Acero, ciencia y naufragios: La investigación de Constance Tipper y la importancia de la microestructura del acero
Acero,
ciencia y naufragios: La investigación de Constance Tipper y la importancia
de la microestructura del acero
Durante su periodo de operación, se reportaron más de 1 000 incidentes de grietas en estos buques, atribuidos a factores tales como el uso de acero con baja tenacidad a bajas temperaturas, soldaduras con defectos y concentradores de tensión en el diseño. Al menos 19 barcos Liberty se partieron en dos sin previo aviso, incluso en condiciones normales de operación. El análisis de las fallas impulsó importantes avances en la comprensión de la fractura frágil y de la mecánica de fractura moderna.
Figura 1. Buque que se fracturo mientras estaba en el
puerto, Fuente The brittle fracture story, por Constance Tipper
Este fenómeno planteó una pregunta crucial para la ingeniería del siglo
XX: ¿por qué colapsaban embarcaciones aparentemente bien diseñadas? La
respuesta no fue inmediata. Requirió el trabajo riguroso de científicos e
ingenieros, entre ellos la metalúrgica británica Constance Tipper, quien
desafió paradigmas al demostrar que el problema no era únicamente de diseño o
fabricación, sino una transición frágil del acero inducida por bajas
temperaturas.
En este blog exploraremos cómo estos eventos marcaron un parteaguas
en el análisis de falla, cómo el caso de los buques Liberty impulsó mejoras
en los estudios de materiales y qué lecciones siguen vigentes hoy en día, en
una era donde confiamos más que nunca en las estructuras metálicas que nos
rodean.
Cuando comenzaron las investigaciones sobre por qué los barcos de la
clase Liberty se partían en dos sin una causa aparente, una de las teorías que
cobró mayor fuerza fue la relacionada con el proceso de soldadura. Esto se
debía a que las fallas más catastróficas ocurrieron en embarcaciones con
uniones soldadas, mientras que aquellas con uniones remachadas no presentaban
el mismo tipo de fallas.
Constance Tipper no estaba convencida que la soldadura fuera la
principal responsable. Su experiencia en la deformación plástica de aleaciones
le indicaba que había un defecto en el acero que, en lugar de mostrar un
comportamiento dúctil como era esperado, presentaba un comportamiento frágil.
Esto conduce a un tema sumamente interesante: la transición del
comportamiento dúctil al frágil en el acero
¿Qué es lo que ocurre en la transición dúctil-frágil del acero?, la mayoría de los metales experimentan una transición
de comportamiento dúctil a frágil conforme baja la temperatura. Cuando la
temperatura es baja, se inhibe el movimiento de dislocación dependiente de la
temperatura, lo que hace que los materiales metálicos sean más susceptibles a
la fractura frágil.
Tipper estaba convencida que la facilidad con la que los sistemas de
deslizamiento se activaban en un metal estaba en función de los elementos de
aleación y, en particular, de la temperatura. Su hipótesis consideraba que la
movilidad de las dislocaciones era inversamente proporcional a la temperatura
del metal durante el impacto: a menor temperatura, la movilidad se reducía y
eso llevaba al material a fallar como un vidrio o un material cerámico y no
como un metal.
Tipper se dio a la tarea de establecer un método de prueba en el cual se
realizarían impactos a probetas del acero en cuestión a temperaturas cada vez
más bajas. El resultado fue que la energía necesaria para que el acero se
fracturara disminuía drásticamente a medida que se reducía la temperatura. Con
estas pruebas demostró que el acero dejaba de deformarse plásticamente a una
temperatura mucho más alta que la esperada. A este fenómeno se le llama
transición dúctil-frágil y a la prueba se le sigue conociendo como la prueba
Tipper hasta la fecha.
Tipper también realizó estudios que demostraron cómo los elementos
aleantes presentes en los aceros influyen de manera directa en su
comportamiento mecánico, así como el efecto que tiene la cantidad de cada uno
de ellos. Un ejemplo destacado de sus investigaciones fue la identificación de
una composición inadecuada, con un alto contenido de fósforo y azufre, la cual
provocó numerosas grietas y una fractura originada en una soldadura.
El legado de Constance Tipper perdura hasta nuestros días, especialmente
a través de la prueba que lleva su nombre para determinar la transición
dúctil-frágil en los materiales. Además, sus investigaciones dejaron enseñanzas
sobre la importancia de estudiar y comprender la microestructura del acero, la
cual es una herramienta fundamental para predecir el comportamiento del acero
durante su vida útil. También subrayó la necesidad de analizar la composición
química de los aceros, identificando la presencia de elementos aleantes que
pueden resultar beneficiosos o perjudiciales, así como la importancia de
controlar sus concentraciones dentro de ciertos rangos.
A continuación, se presentan algunas de las características más
relevantes que pueden identificarse mediante el estudio de la microestructura,
y que tienen un impacto crucial en las propiedades mecánicas de los materiales.
Actualmente, es fundamental controlar en el acero las siguientes
características:
Tamaño de grano:
Aceros con granos más finos tienden a tener una temperatura de transición
dúctil-frágil más baja, lo que significa que son más resistentes a la fractura
frágil a temperaturas bajas. Esto se debe a que los granos más pequeños
dificultan la propagación de grietas.
Figura 2. Microestructura de un acero bajo carbono en
donde se observan granos finos de ferrita, fuente: Micrografía elaborada por el
autor
Fases presentes:
La presencia de ciertas fases, como carburos gruesos, puede favorecer la
fractura frágil, mientras que fases más finas o bien distribuidas pueden
mejorar la ductilidad y tenacidad. Por ejemplo, la bainita inferior suele
presentar mayor resistencia a la fractura frágil que la perlita y la bainita
superior. En cuanto a la martensita, si bien es una fase muy resistente, puede
ser propensa a la fractura frágil si no se somete a un tratamiento térmico
adecuado, como el revenido.
Figura 3. Microestructura de un acero medio carbono en
donde se observan granos de perlita rodeados de ferrita, fuente: Micrografía
elaborada por el autor
Inclusiones y segregaciones:
Las inclusiones y las segregaciones pueden actuar como sitios de
nucleación de grietas, iniciando la fractura frágil. La distribución
uniforme de estos defectos es deseable para evitar concentraciones locales que
puedan llevar a fallas.
Figura 4. Microestructura de un acero con inclusiones
de sulfuro de manganeso (MnS), fuente: Micrografía elaborada por el autor
Elementos de aleación:
Los elementos de aleación pueden afectar a la temperatura de transición dúctil-frágil
de diversas maneras. Algunos elementos pueden fortalecer la matriz del
acero, aumentando la resistencia a la fractura, mientras que otros pueden
promover la formación de fases que favorecen la fragilidad.
Estas características se pueden observar con un análisis metalográfico
mediante el cual podemos analizar todas las características estructurales y
constitutivas de un material.
Nota cultural: Constance
nació con el apellido Elam en New Barnet, Herfortshire, Reino Unido, el 6 de
febrero de 1894. Estudió ingeniería en el Newnham College de Cambridge.
Figura
5. Constance Tipper, fuente Institution of Engineering and Technology (IET)
Archives. Originally
published in The Woman Engineer, 1957.
En 1928 se casó con George Howlett Tipper, adoptando su apellido y volvió al Newnham College. En 1935 escribió Distortion of Metal Crystals (La distorsión de cristales metálicos) firmado con su nombre de soltera, que pasó a ser uno de los libros más referenciados de la materia en el momento.
A Constance se la recuerda hoy en día por ser quien resolvió el misterio de los buques Liberty contribuyendo a los esfuerzos bélicos de los aliados, aunque su fructífera carrera no se limitó a este logro. En 1962, publicó su libro The Brittle Fracture Story (La historia de la fractura frágil) basado en su trabajo en época de guerra y que fue el culmen de su carrera.
Autores CIATEQ Hidalgo:
§ Ing. Ingrid Shesell Cerón Jiménez. Laboratorio de servicios.
§ Ing. Alberto Ramírez Castellanos. Laboratorio de servicios.
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