de la pieza.
Balance del estado del material:
Los resultados de los análisis químicos cumplen las especificaciones del grado X6CrNi25-20 (1.4951) según la norma NF EN 10088-1.
Los análisis micrográficos han permitido obtener la siguiente información:
En superficie, se observan porosidades de gran tamaño y una gruesa capa de corrosión.
Las precipitaciones de fases sigma están distribuidas de manera homogénea en el núcleo de la muestra. En superficie, estos precipitados se localizan en los límites de grano.
Conclusión del estudio
En conclusión, el estudio realizado por FILAB reveló que el anclaje metálico en cuestión sufrió una degradación significativa de sus propiedades mecánicas debido a la exposición prolongada a altas temperaturas (horno de producción). Esta exposición provocó cambios en la microestructura del acero, en particular por la migración de la fase sigma a los límites de grano, lo que redujo su resistencia y aumentó su fragilidad. El fenómeno de fluencia en caliente, caracterizado por una deformación progresiva bajo el efecto de una tensión constante a alta temperatura, acabó conduciendo a la rotura del anclaje.
Este análisis en profundidad pone de relieve la importancia de tener en cuenta las condiciones de uso extremas en el diseño y la selección de materiales para aplicaciones críticas.
Así, el cliente está en condiciones de encontrar soluciones para evitar que esto vuelva a ocurrir, con el fin de mejorar la durabilidad de sus instalaciones y reforzar la seguridad y la fiabilidad de su entorno.
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Preguntas frecuentes
¿Cómo investigar la causa de la rotura de un anclaje metálico utilizado en un horno?
La investigación combina el examen de las superficies de rotura con la evaluación del estado del material. Para este anclaje de acero inoxidable, FILAB realizó observaciones con lupa binocular y MEB-EDX, análisis químicos, un estudio micrográfico y mediciones de dureza. Los resultados se interpretaron teniendo en cuenta la exposición prolongada a altas temperaturas.
¿Qué aporta el análisis de la superficie de fractura de un anclaje de acero inoxidable?
La superficie de fractura conserva indicios sobre el modo de fallo. En este estudio, las observaciones revelaron una corrosión importante, hoyuelos localizados y zonas con un carácter intergranular frágil. Estos indicios orientaron la investigación, pero, dado que la corrosión cubría gran parte de las superficies, era necesario completarlos con un estudio del material.
¿Puede fragilizarse en servicio un acero que cumple con la composición química?
Una composición química conforme no garantiza que el material conserve todas sus propiedades después de su exposición en servicio. En este estudio, los análisis eran coherentes con el grado X6CrNi25-20, mientras que la microestructura presentaba precipitados de fase sigma y una degradación superficial. Por tanto, el estado metalúrgico debe examinarse como complemento de la composición.
¿Por qué buscar la fase sigma en un acero inoxidable expuesto a altas temperaturas?
La presencia y la distribución de la fase sigma pueden contribuir a explicar la fragilización de un acero inoxidable expuesto a altas temperaturas. En este anclaje, se observaron precipitados en el núcleo y en los límites de grano de la superficie. Su identificación, junto con los demás resultados, ayudó a FILAB a comprender la degradación del material.
¿Cómo orientan los resultados de esta peritación la prevención de nuevas roturas?
La peritación relacionó el fallo con la degradación del material bajo una exposición térmica prolongada, y el estudio retuvo un mecanismo de fluencia. Estas conclusiones ayudan a reevaluar la elección de la aleación, las tensiones aplicadas, la temperatura y los tiempos de servicio. Las medidas correctivas deben adaptarse a las condiciones reales de funcionamiento del horno.