Fractura dúctil y fractura frágil.

Fractura dúctil y fractura frágil: Dos fenómenos que marcan la resistencia de los materiales

En ciencia de materiales, la fractura es la separación o fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo la acción de una tensión. Se puede suponer que el proceso de fractura consta de dos componentes: inicio de grieta y propagación de grieta. Según el comportamiento deformación-fractura de los metales, existen dos tipos de fracturas en los metales: fracturas dúctiles y fracturas frágiles. Analicémoslos con más detalle.

Como ya hemos mencionado, dependiendo del comportamiento deformación-fractura de los metales, existen dos tipos de fracturas en los metales: fracturas dúctiles y fracturas frágiles. En el artículo anterior hablamos de muchos otros tipos de fracturas en metales. Pero estas dos fracturas dúctiles y fracturas frágiles forman la clasificación amplia de fracturas. A veces, la fractura puede ser una combinación de fractura dúctil y frágil.

fractura dúctil

Una fractura dúctil de un metal ocurre después de una deformación plástica severa.

Por simplicidad, consideramos la fractura dúctil de una muestra redonda en tensión. Si se aplica una carga a la muestra que excede su resistencia máxima a la tracción y se mantiene el tiempo suficiente, la muestra se fracturará.

En la siguiente representación esquemática de un astronauta dúctil, se pueden ver tres etapas diferentes de fractura dúctil.

1. La muestra forma un cuello y se forman cavidades en la zona del cuello (constricción).
2. Los huecos en el cuello se fusionan para formar una grieta en el centro de la muestra y se propagan en una dirección perpendicular a la tensión aplicada a la superficie de la muestra (inicio y propagación de la grieta).
3. A medida que la grieta se acerca a la superficie, la dirección de la grieta cambia a 45 ° con respecto al eje de tracción y se produce una fractura de cono de copa (fractura).

En la práctica, las fracturas dúctiles son menos comunes que las fracturas frágiles. La principal causa de fractura dúctil es la sobrecarga del componente. La sobrecarga puede ocurrir por las siguientes razones.

(a) Diseño inadecuado, incluida la selección de materiales (en el diseño)
(b) Fabricación inadecuada
(c) el componente se utiliza con cargas superiores a las permitidas por el diseñador

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de falla dúctil. Esta ilustración muestra el eje de transmisión de un vehículo todoterreno que ha sido sometido a una importante torsión del plástico. Es claramente visible en las marcas de torsión en el eje causadas por la torsión aplicada. Como se mencionó anteriormente, el motivo del error puede ser cualquiera de los motivos mencionados anteriormente.

Según el análisis de ingeniería, la causa de esta falla se atribuyó a una carga excesiva en el eje de transmisión que estaba por encima del límite de diseño permitido por el ingeniero.

fractura por fragilidad

Muchos metales y aleaciones se rompen frágilmente con muy poca deformación plástica.

El ejemplo anterior muestra una muestra de tracción que fracasó. La comparación de esta figura con la fractura dúctil anterior muestra las diferencias drásticas en el grado de deformación antes de la fractura entre fracturas dúctiles y frágiles.

La fractura frágil generalmente se produce a lo largo de planos cristalográficos específicos llamados planos de escisión bajo una tensión perpendicular al plano de escisión.

Muchos metales con estructura cristalina HCP a menudo presentan una fractura frágil debido a su número limitado de planos de deslizamiento.

Por ejemplo, un monocristal de zinc se rompe bajo una tensión elevada perpendicular a los planos (0001). Muchos metales BCC, como el hierro, el molibdeno y el tungsteno, también se rompen frágilmente a bajas temperaturas y altas velocidades de formación.

La mayoría de las fracturas frágiles en metales policristalinos son transgranulares, lo que significa que las grietas se propagan a través de la matriz del grano. Sin embargo, la fractura frágil puede ocurrir intergranularmente cuando los límites de grano contienen una película frágil o cuando la región del límite de grano es frágil debido a la segregación de elementos dañinos.

Se cree que la fractura frágil de los metales ocurre en tres fases:

1. Durante la deformación plástica, las dislocaciones se concentran a lo largo de los planos de deslizamiento en los obstáculos.
2. En los lugares donde se bloquean las dislocaciones, se acumulan tensiones cortantes que conducen a la formación de microfisuras.
3. Una mayor tensión hace que las microfisuras se propaguen, y la energía de deformación elástica almacenada también puede contribuir a la propagación de las grietas.

Causas de las fracturas frágiles.

• En muchos casos, las fracturas frágiles se producen debido a defectos en el metal. Estos defectos surgen durante la fase de fabricación o se desarrollan durante la operación.
• Las operaciones de fabricación como forjado, laminado, extrusión y fundición pueden producir defectos indeseables como arrugas, grandes inclusiones, flujo de grano indeseable, microestructura deficiente, porosidad, grietas y fisuras.
• Las grietas por fatiga, la fragilidad causada por el hidrógeno atómico y los daños por corrosión conducen a menudo a una fractura frágil final.
• Cuando se produce una fractura frágil, siempre comienza en el lugar del defecto (excitador de tensión), independientemente de la causa del defecto.
• Ciertos defectos, bajas temperaturas de funcionamiento o altas tasas de carga también pueden causar fracturas frágiles de algunos materiales moderadamente dúctiles.
• La transición del comportamiento dúctil al frágil se denomina transición dúctil-frágil (DBT). Por lo tanto, los materiales normalmente dúctiles pueden fracturarse frágilmente en determinadas circunstancias.
• La siguiente imagen muestra la fractura frágil de un eje debido a la presencia de una esquina afilada como defecto. Observe el patrón de chevron que apunta hacia el origen de la fractura.

Temperatura de transición de dúctil a frágil (DBT)

Como se mencionó anteriormente, bajo ciertas condiciones, se observa un cambio significativo en la resistencia a la fractura, llamado transición de dúctil a frágil, para algunos metales en servicio. Las bajas temperaturas, los altos estados de tensión y las rápidas velocidades de carga pueden hacer que un material dúctil se comporte de forma frágil.

• Sin embargo, normalmente se elige la temperatura como la variable que representa esta transición manteniendo constantes la tasa de deformación y la tasa de tensión.
• El equipo de prueba de impacto discutido en el artículo anterior se puede utilizar para determinar el rango de temperatura para la transición del comportamiento dúctil al frágil de los materiales.
• La temperatura de la muestra Charpy se puede ajustar mediante dispositivos de horno y frigorífico.
• Aunque algunos metales tienen una temperatura DBT distinta, para muchos esta transición ocurre en un rango de temperaturas. Esto se muestra en el siguiente gráfico.

• El gráfico anterior muestra que los metales FCC no están sujetos a DBT y, por lo tanto, son adecuados para su uso a bajas temperaturas.
• Los factores que afectan la temperatura del DBT incluyen la composición de la aleación, el tratamiento térmico y el procesamiento.
• Por ejemplo, el contenido de carbono de los aceros recocidos influye en este rango de temperatura de transición. Esto se muestra en el siguiente gráfico.

• Los aceros recocidos con bajo contenido de carbono tienen un rango de transición de temperatura más bajo y estrecho que los aceros con alto contenido de carbono.
• Además, a medida que aumenta el contenido de carbono de los aceros recocidos, los aceros se vuelven más frágiles y se absorbe menos energía tras el impacto durante la fractura.

La transición de dúctil a frágil es una consideración importante en la selección de materiales para componentes que operan en ambientes fríos. Por ejemplo, los barcos que operan en aguas frías y las plataformas marinas ubicadas en los mares árticos son particularmente vulnerables a la DBT. Para tales aplicaciones, los materiales seleccionados deben tener una temperatura DBT muy por debajo de la temperatura de funcionamiento o de servicio.

Diploma

Entendimos que la fractura dúctil se produce principalmente por sobrecarga del componente y es menos común que las fracturas frágiles. Las fracturas frágiles ocurren principalmente debido a defectos en el metal debido al proceso de formación o fabricación del material. Y esta fractura frágil es más común que la fractura dúctil. A veces también son posibles fracturas combinadas. Y uno de los aspectos más importantes es la temperatura de transición de ductilidad a fragilidad de los metales, que provoca una fractura frágil. Debemos evitar a toda costa las fracturas frágiles. Háganos saber lo que piensa sobre este tema en la sección de comentarios a continuación.

Tipos de Fractura en Metales: Fractura dúctil y fractura frágil

En la ciencia de los materiales, la fractura es la separación o fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo la acción de una fuerza. El proceso de fractura se puede considerar como compuesto por dos componentes: iniciación de la fisura y propagación de la fisura. Según el comportamiento del material a la fractura, existen dos tipos principales de fractura en metales: fractura dúctil y fractura frágil. En este artículo, vamos a discutir más en detalle sobre estos dos tipos de fractura.

Fractura Dúctil

La fractura dúctil en un metal ocurre después de una deformación plástica extensiva. Por ejemplo, consideremos una fractura dúctil de un espécimen redondo sometido a una tensión. Si se aplica una tensión al espécimen que excede su resistencia última a la tracción y se mantiene durante el tiempo suficiente, el espécimen se fracturará. Se pueden distinguir tres etapas distintas en la fractura dúctil:

1. El espécimen forma un estrechamiento y se forman cavidades dentro de la región estrechada (estrangulamiento).
2. Las cavidades en el estrechamiento se fusionan en una fisura en el centro del espécimen y se propagan hacia la superficie del metal en dirección perpendicular a la tensión aplicada (iniciación y propagación de la fisura).
3. Cuando la fisura se acerca a la superficie, su dirección cambia a 45° respecto al eje de tracción y se produce una fractura en forma de copa y cono.

En la práctica, las fracturas dúctiles son menos frecuentes que las fracturas frágiles. La principal causa de la fractura dúctil es la sobrecarga del componente debido a un diseño inadecuado, una fabricación incorrecta o un uso a niveles de carga superiores a los permitidos por el diseñador.

Un ejemplo de una fractura dúctil es la falla del eje de transmisión de un vehículo todoterreno. En este caso, se puede observar torsión plástica en el eje debido a una torsión aplicada excesiva. La causa de esta falla se atribuye a una carga superior a la capacidad de diseño permitida por el ingeniero.

Fractura Frágil

Muchos metales y aleaciones se fracturan de manera frágil, con muy poca deformación plástica. La fractura frágil generalmente se produce a lo largo de planos cristalográficos específicos llamados planos de clivaje bajo una tensión normal al plano de clivaje.

La mayoría de las fracturas frágiles en metales policristalinos son transgranulares, es decir, las fisuras se propagan a través de la matriz de los granos. Sin embargo, la fractura frágil también puede ocurrir de manera intergranular si los límites de los granos contienen una película frágil o si la región del límite de grano se ha vuelto quebradiza debido a la segregación de elementos perjudiciales.

Las causas de la fractura frágil pueden ser defectos existentes en el metal, como pliegues, inclusiones grandes, flujo de grano indeseable, mala microestructura, porosidad, rasgaduras y fisuras que se forman durante las operaciones de fabricación. Además, las grietas por fatiga, la fragilización debido al hidrógeno atómico y los daños por corrosión a menudo causan fracturas frágiles.

Temperatura de transición de dúctil a frágil (TTDF)

Bajo ciertas condiciones, algunos metales pueden experimentar una transición marcada en su resistencia a la fractura, conocida como transición de dúctil a frágil. Las bajas temperaturas, altas cargas de tensión y velocidades de carga rápida pueden hacer que un material dúctil se comporte de manera frágil.

La temperatura de transición de dúctil a frágil es un factor importante a tener en cuenta al seleccionar materiales para componentes que operan en ambientes fríos. Por ejemplo, los barcos que navegan en aguas frías y las plataformas en alta mar ubicadas en mares árticos son especialmente susceptibles a la transición de dúctil a frágil. Para estas aplicaciones, los materiales seleccionados deben tener una temperatura de transición de dúctil a frágil significativamente más baja que la temperatura de operación.

Conclusion

En resumen, existen dos tipos principales de fractura en metales: fractura dúctil y fractura frágil. La fractura dúctil ocurre debido a la sobrecarga del componente y es menos frecuente que la fractura frágil. La fractura frágil ocurre debido a defectos en el metal y es más frecuente que la fractura dúctil. La temperatura de transición de dúctil a frágil es un factor crucial a considerar en la selección de materiales para aplicaciones en ambientes fríos. Es importante prevenir las fracturas frágiles a toda costa para garantizar la integridad y seguridad de los componentes metálicos.

Si tienes alguna pregunta o comentario sobre estos temas, déjanos saber en la sección de comentarios a continuación.