Un cliente nos presentó cuatro muestras de rieles ferroviarios, dos de ellas con grietas y fragmentación de material cerca de zonas soldadas. Para investigar el origen de la falla, realizamos diferentes ensayos que revelaron condiciones que requerían una investigación más profunda. Descubre qué encontramos y cómo logramos identificar los factores detrás de la falla.
El cliente dejó cuatro muestras tipo viga, con el objetivo de determinar el mecanismo que estaba provocando una falla.
Dos de las muestras presentaban un defecto visible en la cabeza del riel conocido como “hongo”, caracterizado por agrietamiento y fragmentación del material. Además, las zonas afectadas se encontraban cerca de áreas de soldadura.
El cliente también compartió un dato importante: este tipo de defecto se había presentado principalmente en las curvas de la vía férrea.
El defecto
Agrietamiento y fragmentación en la cabeza del riel (“hongo”).
La ubicación
Zonas afectadas cerca de áreas de soldadura.
El dato del cliente
El defecto se presentaba principalmente en las curvas de la vía.
¿Por qué era relevante?
Porque en una curva cambian las condiciones de contacto y los esfuerzos a los que está sometido el riel durante el paso del tren. Si además existe una zona soldada cercana, resulta importante estudiar si las características del material y los cambios generados durante la soldadura pudieron contribuir a la falla.
Con esta información comenzó la investigación.
La investigación, paso a paso
Cada resultado dio una pista y abrió la siguiente pregunta.
Primero: entender qué estábamos viendo
Antes de cortar una muestra o llevarla a un equipo, comenzamos por lo más básico: observar y documentar el daño.
Durante la inspección visual se identificaron zonas con fragmentación de material, agrietamiento y presencia de oxidación en la cabeza de los rieles.
Espacio para imagenInspección visual #3
Inspección visual #3. Se aprecia un material fragmentado en área de hongo, señalado con azul.
Posteriormente se realizó una inspección mediante partículas magnéticas, una técnica utilizada para detectar discontinuidades superficiales y cercanas a la superficie en materiales ferromagnéticos, como ciertos aceros.
Esto nos permitió conocer mejor la extensión de las indicaciones presentes.
Pero encontrar una grieta no significa haber encontrado su causa.
Paso 2 · Análisis químico
¿Por qué es importante analizar la composición del material?
El comportamiento del acero depende de qué elementos contiene y en qué concentraciones se encuentran. Variaciones en su composición pueden modificar propiedades como resistencia, dureza, ductilidad y comportamiento frente a determinados mecanismos de falla.
Por eso realizamos un análisis químico y comparamos los resultados con los requerimientos aplicables de la norma EN 13674-1:2017.
También analizamos oxígeno, nitrógeno e hidrógeno en una muestra tomada directamente de la zona del defecto.
Aquí aparece otro hallazgo. Se detectaron niveles elevados de oxígeno, relacionados con la oxidación presente en la muestra, así como un contenido elevado de hidrógeno.
Carbono fuera de especificaciónOxígeno elevadoHidrógeno elevado
¿Por qué nos interesa el hidrógeno?
Porque, bajo determinadas condiciones, su presencia en el acero puede favorecer fenómenos de fragilización, reduciendo la capacidad del material para deformarse antes de que una grieta se inicie o se propague.
Pero necesitábamos comprobar cómo se estaba comportando mecánicamente ese material.
Paso 3 · Pruebas mecánicas
¿El riel seguía siendo mecánicamente resistente?
Realizamos diferentes pruebas mecánicas. Una de ellas fue el ensayo de tensión, que permite conocer cómo responde un material cuando es sometido a una carga que intenta estirarlo.
Los resultados mostraron propiedades mecánicas altas y valores dentro de la especificación evaluada.
Entonces, ¿el material estaba bien? No necesariamente.
Y aquí está una de las partes más interesantes de este caso: un material puede cumplir satisfactoriamente en una propiedad y presentar un comportamiento muy diferente en otra.
Por eso también realizamos pruebas de impacto Charpy. A diferencia del ensayo de tensión, esta prueba ayuda a evaluar cuánta energía puede absorber un material ante un impacto antes de fracturarse.
Ensayo de tensión
Propiedades mecánicas altas y valores dentro de la especificación evaluada.
Impacto Charpy
Baja absorción de energía a diferentes temperaturas: comportamiento frágil.
Los especímenes fueron evaluados a diferentes temperaturas y mostraron una baja absorción de energía, lo que evidenció un comportamiento frágil.
En otras palabras: el material podría presentar una resistencia a tensión dentro de los valores esperados, pero tenía una capacidad limitada para absorber energía antes de fracturarse.
Espacio para imagenPruebas mecánicas (tensión / Charpy)
Agrega aquí la descripción.
Y eso comenzaba a explicar mejor las grietas y la fragmentación observadas.
Paso 4 · Soldadura y dureza
La soldadura también tenía algo que contarnos
Recordemos un detalle del inicio: las fallas se encontraban cerca de zonas soldadas.
Cuando se realiza una soldadura, no solamente cambia el material que se funde para formar la unión. El calor también afecta al material que se encuentra alrededor. A esta región se le conoce como Zona Afectada por el Calor o ZAC.
Por esta razón realizamos mediciones de dureza Rockwell desde la soldadura, pasando por la ZAC, hasta llegar al material base.
Los valores se encontraron dentro de especificación; sin embargo, su distribución permitió estudiar las diferencias entre las distintas regiones del riel.
Dureza dentro de especificación
La dureza era otra pieza del rompecabezas, pero todavía necesitábamos mirar mucho más de cerca.
Paso 5 · Metalografía
¿Qué estaba ocurriendo dentro del material?
Para investigarlo realizamos un análisis metalográfico.
La metalografía permite preparar una sección del material y observar su microestructura bajo el microscopio. Es una herramienta especialmente importante en un análisis de falla porque permite relacionar aquello que vemos externamente como una grieta con lo que está ocurriendo internamente.
En las muestras del riel encontramos grietas asociadas con la presencia de carburos, además de glóbulos y productos de oxidación.
Espacio para imagenMetalografía #1
Metalografía #1. 50X, se aprecian grietas con presencia de carburos y glóbulos de óxido.
Espacio para imagenMetalografía #3
Metalografía #3. 100X, se aprecian grietas con presencia de carburos y glóbulos de óxido.
Espacio para imagenMetalografía #7
Metalografía #7. 100X, ataque #74 según ASTM E 407, se aprecian grietas con presencia de carburos.
Esto era relevante porque ciertas concentraciones o distribuciones de estos constituyentes pueden generar regiones con un comportamiento diferente al resto de la microestructura y favorecer condiciones de mayor fragilidad.
Paso 6 · SEM/EDS
Del microscopio al SEM: identificando qué había alrededor de las grietas
El siguiente paso fue utilizar microscopía electrónica de barrido (SEM) con análisis EDS.
¿Para qué? Mientras la metalografía nos permite estudiar la microestructura, el SEM permite observar determinadas características con mucho mayor detalle y el EDS ayuda a identificar qué elementos químicos están presentes en zonas específicas. Así pudimos analizar directamente las áreas cercanas al defecto.
Los diferentes análisis revelaron regiones con altas concentraciones de carbono y oxígeno, así como precipitados ricos en carbono y nitrógeno, asociados con la presencia de carbonitruros.
Espacio para imagenEDS #14
EDS #14. Realizado en muestra metalográfica, se aprecia alto contenido de C y presencia de inclusiones no metálicas tipo sulfuros.
También se identificaron carburos y, en algunas regiones, inclusiones no metálicas tipo sulfuro.
Los mapeos elementales fueron especialmente útiles porque permiten visualizar dónde se concentraban determinados elementos dentro de la zona estudiada. Al observar la morfología del material también encontramos grietas relacionadas con regiones donde existían estos constituyentes.
Entonces, ¿qué provocó la falla?
Una de las principales conclusiones de este estudio fue que no existía un único factor responsable. La falla fue resultado de diferentes condiciones que estaban interactuando entre sí.
Microestructura susceptible
Carburos y carbonitruros en la microestructura, asociados con regiones susceptibles a un comportamiento más frágil.
Hidrógeno elevado
Un contenido elevado de hidrógeno, otro factor que puede contribuir a la fragilización del acero.
Efectos térmicos de la soldadura
Los efectos térmicos en la Zona Afectada por el Calor, una de las regiones cercanas a donde se presentaban los defectos.
Esfuerzos en servicio
Según el cliente, las fallas aparecían principalmente en las curvas, donde el riel está sometido a condiciones particulares de esfuerzo.
La prueba Charpy terminó de conectar parte de esta evidencia al demostrar que el material presentaba una baja capacidad de absorción de energía antes de fracturarse.
Así, el análisis permitió relacionar la falla con la combinación de varios factores:
Microestructura susceptible+Efectos térmicos de la soldadura+Contenido elevado de hidrógeno+Esfuerzos durante el servicio
Esta interacción favoreció las condiciones para que se desarrollaran grietas y posteriormente fragmentación del material, particularmente en las regiones cercanas a la soldadura y sometidas a mayores esfuerzos.
Una falla visible puede tener un origen microscópico
Encontrar una grieta no es lo mismo que entender una falla.
Solo con inspección visual
Sabríamos dónde estaba el daño.
Solo con la prueba de tensión
Habríamos encontrado propiedades mecánicas dentro de la especificación.
Pero al integrar inspección, análisis químico, pruebas mecánicas, dureza, metalografía y SEM/EDS, fue posible construir una explicación mucho más completa sobre lo que estaba sucediendo en el material.
Eso es precisamente lo que busca un análisis de falla: reunir evidencia para comprender qué ocurrió, qué factores participaron y cómo se relacionan entre sí.
En Metalinspec Laboratorios combinamos diferentes técnicas de caracterización y ensayo para investigar las fallas desde distintas perspectivas y ayudar a nuestros clientes a tomar decisiones respaldadas por evidencia.
¿Tienes una pieza que presentó una falla?
Cuéntanos tu caso y definimos qué análisis pueden ayudarnos a entender qué ocurrió.
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