ZEISS Xradia

La fractura es un mecanismo de falla de material prevalente que, aunque ocurre a escala microscópica, puede tener consecuencias macroscópicas catastróficas. Las fallas estructurales debidas a fracturas han provocado inmensos daños financieros, así como innumerables pérdidas de vidas humanas. A medida que se despliegan nuevos materiales en entornos que requieren mayor rendimiento, confiabilidad y vidas operativas, los intereses en comprender y eliminar las fracturas de los materiales de construcción ahora abarcan los sectores industrial, académico y político.

La mecánica de la fractura involucra dos etapas vitales: inicio de grieta y propagación. Tanto la etapa de iniciación como la de propagación son extremadamente sensibles no solo a la carga, sino también a la microestructura y al entorno. La iniciación depende en gran medida de las condiciones preexistentes, como vacíos, defectos cristalográficos, inclusiones y ubicaciones de daños que desempeñan un papel importante en las etapas iniciales de la formación de grietas. La propagación, de una manera relacionada, es sensible a todos los mismos parámetros que el inicio de la fisuración con la adición de la estructura del grano, las condiciones de contorno, la orientación de los planos cristalinos y las heterogeneidades microscópicas, como la dureza local y las variaciones de composición. 

Mediante el uso de la microscopía de rayos X, los investigadores ahora pueden observar y medir la verdadera naturaleza del inicio y la propagación de las grietas sin interrumpir la muestra. Los modelos de fracturas tradicionales implican múltiples suposiciones simplificadoras sobre la microestructura y la geometría 3D de las grietas. Como tal, a menudo es problemático correlacionar los resultados de dichos modelos con la mecánica de fractura real de especímenes del mundo real. La visualización in situ en 3D del proceso de fractura, incluida la observación de defectos locales y heterogeneidades antes del inicio de la fisura, el mapeo volumétrico de la fisura, así como el crecimiento y la fractura en sí, abren nuevas oportunidades para comprender y modelar la mecánica. de fractura.

Observar microcracks en 3D con técnicas tradicionales como la exploración con microscopio electrónico y la microscopía óptica es un desafío, ya que se limitan a estudios 2D de corte transversal de la grieta propagada como superficie expuesta. La estructura de la grieta revelada por estas técnicas puede ser engañosa porque la microestructura de la grieta se altera debido a la liberación de la carga aplicada a la muestra o al proceso de corte transversal en la preparación de la muestra. Superar las imprecisiones en la caracterización utilizando enfoques tradicionales se basa en
Estudios estadísticos del material, agregando nuevas variables experimentales y aumentando la complejidad del análisis de datos.

Xradia Versa entrega mediciones de subsuperficie 3D sobre la propagación de grietas reales dentro de la microestructura del material natural. La naturaleza no destructiva de la observación "in situ" de la mecánica de fractura lo hace excepcionalmente capaz de mapear con precisión la mecánica de la fractura en función de la carga aplicada (por ejemplo, en un dispositivo de carga de tracción, celdas dobladas de 3 y 4 puntos, o doble voladizo configuraciones de haz). Los microscopios de rayos X (XRM) de ZEISS permiten la caracterización directa de la geometría y la microestructura de la grieta, al mismo tiempo que observan el crecimiento de la grieta en la misma muestra en función de la carga.

En la Figura 1, se usó ZEISS Xradia Versa para analizar la fractura "in situ" de una barra de hierro (Fe) de 3 mm bajo carga. La muestra se colocó en un dispositivo de carga de tracción y se sometió a un esfuerzo máximo de 14 MPa aplicado durante 50.000 ciclos a una frecuencia de 20 Hz. Las imágenes con un tamaño de vóxel de 0,62 µm revelaron la punta de grieta hacia abajo en las características submicrónicas (Figura 2), que posteriormente se analizaron con el software de imágenes y análisis para una visualización precisa de la geometría de propagación precisa (Figura 1, derecha).

Conclusión