D33 Análisis de fractografía

Tópico

La fractografía estudia las marcas que deja una fractura sobre la superficie del material una vez ocurrida, y a partir de esas marcas hace posible reconstruir tanto el mecanismo por el que se propagó la grieta como las propiedades de fractura propias del material, sin necesidad de haber observado la fractura mientras ocurría.

Sobre la cutícula del exoesqueleto, esa fractura deja tres zonas bien diferenciadas que se suceden una tras otra a medida que la grieta avanza: cerca del origen de la grieta aparece una zona espejo, lisa y brillante, que corresponde a una propagación todavía estable; más lejos del origen aparece una zona de niebla, algo más rugosa, en la que la grieta empieza a bifurcarse en microgrietas secundarias; y más lejos todavía aparece una zona rugosa e irregular, conocida como zona de hackle, en la que la velocidad de avance tan alta de la grieta hace que la superficie de fractura quede mucho más irregular que en las zonas anteriores, correspondiendo ya a una propagación completamente inestable.

El tamaño de esa zona de niebla no es arbitrario: cuanto menor es la energía que hace falta invertir para fracturar el material, mayor resulta el radio de esa zona de niebla, una relación que hace que sea posible estimar la tenacidad a la fractura de la cutícula sin necesidad de preparar de antemano una probeta con una grieta inicial ya practicada, algo que sí exige el método clásico de Griffith e Irwin, que en cambio obtiene esa misma tenacidad a partir de la longitud que tenía la grieta justo en el instante de la fractura y de la tensión de tracción que se alcanzó en ese mismo instante.

Además de esa información sobre el tamaño de las zonas, la propia grieta que avanza por la cutícula tiene un límite físico de velocidad: no puede propagarse más rápido que, aproximadamente, el noventa y dos por ciento de la velocidad de las ondas de Rayleigh del material, esa misma velocidad que depende del módulo de cizalla y de la densidad del material por el que viaja la onda; en cuanto la grieta se acerca a ese límite de velocidad, el criterio de Yoffe hace que la grieta deje de avanzar en línea recta y se bifurque en dos ramas que se abren, cada una, con un ángulo de aproximadamente sesenta grados respecto a la dirección original de avance.

Esa bifurcación de la grieta no es un simple efecto secundario: hace que se tenga que invertir energía adicional en crear las dos nuevas superficies de fractura que se abren en cada rama, y esa disipación extra de energía es precisamente el mecanismo clave que usan los materiales biológicos, entre ellos la cutícula del insecto, para evitar que una grieta termine propagándose de forma catastrófica a través de toda la estructura.

En la cutícula laminada, que apila capas sucesivas con la orientación de sus fibras de quitina rotada de una lámina a la siguiente, las interfaces entre esas láminas actúan como auténticas trampas para la grieta: al llegar a una de esas interfaces, la grieta se ve obligada a cambiar de plano de propagación para poder seguir avanzando, y ese cambio de plano hace que haga falta invertir una energía adicional en cada interfaz, energía que se suma a la que ya exige simplemente crear la superficie de fractura.

Todas estas magnitudes de la fractura de la cutícula —la tenacidad, la rigidez del material y la energía que exige cada mecanismo de bifurcación o de arresto— quedan finalmente resumidas en un único índice de fragilidad, que combina la tenacidad y la rigidez del material en una sola escala de longitud característica: cuanto menor es ese índice de fragilidad, más frágil resulta el material, y este índice hace que sea posible situar a la cutícula del exoesqueleto, según la región y el tipo de fractura que se esté analizando, en algún punto concreto de la transición entre un comportamiento frágil y uno dúctil.

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