Algunas de las propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material, la forma en que los átomos, iones o moléculas están dispuestos espacialmente.
En general, los sólidos se caracterizan por su rigidez estructural y resistencia a cambios de forma o volumen. A diferencia de un líquido, un objeto sólido no fluye para tomar la forma de su recipiente, ni se expande para llenar todo el volumen disponible como lo hace un gas. Los sólidos tienen mayores atracciones interatómicas que los líquidos y los gases. Sin embargo, existen amplias variaciones en las propiedades de los materiales sólidos utilizados con fines de ingeniería. Las propiedades de los materiales dependen de sus enlaces interatómicos . Estos mismos enlaces también dictan el espacio entre la configuración de los átomos en los sólidos. Todos los sólidos se pueden clasificar como:
Sólidos amorfos . Los materiales amorfos, o sólidos no cristalinos, no tienen una disposición regular de sus moléculas y carecen del orden de largo alcance que es característico de los sólidos cristalinos. Los materiales amorfos tienen las propiedades de los sólidos, también se caracterizan por su rigidez estructural y resistencia a los cambios de forma o volumen. Tienen forma y volumen definidos y se difunden lentamente. Los materiales como el vidrio y la parafina se consideran amorfos. Estos materiales también carecen de puntos de fusión claramente definidos. En muchos aspectos, se parecen a los líquidos que fluyen muy lentamente a temperatura ambiente.
Sólidos cristalinos . Los átomos de un sólido cristalino están estrechamente unidos entre sí, ya sea en una red geométrica regular (sólidos cristalinos, que incluyen metales y hielo ordinario).
Cristal de pirita hermanado
Un material cristalino es aquel en el que los átomos están situados en una matriz periódica o repetida sobre grandes distancias atómicas, es decir, existe un orden de largo alcance, de modo que al solidificarse, los átomos se posicionarán en un patrón tridimensional repetitivo, en que cada átomo está unido a sus átomos vecinos más cercanos. No todos los sólidos son monocristales. Por ejemplo, cuando el agua líquida comienza a congelarse, el cambio de fase comienza con pequeños cristales de hielo que crecen hasta fusionarse, formando una estructura policristalina. En el bloque final de hielo, cada uno de los pequeños cristales (llamados » granos «) es un verdadero cristal con una disposición periódica de átomos, pero todo el policristal no tiene una disposición periódica de átomos, porque el patrón periódico se rompe en ellímites de grano .
Red cristalina
Algunas de las propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material, la forma en que los átomos, iones o moléculas están dispuestos espacialmente. Una red de cristal es un patrón repetitivo de puntos matemáticos que se extiende por todo el espacio. Las fuerzas de los enlaces químicos provocan esta repetición. Es este patrón repetido el que controla propiedades como resistencia , ductilidad , densidad , conductividad (propiedad de conducir o transmitir calor, electricidad, etc.) y forma . Hay 14 tipos generales de patrones conocidos como celosías de Bravais .
Se encuentran tres estructuras cristalinas relativamente simples para la mayoría de los metales comunes:
Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Cúbico centrado en el cuerpo – bcc. En una disposición de átomos bcc (BCC), la celda unitaria consta de ocho átomos en las esquinas de un cubo y un átomo en el centro del cuerpo del cubo. En una disposición bcc, una celda unitaria contiene (8 átomos de esquina × ⅛) + (1 átomo central × 1) = 2 átomos. El empaque es más eficiente (68%) que el cúbico simple y la estructura es común para metales alcalinos y metales de transición tempranos. Los metales que contienen estructuras de BCC incluyen ferrita, cromo, vanadio, molibdeno y tungsteno. Estos metales poseen alta resistencia y baja ductilidad.
Cúbico centrado en la cara – fcc. En una disposición de átomos fcc (FCC), la celda unitaria consta de ocho átomos en las esquinas de un cubo y un átomo en el centro de cada una de las caras del cubo. En una disposición fcc, una celda unitaria contiene (8 átomos de esquina × ⅛) + (6 átomos de cara × ½) = 4 átomos. Esta estructura, junto con su pariente hexagonal (hcp), tiene el empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras de FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio. Estos metales poseen baja resistencia y alta ductilidad.
Hexagonal compacto – hcp. En una disposición de átomos hcp (HCP), la celda unitaria consta de tres capas de átomos. Las capas superior e inferior contienen seis átomos en las esquinas de un hexágono y un átomo en el centro de cada hexágono. La capa intermedia contiene tres átomos ubicados entre los átomos de las capas superior e inferior, de ahí el nombre de empaquetado compacto. El empaquetamiento cerrado hexagonal (hcp) es uno de los dos tipos simples de empaquetamiento atómico con la densidad más alta, siendo el otro el cúbico centrado en la cara (fcc). Sin embargo, a diferencia de la fcc, no es una celosía de Bravais, ya que hay dos conjuntos de puntos de celosía no equivalentes. Los metales que contienen estructuras de HCP incluyen berilio, magnesio, zinc, cadmio, cobalto, talio y circonio. Los metales HCP no son tan dúctiles como los metales FCC.
Factor de empaque atómico – APF
En cristalografía, el factor de empaquetamiento atómico (APF) , la eficiencia de empaquetamiento o la fracción de empaquetamiento es la suma de los volúmenes de esfera de todos los átomos dentro de una celda unitaria (asumiendo el modelo atómico de esfera dura) dividido por el volumen de la celda unitaria.
Por convención, el APF se determina asumiendo que los átomos son esferas rígidas. El radio de las esferas se toma como el valor máximo para que los átomos no se superpongan. En la ciencia de los materiales , el factor de empaquetamiento atómico de una celda unitaria explica muchas propiedades de los materiales. Por ejemplo, los metales con un factor de empaquetamiento atómico alto tendrán una mayor maleabilidad o ductilidad, similar a cómo una carretera es más suave cuando las piedras están más juntas, lo que permite que los átomos de metal se deslicen entre sí con mayor facilidad.
Por ejemplo, en una disposición fcc, una celda unitaria contiene (8 átomos de esquina × ⅛) + (6 átomos de cara × ½) = 4 átomos. Esta estructura, junto con su pariente hexagonal (hcp), tiene el empaque más eficiente (74%).
Estructura de grano y límites de grano
Granos y límites Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
No todos los sólidos son monocristales (por ejemplo, semiconductores de silicio ). La mayoría de los sólidos cristalinos se componen de una colección de muchos cristales pequeños o granos de diferente tamaño y orientación. Estos tienen orientaciones cristalográficas aleatorias. Cuando un metal comienza con la cristalización, el cambio de fase comienza con pequeños cristales que crecen hasta fusionarse, formando una estructura policristalina . En el bloque final de material sólido, cada uno de los pequeños cristales (llamados » granos «) es un verdadero cristal con una disposición periódica de átomos, pero todo el policristal no tiene una disposición periódica de átomos, porque el patrón periódico se rompe en los límites del grano. Los granos y los límites de los granos ayudan a determinar las propiedades de un material.
Los granos , también conocidos como cristalitos, son cristales pequeños o incluso microscópicos que se forman, por ejemplo, durante el enfriamiento de muchos materiales (cristalización). Una característica muy importante de un metal es el tamaño medio del grano. El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura. La fluencia es la deformación permanente que aumenta con el tiempo bajo carga o tensión constante. La fluencia se vuelve progresivamente más fácil con el aumento de temperatura.
Límites de grano . El límite del grano se refiere al área exterior de un grano que lo separa de los otros granos. Los límites de los granos separan regiones cristalinas de orientación diversa (policristalinas) en las que las estructuras cristalinas son idénticas. Los límites de grano son defectos bidimensionales en la estructura cristalina y tienden a disminuir la conductividad eléctrica y térmica del material. La mayoría de los límites de grano son sitios preferidos para el inicio de la corrosión y para la precipitación de nuevas fases del sólido. También son importantes para muchos de los mecanismos de fluencia. Por otro lado, los límites de los granos interrumpen el movimiento de las dislocaciones.a través de un material. La propagación de la dislocación está impedida debido al campo de tensión de la región del defecto del límite de grano y la falta de planos de deslizamiento y direcciones de deslizamiento y alineación general a través de los límites. Por lo tanto, reducir el tamaño de los cristalitos es una forma común de mejorar la resistencia mecánica, porque los granos más pequeños crean más obstáculos por unidad de área del plano de deslizamiento.
Orientación de granos
Orientación del grano (A) Aleatorio (B) Fuente preferida: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
La orientación de los cristalitos puede ser aleatoria sin una dirección preferida, denominada textura aleatoria, o preferida, posiblemente debido a las condiciones de crecimiento y procesamiento. La orientación aleatoria se puede obtener mediante el laminado cruzado del material. Si una muestra de este tipo se laminase suficientemente en una dirección, podría desarrollar una estructura orientada al grano en la dirección de laminación. A esto se le llama orientación preferida . En muchos casos, la orientación preferida es muy deseable, pero en otros casos, puede ser más dañina. Por ejemplo, la orientación preferida en los elementos combustibles de uranio puede provocar cambios catastróficos en las dimensiones durante el uso en un reactor nuclear.
Referencia especial: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Polimorfismo y alotropía
En la figura, está el diagrama de fases de hierro-carburo de hierro (Fe-Fe3C). El porcentaje de carbono presente y la temperatura definen la fase de la aleación hierro-carbono y por tanto sus características físicas y propiedades mecánicas. El porcentaje de carbono determina el tipo de aleación ferrosa: hierro, acero o fundición. Fuente: wikipedia.org Läpple, Volker – Wärmebehandlung des Stahls Grundlagen. Licencia: CC BY-SA 4.0
Algunos materiales cristalinos pueden tener más de una estructura cristalina , un fenómeno conocido como polimorfismo . El polimorfismo es la aparición de múltiples formas cristalinas de un material. Según las reglas de Gibbs de equilibrio de fases, estas fases cristalinas únicas dependen de variables intensivas como la thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-pressure-physics/»>presión y la temperatura . El polimorfismo está relacionado con la alotropía., que se refiere a elementos químicos. Eso significa que el polimorfismo es el término más general utilizado para cualquier material cristalino, incluidas las aleaciones y los elementos químicos. Cada polimorfo es de hecho un estado sólido termodinámico diferente y los polimorfos de cristal del mismo compuesto exhiben diferentes propiedades físicas, como velocidad de disolución, forma (ángulos entre facetas y tasas de crecimiento de facetas), punto de fusión, etc. Por esta razón, el polimorfismo es de de gran importancia en la fabricación industrial de productos cristalinos.
Un ejemplo familiar se encuentra en el carbono. El grafito (un sólido blando, negro, escamoso, un conductor eléctrico moderado) es el polimorfo estable en condiciones ambientales, mientras que el diamante (un cristal transparente extremadamente duro, con los átomos de carbono dispuestos en una red tetraédrica. Un mal conductor eléctrico. Excelente conductor térmico.) se forma a presiones extremadamente altas.
Además, el hierro puro tiene una estructura cristalina BCC a temperatura ambiente, que cambia a hierro FCC a 913 ° C. El circonio es HCP (alfa) hasta 863 ° C, donde se transforma en la forma BCC (beta, circonio). El problema es que estas transiciones de fase hacen que este material sea muy frágil .
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
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Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
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Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Véase más arriba:
Ciencia de los materiales
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Defectos cristalográficos: imperfecciones en metales. Los defectos cristalográficos influyen significativamente en las propiedades del material. La clasificación de las imperfecciones cristalinas (defectos microscópicos) se realiza con frecuencia de acuerdo con la geometría o dimensionalidad del defecto. [/Su_quote]
Como se escribió , un material cristalino es aquel en el que los átomos están situados en una matriz periódica o repetida sobre grandes distancias atómicas, es decir, existe un orden de largo alcance, de modo que al solidificarse, los átomos se posicionarán en una secuencia repetitiva de tres. patrón dimensional, en el que cada átomo está unido a sus átomos vecinos más cercanos. Pero la realidad es diferente, los cristales reales nunca son perfectos . Siempre hay defectos. La influencia de estos defectos no siempre es adversa y, a menudo, las características específicas se modelan deliberadamente mediante la introducción de cantidades controladas o números de defectos particulares.
Clasificación de defectos
La clasificación de los defectos cristalográficos ( defectos microscópicos ) se realiza con frecuencia de acuerdo con la geometría o dimensionalidad del defecto. Existen otros defectos macroscópicos en todos los materiales sólidos que son mucho más grandes que los microscópicos, estos incluyen poros, grietas, inclusiones extrañas y otras fases.
Defectos microscópicos
Defectos puntuales. Los defectos puntuales tienen dimensiones atómicas.
Defectos de línea. Los defectos o dislocaciones de línea tienen generalmente muchos átomos de longitud.
Defectos planos . Los defectos planos son más grandes que los defectos de línea y ocurren en un área bidimensional.
Defectos macroscópicos
Defectos a granel . Defectos macroscópicos o voluminosos tridimensionales, como poros, grietas o inclusiones.
Vacíos . Pequeñas regiones, donde no hay átomos, y que pueden considerarse como grupos de vacantes.
Impurezas , que pueden agruparse para formar pequeñas regiones de una fase diferente. Suelen denominarse precipitados.
Defectos puntuales
Los defectos puntuales tienen dimensiones atómicas, por lo que ocurren solo en o alrededor de un único punto de la red. No se extienden en el espacio en ninguna dimensión. Las imperfecciones puntuales en los cristales se pueden dividir en tres categorías principales de defectos.
Defectos de vacantes . Los defectos de vacante son el resultado de la falta de un átomo en una posición reticular. La estabilidad de la estructura cristalina circundante garantiza que los átomos vecinos no colapsarán simplemente alrededor de la vacante. El tipo de defecto de vacante puede resultar de un empaquetamiento imperfecto durante el proceso de cristalización, o puede deberse al aumento de las vibraciones térmicas de los átomos provocadas por la temperatura elevada. Todos los sólidos cristalinos contienen vacantes y, de hecho, no es posible crear un material libre de estos defectos. Una vacante (o un par de vacantes en un sólido iónico) a veces se denomina defecto de Schottky.. Este defecto puntual se forma cuando los iones con carga opuesta abandonan sus sitios de celosía, creando vacantes. Estas vacantes se forman en unidades estequiométricas, para mantener una carga neutra general en el sólido iónico.
Defectos sustitutivos . Debido a las limitaciones fundamentales de los métodos de purificación de materiales, los materiales nunca son 100% puros, lo que por definición induce defectos en la estructura cristalina . Los defectos de sustitución resultan de una impureza presente en una posición reticular. Para el tipo de sustitución, los átomos de soluto o impureza reemplazan o sustituyen a los átomos del huésped . Varias características de los átomos del soluto y del solvente determinan el grado en que el primero se disuelve en el segundo. Estos se expresan como las reglas de Hume-Rothery . De acuerdo con estas reglas, se pueden formar soluciones sólidas de sustitución si el soluto y el solvente tienen:
Valencia similar: una solución sólida se mezcla con otras para formar una nueva solución.
Defectos intersticiales . Los defectos intersticiales son el resultado de una impureza ubicada en un sitio intersticial o uno de los átomos de la red está en una posición intersticial en lugar de estar en su posición de red. Un autointersticial es un átomo del cristal que se apiña en un sitio intersticial. En los metales, un autointersticial introduce distorsiones y tensiones relativamente grandes en la red circundante porque el átomo es sustancialmente más grande que la posición intersticial en la que está situado. Los defectos intersticiales son generalmente configuraciones de alta energía, por otro lado, la formación de este defecto no es muy probable. Los átomos pequeños (en su mayoría impurezas) en algunos cristales pueden ocupar intersticios sin alta energía, como el hidrógeno.
Defectos de Frenkel. Un defecto de Frenkel o un par de Frenkel es un par cercano de una vacante y un defecto intersticial. Esto se produce cuando un ion se mueve hacia un sitio intersticial y crea una vacante. Su principal mecanismo de generación es la irradiación de partículas. Los defectos de Frenkel son típicos del daño por radiación causado por neutrones de alta energía. Un neutrón de 1 MeV puede afectar aproximadamente a 5000 átomos. La presencia de muchos picos de desplazamiento cambiará las propiedades del material que se irradia. Un pico de desplazamiento contiene una gran cantidad de intersticiales y vacantes de celosía.
Solución sólida
En la figura, está el diagrama de fases de hierro-carburo de hierro (Fe-Fe3C). El porcentaje de carbono presente y la temperatura definen la fase de la aleación hierro-carbono y por tanto sus características físicas y propiedades mecánicas. El porcentaje de carbono determina el tipo de aleación ferrosa: hierro, acero o fundición. Fuente: wikipedia.org Läpple, Volker – Wärmebehandlung des Stahls Grundlagen. Licencia: CC BY-SA 4.0
Una solución sólida es una mezcla uniforme de dos sólidos cristalinos que comparten una red cristalina común. Las soluciones sólidas a menudo constan de dos o más tipos de átomos o moléculas que comparten una red cristalina, como en ciertas aleaciones metálicas. El solvente es el elemento o compuesto que está presente en mayor cantidad. El soluto se usa para denotar un elemento o compuesto presente en una concentración menor. El soluto puede incorporarse en la red cristalina del disolvente de forma sustitutiva, sustituyendo una partícula de disolvente en la red, o intersticialmente, encajando en el espacio entre las partículas de disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan las propiedades del material al distorsionar la red cristalina y alterar la homogeneidad física y eléctrica del material solvente.
Para el tipo de sustitución, los átomos de soluto o impureza reemplazan o sustituyen a los átomos del huésped. Varias características de los átomos del soluto y del solvente determinan el grado en que el primero se disuelve en el segundo. Estos se expresan como las reglas de Hume-Rothery. De acuerdo con estas reglas, se pueden formar soluciones sólidas de sustitución si el soluto y el solvente tienen:
Valencia similar: una solución sólida se mezcla con otras para formar una nueva solución.
Las soluciones sólidas tienen importantes aplicaciones comerciales e industriales, ya que tales mezclas a menudo tienen propiedades superiores a los materiales puros. Muchas aleaciones de metales son soluciones sólidas. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar las propiedades eléctricas y físicas del solvente.
La aleación es una práctica común porque los enlaces metálicos permiten unir diferentes tipos de metales. Por ejemplo, los aceros inoxidables austeníticos, incluido el acero inoxidable Tipo 304 (que contiene 18% -20% de cromo y 8% -10,5% de níquel), tienen una estructura cúbica de átomos de hierro centrada en las caras con el carbono en solución sólida intersticial .
Defectos de línea: dislocaciones
Los defectos de línea tienen generalmente muchos átomos de longitud. Los defectos de línea se denominan dislocaciones y ocurren solo en materiales cristalinos. Las dislocaciones son especialmente importantes en la ciencia de los materiales, porque ayudan a determinar la resistencia mecánica de los materiales. Hay dos tipos básicos de dislocaciones, la dislocación del borde y la dislocación del tornillo . También son comunes las luxaciones mixtas, que combinan aspectos de ambos tipos. Es importante tener en cuenta que las dislocaciones no pueden terminar dentro de un cristal. Deben terminar en un borde de cristal u otra dislocación, o deben volver a cerrarse sobre sí mismos.
Los primeros estudios de materiales llevaron al cálculo de las fortalezas teóricas de los cristales perfectos. Pero estas fortalezas teóricas fueron muchas veces mayores que las realmente medidas. Durante la década de 1930 se teorizó que esta discrepancia en las resistencias mecánicas podría explicarse por un tipo de defecto cristalino lineal que se conoce como dislocación . El término 'dislocación' que se refiere a un defecto en la escala atómica fue acuñado por GI Taylor en 1934.
Dislocación de borde
Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
La dislocación del borde se centra alrededor de la línea de dislocación del borde que se define a lo largo del extremo del semiplano extra de átomos . La imperfección puede extenderse en línea recta a lo largo del cristal o puede seguir un camino irregular. También puede ser corto, extendiéndose solo una pequeña distancia en el cristal y provocando un deslizamiento de una distancia atómica a lo largo del plano de deslizamiento (dirección en la que se mueve la imperfección del borde). La deformación plástica macroscópica simplemente corresponde a la deformación permanente que resulta del movimiento de dislocaciones , o deslizamiento , en respuesta a un esfuerzo cortante aplicado. Dislocacionespuede moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde de terminación. Comprender el movimiento de una dislocación es clave para comprender por qué las dislocaciones permiten que la deformación se produzca con una tensión mucho menor que en un cristal perfecto. El movimiento de dislocación es análogo al movimiento de una oruga. La oruga tendría que ejercer una gran fuerza para mover todo su cuerpo a la vez. En cambio, mueve la parte trasera de su cuerpo hacia adelante una pequeña cantidad y crea una joroba. La joroba luego se mueve hacia adelante y eventualmente mueve todo el cuerpo hacia adelante una pequeña cantidad. El deslizamiento ocurre cuando el cristal se somete a una tensión y la dislocación se mueve a través del cristal hasta que alcanza el borde o es detenida por otra dislocación.
Dislocación del tornillo
Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Las dislocaciones de los tornillos pueden producirse por un desgarro del cristal paralelo a la dirección de deslizamiento. Si se sigue una dislocación de tornillo en todo el circuito completo, mostraría un patrón de deslizamiento similar al de la rosca de un tornillo. La dislocación de un tornillo es mucho más difícil de visualizar. Imagínese cortando un cristal a lo largo de un plano y deslizando una mitad sobre la otra mediante un vector de celosía, las mitades volviendo a encajar sin dejar un defecto. El movimiento de la dislocación de un tornillo también es el resultado del esfuerzo cortante, pero el movimiento de la línea del defecto es perpendicular a la dirección del esfuerzo y el desplazamiento del átomo, en lugar de paralelo.
El patrón puede ser para diestros o zurdos. Esto requiere que algunos de los enlaces atómicos se vuelvan a formar continuamente para que el cristal tenga casi la misma forma después de ceder que antes.
Fuente: William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Defectos planos: defectos interfaciales
Un defecto plano es una discontinuidad de la estructura cristalina perfecta a través de un plano. Los defectos interfaciales son límites que tienen dos dimensiones y regiones normalmente separadas de los materiales que tienen diferentes estructuras cristalinas y / o orientaciones cristalográficas. Los defectos interfaciales existen en un ángulo entre dos caras cualesquiera de un cristal o una forma cristalina. Estas imperfecciones se encuentran en superficies libres, límites de dominio, límites de grano o límites de interfase.
Los límites de grano
Granos y límites Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Un límite de grano es un defecto plano general que separa regiones de diferente orientación cristalina (es decir, granos ) dentro de un sólido policristalino . Hasta este punto, la discusión se ha centrado en los defectos de los monocristales. Sin embargo, los sólidos generalmente consisten en varios cristalitos o granos de diferente tamaño y orientación. Estos tienen orientaciones cristalográficas aleatorias. Cuando un metal comienza con la cristalización, el cambio de fase comienza con pequeños cristales que crecen hasta fusionarse, formando una estructura policristalina. En el bloque final de material sólido, cada uno de los pequeños cristales (llamados " granos") es un verdadero cristal con una disposición periódica de átomos, pero todo el policristal no tiene una disposición periódica de átomos, porque el patrón periódico se rompe en los límites de los granos. Los granos y los límites de los granos ayudan a determinar las propiedades de un material . Granos pueden variar en tamaño desde nanómetros a milímetros de ancho y sus orientaciones generalmente se rotan con respecto a los granos vecinos. Donde un grano se detiene y otro comienza se conoce como límite de grano. Los límites de grano limitan las longitudes y movimientos de las dislocaciones. Por lo tanto, tener granos más pequeños (más área de superficie de límite de grano) fortalece un material. El tamaño de los granos se puede controlar mediante la velocidad de enfriamiento cuando el material se cuela o se trata térmicamente. Generalmente, el enfriamiento rápido produce granos más pequeños, mientras que el enfriamiento lento da como resultado granos más grandes.
Los granos, también conocidos como cristalitos, son cristales pequeños o incluso microscópicos que se forman, por ejemplo, durante el enfriamiento de muchos materiales (cristalización). Una característica muy importante de un metal es el tamaño medio del grano. El tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción y tiende a aumentar la ductilidad. Se prefiere un tamaño de grano más grande para mejorar las propiedades de fluencia a alta temperatura. La fluencia es la deformación permanente que aumenta con el tiempo bajo carga o tensión constante. La fluencia se vuelve progresivamente más fácil con el aumento de temperatura.
Los límites de grano. El límite de grano se refiere al área exterior de un grano que lo separa de los otros granos. Los límites de los granos separan regiones cristalinas de orientación diversa (policristalinas) en las que las estructuras cristalinas son idénticas. Los límites de grano son defectos 2D en la estructura cristalina y tienden a disminuir la conductividad eléctrica y térmica del material. La mayoría de los límites de grano son sitios preferidos para el inicio de la corrosión y para la precipitación de nuevas fases del sólido. También son importantes para muchos de los mecanismos de fluencia. Por otro lado, los límites de los granos interrumpen el movimiento de las dislocaciones a través de un material. La propagación de la dislocación está impedida debido al campo de tensión de la región del defecto del límite de grano y la falta de planos de deslizamiento y direcciones de deslizamiento y alineación general a través de los límites.
Hermanamiento - Límites gemelos
Cristal de pirita hermanado
El hermanamiento es un fenómeno en algún lugar entre un defecto cristalográfico y un límite de grano. Como un límite de grano, un límite gemelo tiene diferentes orientaciones de cristal en sus dos lados. Pero a diferencia de un límite de grano, las orientaciones no son aleatorias, sino que se relacionan de una manera específica de imagen especular. Un límite gemelo ocurre cuando los cristales a ambos lados de un plano son imágenes especulares entre sí.
El límite entre los cristales maclados será un solo plano de átomos. No existe una región de desorden y los átomos de los límites pueden verse como pertenecientes a las estructuras cristalinas de ambos gemelos.
Hay tres modos de formación de cristales maclados. Los gemelos crecen durante la cristalización o son el resultado de un trabajo mecánico o térmico. Los gemelos crecidos son el resultado de una interrupción o cambio en la red durante la formación o el crecimiento debido a una posible deformación de un ion de sustitución más grande. Los gemelos de recocido o transformación son el resultado de un cambio en el sistema cristalino durante el enfriamiento, ya que una forma se vuelve inestable y la estructura cristalina debe reorganizarse o transformarse en otra forma más estable. La deformación o los gemelos deslizantes son el resultado de la tensión en el cristal después de que se ha formado.
Defectos a granel - Defectos de volumen
Los defectos macroscópicos tridimensionales se denominan defectos a granel . Generalmente ocurren en una escala mucho mayor que los defectos microscópicos. Estos defectos macroscópicos generalmente se introducen en un material durante el refinamiento de su estado bruto o durante los procesos de fabricación. Estos incluyen grietas, poros, inclusiones extrañas y otras fases . El trabajo y la forja de metales pueden provocar fisuras que actúan como concentradores de tensiones y debilitan el material. Cualquier defecto de soldadura o unión también puede clasificarse como defectos a granel.
Defectos macroscópicos o voluminosos tridimensionales, como poros, grietas o inclusiones.
Vacíos: pequeñas regiones donde no hay átomos y que pueden considerarse como grupos de vacantes.
Las impurezas pueden agruparse para formar pequeñas regiones de una fase diferente. Suelen denominarse precipitados.
References:
Ciencia de los materiales:
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
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Véase más arriba:
Ciencia de los materiales
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En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas o deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante. [/Su_quote]
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. Al diseñar estructuras y máquinas, es importante considerar estos factores, a fin de que el material seleccionado tenga la resistencia adecuada para resistir las cargas o fuerzas aplicadas y conservar su forma original. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.
Sin embargo, debemos tener en cuenta que la carga que deformará un componente pequeño, será menor que la carga para deformar un componente mayor del mismo material. Por lo tanto, la carga (fuerza) no es un término adecuado para describir la resistencia . En su lugar, podemos usar la fuerza (carga) por unidad de área (σ = F / A), llamada tensión , que es constante (hasta que se produce la deformación) para un material dado independientemente del tamaño de la pieza componente. En este concepto, la deformación también es una variable muy importante, ya que define la deformación de un objeto. En resumen, el comportamiento mecánico de los sólidos generalmente se define por relaciones constitutivas tensión-deformación.Una deformación se denomina deformación elástica si la tensión es una función lineal de la deformación. En otras palabras, el estrés y la tensión siguen la ley de Hooke . Más allá de la región lineal, la tensión y la deformación muestran un comportamiento no lineal. Este comportamiento inelástico se denomina deformación plástica.
Estrés
En mecánica y ciencia de los materiales, el estrés (representado por una letra griega minúscula sigma - σ ) es una cantidad física que expresa las fuerzas internas que las partículas vecinas de un material continuo ejercen entre sí, mientras que la deformación es la medida de la deformación del material. que no es una cantidad física.
Aunque es imposible medir la intensidad de esta tensión, se puede medir la carga externa y la zona a la que se aplica. La tensión (σ) se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:
Cuando un metal se somete a una carga (fuerza), se distorsiona o deforma, sin importar cuán fuerte sea el metal o cuán ligera sea la carga. Si la carga es pequeña, la distorsión probablemente desaparecerá cuando se retire la carga. La intensidad o grado de distorsión se conoce como tensión . Una deformación se denomina deformación elástica si la tensión es una función lineal de la deformación. En otras palabras, el estrés y la tensión siguen la ley de Hooke . Más allá de la región lineal, la tensión y la deformación muestran un comportamiento no lineal. Este comportamiento inelástico se denomina deformación plástica .
El estrés es la resistencia interna, o contrafuente, de un material a los efectos distorsionadores de una fuerza o carga externa. Estas contrafuerzas tienden a devolver los átomos a sus posiciones normales. La resistencia total desarrollada es igual a la carga externa.
Tipos de estrés
Las tensiones ocurren en cualquier material que esté sujeto a una carga o fuerza aplicada. Hay muchos tipos de estrés , pero todos pueden clasificarse generalmente en una de seis categorías:
Las tensiones estructurales son tensiones producidas en miembros estructurales debido a los pesos que soportan. Los pesos proporcionan las cargas. Estas tensiones se encuentran en cimientos y estructuras de edificios, así como en piezas de maquinaria.
Las tensiones residuales son tensiones provocadas por los procesos de fabricación. Este tipo de tensión permanece en un material sólido después de que se ha eliminado la causa original de las tensiones. Por ejemplo, la soldadura deja tensiones residuales en los metales soldados. El calor de la soldadura puede causar una expansión localizada, que es absorbida durante la soldadura por el metal fundido o la colocación de las piezas que se están soldando.
Las tensiones por presión son tensiones inducidas en recipientes que contienen materiales presurizados. La carga es proporcionada por la misma fuerza que produce la thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-pressure-physics/">presión . En una instalación de reactor, la vasija del reactor es un excelente ejemplo de vasija a presión. Un problema de seguridad que es un problema a largo plazo provocado por el envejecimiento de las instalaciones nucleares es el choque térmico presurizado (STP) . PTS es el impacto experimentado por un recipiente de paredes gruesas debido a las tensiones combinadas de un cambio rápido de temperatura y / o presión.
Las tensiones térmicas existen siempre que hay gradientes de temperatura en un material. Diferentes thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/">temperaturas producen diferentes expansiones y someten los materiales a tensiones internas. Este tipo de tensión es particularmente notable en los mecanismos que operan a altas temperaturas que son enfriados por un fluido frío. Un problema de seguridad que es un problema a largo plazo provocado por el envejecimiento de las instalaciones nucleares es el choque térmico presurizado (STP). PTS es el impacto experimentado por un recipiente de paredes gruesas debido a las tensiones combinadas de un cambio rápido de temperatura y / o presión.
Las tensiones de flujo ocurren cuando una masa de fluido que fluye induce una presión dinámica en la pared de un conducto. La fuerza del fluido que golpea la pared actúa como carga . Este tipo de tensión se puede aplicar de forma inestable cuando los caudales fluctúan. El golpe de ariete es un ejemplo de estrés de flujo transitorio. Un golpe de ariete en una tubería o tubo es un pico de presión causado por una variación repentina del caudal. y la energía de velocidad se convierte en energía de presión.
Estrés por fatiga. La fatiga es el debilitamiento de un material causado por una carga cíclica que da como resultado un daño estructural progresivo y localizado y el crecimiento de grietas. Una vez que se ha iniciado una grieta, cada ciclo de carga hará crecer la grieta una pequeña cantidad. Las tensiones pueden deberse a vibraciones o ciclos térmicos.
Estrés aplicado
Desde el punto de vista interno, la intensidad de la tensión dentro del cuerpo de un componente se expresa como uno de los tres tipos básicos de carga interna, a saber, tensión, compresión y cortante . En la práctica de la ingeniería, muchas cargas son de torsión más que de corte puro. Matemáticamente, solo hay dos tipos de carga interna porque los esfuerzos de tracción y compresión pueden considerarse como las versiones positiva y negativa del mismo tipo de carga normal.
Esfuerzo de tracción . Una de las pruebas mecánicas de esfuerzo-deformación más comunes se realiza en tensión. La tensión de tracción es ese tipo de tensión en la que las dos secciones de material a cada lado de un plano de tensión tienden a separarse o alargarse. La capacidad de un material o estructura para soportar cargas que tienden a alargarse se conoce como resistencia máxima a la tracción (UTS) . La resistencia máxima a la tracción se mide por la tensión máxima que un material puede soportar mientras se estira o tira antes de romperse. En el estudio de la resistencia de los materiales, la resistencia a la tracción, la resistencia a la compresión y la resistencia al corte se pueden analizar de forma independiente. Debido a que las cargas de tracción y compresión producen tensiones que actúan a través de un plano, en una dirección perpendicular (normal) al plano, las tensiones de tracción y compresión se denominantensiones normales .
Estrés compresivo . La tensión de compresión es lo contrario de la tensión de tracción. Las partes adyacentes del material tienden a presionarse entre sí a través de un plano de tensión típico. La tensión de compresión en barras, columnas, etc. conduce al acortamiento. La tensión de compresión se define de la misma manera que la tensión de tracción, pero tiene valores negativos para expresar la compresión ya que delta L tiene la dirección opuesta. Se puede aumentar la tensión de compresión hasta que se alcanza la resistencia a la compresión. Entonces los materiales reaccionarán con comportamiento dúctil o con fractura en caso de materiales quebradizos. Debido a que las cargas de tracción y compresión producen tensiones que actúan a través de un plano, en una dirección perpendicular (normal) al plano, las tensiones de tracción y compresión se denominan tensiones normales.. La capacidad de un material para reaccionar a la tensión o presión de compresión se denomina compresibilidad.
Esfuerzo cortante . El esfuerzo cortante existe cuando dos partes de un material tienden a deslizarse entre sí en cualquier plano típico de cortante al aplicar una fuerza paralela a ese plano. La torsión es una variación del corte puro en el que se tuerce un miembro estructural. Las fuerzas de torsión producen un movimiento de rotación alrededor del eje longitudinal de un extremo del miembro con respecto al otro extremo. El esfuerzo cortante también es de gran importancia en la naturaleza, ya que está íntimamente relacionado con el movimiento descendente de los materiales terrestres (como en el caso de las avalanchas).
Cepa
En la ciencia de los materiales , la deformación también es una variable muy importante, ya que define la deformación de un objeto. A diferencia de la tensión en un objeto, que en realidad no se puede ver, la deformación es una cantidad visible y medible. Cuando tira de una barra de tensión, puede ver que la barra aumenta físicamente en longitud (o se alarga). Cuando dobla una viga, la ve curvar. Las deformaciones son un indicador directo de tensión. El comportamiento mecánico de los sólidos generalmente se define por relaciones constitutivas tensión-deformación.Cuando un metal se somete a una carga (fuerza), se distorsiona o deforma, sin importar cuán fuerte sea el metal o cuán ligera sea la carga. Si la carga es pequeña, la distorsión probablemente desaparecerá cuando se retire la carga. Tal cambio dimensional proporcional (intensidad o grado de distorsión) se llama deformación y se mide como la deformación total (alargamiento) por longitud de referencia de material debido a alguna tensión aplicada.
En mecánica de materiales, podemos definir dos tipos básicos de deformaciones:
Cepas normales . Una deformación normal resulta de la tensión de tracción y es una deformación calculada a partir de los desplazamientos relativos que se miden perpendicularmente a dos planos de referencia. Las deformaciones normales miden el movimiento perpendicular relativo de un plano de referencia con respecto a otro. El símbolo de la tensión normal suele ser el símbolo griego en minúsculas épsilon (ε).
Esfuerzos por cizallamiento. Una deformación cortante resulta de un esfuerzo cortante y es una deformación calculada a partir de los desplazamientos relativos que se miden en paralelo a dos planos de referencia. Las deformaciones cortantes miden el movimiento paralelo relativo de un plano de referencia con respecto a otro. El símbolo de la deformación por cizallamiento suele ser el símbolo griego en minúsculas gamma (γ).
Deformación
La deformación es una medida de cuánto se deforma un objeto con respecto a sus dimensiones o tamaño originales en una dirección determinada. Dependiendo de la deformación que mida, puede calcular diferentes tipos de deformación.
Una deformación se denomina deformación elástica si la tensión es una función lineal de la deformación. En otras palabras, el estrés y la tensión siguen la ley de Hooke . Más allá de la región lineal, la tensión y la deformación muestran un comportamiento no lineal. Este comportamiento inelástico se denomina deformación plástica.
Deformación elástica . La deformación elástica y la deformación elástica es un cambio dimensional transitorio que existe solo mientras se aplica la tensión inicial y desaparece inmediatamente después de la eliminación de la tensión. Cuando un metal se somete a una carga (fuerza), se distorsiona o deforma, sin importar cuán fuerte sea el metal o cuán ligera sea la carga. Esta deformación puede ser permanente o no. Hasta una tensión límite , un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas provocan que los átomosen un cristal para moverse desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente.
Deformación plastica. La deformación plástica y la deformación plástica es un cambio dimensional que no desaparece cuando se elimina la tensión inicial. Ocurre que si se excede la carga límite, el cuerpo experimentará una deformación permanente al retirar la carga. La deformación plástica se produce en los cuerpos materiales después de que las tensiones han alcanzado un cierto valor umbral conocido como límite elástico o tensión de fluencia , y son el resultado de mecanismos de deslizamiento o dislocación a nivel atómico.
Estrés - Curva de deformación
La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. Al diseñar estructuras y máquinas, es importante considerar estos factores, a fin de que el material seleccionado tenga la resistencia adecuada para resistir las cargas o fuerzas aplicadas y conservar su forma original. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.
Sin embargo, debemos tener en cuenta que la carga que deformará un componente pequeño, será menor que la carga para deformar un componente mayor del mismo material. Por lo tanto, la carga (fuerza) no es un término adecuado para describir la resistencia . En su lugar, podemos usar la fuerza (carga) por unidad de área (σ = F / A), llamada tensión , que es constante (hasta que se produce la deformación) para un material dado independientemente del tamaño de la pieza componente. En este concepto, la deformación también es una variable muy importante, ya que define la deformación de un objeto. En resumen, el comportamiento mecánico de los sólidos generalmente se define por relaciones constitutivas tensión-deformación.Una deformación se denomina deformación elástica si la tensión es una función lineal de la deformación. En otras palabras, el estrés y la tensión siguen la ley de Hooke . Más allá de la región lineal, la tensión y la deformación muestran un comportamiento no lineal. Este comportamiento inelástico se denomina deformación plástica.
En la figura se muestra un diagrama esquemático de la curva de tensión-deformación del acero con bajo contenido de carbono a temperatura ambiente. Hay varias etapas que muestran diferentes comportamientos, lo que sugiere diferentes propiedades mecánicas. Para aclarar, los materiales pueden perder una o más etapas que se muestran en la figura, o tener etapas totalmente diferentes. En este caso, tenemos que distinguir entre las características de tensión-deformación de los materiales dúctiles y frágiles . Los siguientes puntos describen las diferentes regiones de la curva tensión-deformación y la importancia de varias ubicaciones específicas.
Límite proporcional . El límite proporcional corresponde a la ubicación de la tensión al final de la región lineal , por lo que el gráfico de tensión-deformación es una línea recta y el gradiente será igual al módulo elástico del material. Para el esfuerzo de tracción y compresión, la pendiente de la parte de la curva donde el esfuerzo es proporcional a la deformación se denomina módulo de Young y se aplica la ley de Hooke . Entre el límite proporcional y el punto de fluencia, la ley de Hooke se vuelve cuestionable y la tensión aumenta más rápidamente.
Punto de rendimiento . El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Máxima resistencia a la tracción . La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a "resistencia a la tracción" o incluso a "la máxima resistencia". Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Punto de fractura : El punto de fractura es el punto de deformación donde el material se separa físicamente. En este punto, la deformación alcanza su valor máximo y el material realmente se fractura, aunque la tensión correspondiente puede ser menor que la resistencia última en este punto. Los materiales dúctiles tienen una resistencia a la fractura menor que la resistencia máxima a la tracción (UTS), mientras que en los materiales frágiles la resistencia a la fractura es equivalente a la UTS. Si un material dúctil alcanza su máxima resistencia a la tracción en una situación de carga controlada, continuará deformándose, sin aplicación de carga adicional, hasta que se rompa. Sin embargo, si la carga está controlada por desplazamiento, la deformación del material puede aliviar la carga, evitando la ruptura.
En muchas situaciones, el límite elástico se utiliza para identificar la tensión permisible a la que se puede someter un material. Para los componentes que tienen que soportar altas presiones, como los que se utilizan en los reactores de agua a presión (PWR), este criterio no es adecuado. Para cubrir estas situaciones, la teoría de falla del esfuerzo cortante máximo se ha incorporado en el Código de recipientes a presión y calderas de ASME (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos), Sección III, Reglas para la construcción de recipientes a presión nucleares. Esta teoría establece que la falla de un componente de tubería ocurre cuando el esfuerzo cortante máximo excede el esfuerzo cortante en el punto de fluencia en una prueba de tracción.
Dúctil frente a quebradizo: curvas tensión-deformación
Algunos materiales se rompen de forma muy brusca, sin deformación plástica, en lo que se denomina rotura por fragilidad. Otros, que son más dúctiles, incluida la mayoría de los metales, experimentan cierta deformación plástica y posiblemente un estrechamiento antes de fracturarse. Es posible distinguir algunas características comunes entre las curvas de tensión-deformación de varios grupos de materiales. Sobre esta base, es posible dividir los materiales en dos categorías amplias; a saber:
Materiales dúctiles . La ductilidad es la capacidad de un material para alargarse en tensión. El material dúctil se deformará (alargará) más que el material quebradizo. Los materiales dúctiles muestran una gran deformación antes de la fractura. En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil (fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en plantas de reactores debido a las tensiones añadidas sobre los metales. La alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a prevenir la fractura por fragilidad.
Materiales frágiles . Los materiales quebradizos, cuando se someten a tensiones, se rompen con poca deformación elástica y sin deformaciones plásticas significativas. Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de la fractura, incluso los de alta resistencia. En la fractura frágil (hendidura transgranular), no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
La siguiente figura muestra una curva típica de tensión-deformación de un material dúctil y un material quebradizo. Un material dúctil es un material donde la resistencia es pequeña y la región plástica es grande. El material soportará más tensión (deformación) antes de fracturarse. Un material quebradizo es un material donde la región plástica es pequeña y la resistencia del material es alta. La prueba de tracción proporciona tres hechos descriptivos sobre un material. Éstos son los esfuerzos en los que comienza la deformación plástica observable o "ceder"; la resistencia máxima a la tracción o la intensidad máxima de carga que se puede transportar en tensión; y el porcentaje de alargamiento o deformación (la cantidad que se estirará el material) y el porcentaje de reducción correspondiente del área de la sección transversal causada por el estiramiento. También se puede determinar el punto de rotura o fractura.
Endurecimiento por deformación
Una de las etapas de la curva tensión-deformación es la región de endurecimiento por deformación . Esta región comienza cuando la deformación va más allá del límite de fluencia y termina en el punto de resistencia máxima, que es la tensión máxima que se muestra en la curva de tensión-deformación. En esta región, la tensión aumenta principalmente a medida que el material se alarga, excepto que hay una región casi plana al principio. El endurecimiento por deformación también se denomina endurecimiento por trabajo o trabajo en frío . Se llama trabajo en frío porque la deformación plástica debe ocurrir a una temperatura lo suficientemente baja como para que los átomos no puedan reorganizarse. Es un proceso de hacer un metal más duro y más fuerte a través de la deformación plástica. Cuando un metal se deforma plásticamente,las dislocaciones se mueven y se generan dislocaciones adicionales. Las dislocaciones pueden moverse si los átomos de uno de los planos circundantes rompen sus enlaces y se vuelven a unir con los átomos en el borde de terminación. La densidad de la dislocación en un metal aumenta con la deformación o el trabajo en frío debido a la multiplicación de la dislocación o la formación de nuevas dislocaciones. Cuantas más dislocaciones haya dentro de un material, más interactuarán y se enredarán o enredarán. Esto dará como resultado una disminución de la movilidad de las dislocaciones y un fortalecimiento del material.
ley de Hooke
La mayoría de los materiales policristalinos tienen dentro de su rango elástico una relación casi constante entre tensión y deformación. En 1678, un científico inglés llamado Robert Hooke realizó experimentos que proporcionaron datos que mostraban que en el rango elástico de un material, la deformación es proporcional a la tensión . Robert Hooke concluyó que la fuerza F en cualquier resorte es proporcional a la extensión (la deformación del estado relajado) x de la siguiente manera:
F = k · x
donde el término k es la rigidez del resorte yx es pequeño en comparación con la posible deformación total del resorte. Eventualmente debe fallar una vez que las fuerzas excedan algún límite, ya que ningún material puede comprimirse más allá de un cierto tamaño mínimo, o estirarse más allá de un tamaño máximo, sin alguna deformación permanente o cambio de estado.
En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. En esta región, el alargamiento de la barra es directamente proporcional a la fuerza de tracción y la longitud de la barra e inversamente proporcional al área de la sección transversal y al módulo de elasticidad . Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young .
Podemos extender la misma idea de relacionar el esfuerzo con la deformación y las aplicaciones de corte en la región lineal, relacionando el esfuerzo de corte con la deformación de corte para crear la ley de Hooke para el esfuerzo de corte :
Para materiales isotrópicos dentro de la región elástica, puede relacionar la relación de Poisson (ν), el módulo de elasticidad de Young (E) y el módulo de elasticidad de corte (G):
Los módulos elásticos relevantes para los materiales policristalinos:
Módulo de elasticidad de Young. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción.
Módulo de elasticidad a cortante. El módulo de corte, o módulo de rigidez, se deriva de la torsión de una probeta cilíndrica. Describe la respuesta del material al esfuerzo cortante. Su símbolo es G. El módulo de corte es una de varias cantidades para medir la rigidez de los materiales y surge en la ley de Hooke generalizada.
Módulo de elasticidad a granel. El módulo de elasticidad volumétrico describe la elasticidad volumétrica o la tendencia de un objeto a deformarse en todas las direcciones cuando se carga uniformemente en todas las direcciones. Por ejemplo, describe la respuesta elástica a la presión hidrostática y la tensión equilátera (como la presión en el fondo del océano o una piscina profunda). También es propiedad de un material la que determina la respuesta elástica a la aplicación de tensión. Para un fluido, solo el módulo volumétrico es significativo.
References:
Ciencia de los materiales:
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Véase más arriba:
Propiedades del material
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En la ciencia de los materiales, la ductilidad es la capacidad de un material de sufrir grandes deformaciones plásticas antes de fallar y es una de las características muy importantes que los ingenieros consideran durante el diseño.
Algunos materiales se rompen de forma muy brusca, sin deformación plástica, en lo que se denomina rotura por fragilidad. Otros, que son más dúctiles, incluida la mayoría de los metales, experimentan cierta deformación plástica y posiblemente un estrechamiento antes de fracturarse. En la ciencia de los materiales, la ductilidad es la capacidad de un material de sufrir grandes deformaciones plásticas antes de fallar y es una de las características muy importantes que los ingenieros consideran durante el diseño. La ductilidad puede expresarse como porcentaje de alargamiento o porcentaje de reducción de área a partir de una prueba de tracción. La ductilidad es un factor importante para permitir que una estructura sobreviva cargas extremas, como las debidas a grandes cambios de presión, terremotos y huracanes, sin experimentar una falla o colapso repentino. Se define como:
En el caso de la prueba de tensión, la ductilidad se mide por un porcentaje de reducción en el área. Mide la cantidad de estrechamiento (o cambio en el área de la sección transversal) que ocurre antes de la falla final de la siguiente manera:
Es posible distinguir algunas características comunes entre las curvas de tensión-deformación de varios grupos de materiales. Sobre esta base, es posible dividir los materiales en dos categorías amplias; a saber:
Materiales dúctiles . La ductilidad es la capacidad de un material para alargarse en tensión. El material dúctil se deformará (alargará) más que el material quebradizo. Los materiales dúctiles muestran una gran deformación antes de la fractura. En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil (fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en plantas de reactores debido a las tensiones añadidas sobre los metales. La alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a prevenir la fractura por fragilidad.
Materiales frágiles . Los materiales quebradizos, cuando se someten a tensiones, se rompen con poca deformación elástica y sin deformaciones plásticas significativas. Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de la fractura, incluso los de alta resistencia. En la fractura frágil (hendidura transgranular), no se produce una deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
La distinción entre fragilidad y ductilidad no es evidente, especialmente porque tanto la ductilidad como el comportamiento frágil dependen no solo del material en cuestión, sino también de la naturaleza y el tipo de tensión , la tasa de carga (desgaste por fatiga) y la thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/»>temperatura.(transición dúctil-frágil). La siguiente figura muestra una curva típica de tensión-deformación de un material dúctil y un material quebradizo. Un material dúctil es un material donde la resistencia es pequeña y la región plástica es grande. El material soportará más tensión (deformación) antes de fracturarse. Un material quebradizo es un material donde la región plástica es pequeña y la resistencia del material es alta. La prueba de tracción proporciona tres hechos descriptivos sobre un material. Éstos son los esfuerzos en los que comienza la deformación plástica observable o «ceder»; la resistencia máxima a la tracción o la intensidad máxima de carga que se puede transportar en tensión; y el porcentaje de alargamiento o deformación(la cantidad que se estirará el material) y el porcentaje de reducción del área de la sección transversal que lo acompaña causada por el estiramiento. También se puede determinar el punto de rotura o fractura.
Ductilidad y tenacidad
La ductilidad se define más comúnmente como la capacidad de un material para deformarse fácilmente tras la aplicación de una fuerza de tracción, o como la capacidad de un material para resistir la deformación plástica sin romperse. La ductilidad también se puede considerar en términos de capacidad de doblado y aplastamiento. Por lo general, si dos materiales tienen la misma resistencia y dureza, es más deseable el que tenga la mayor ductilidad. La ductilidad de muchos metales puede cambiar si se alteran las condiciones. Un aumento de temperatura aumentará la ductilidad. Una disminución de la temperatura provocará una disminución de la ductilidad y un cambio de comportamiento dúctil a frágil. La fractura dúctil (fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en plantas de reactores debido a las tensiones añadidas sobre los metales. La alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a prevenir la fractura por fragilidad. La ductilidad también contribuye a otra propiedad material llamadatenacidad. La tenacidad combina fuerza y ductilidad en una sola propiedad medible y requiere un equilibrio de fuerza y ductilidad.
La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse. Una definición de tenacidad (o más específicamente, tenacidad a la fractura ) es que es una propiedad que indica la resistencia de un material a la fractura cuando está presente una grieta (u otro defecto de concentración de tensiones). La tenacidad se mide típicamente mediante la prueba de Charpy o la prueba de Izod. La prueba de impacto mide la tenacidad en condiciones de carga repentina y la presencia de defectos como muescas o grietas que concentrarán la tensión en los puntos débiles. La tenacidad también se puede definir con respecto a las regiones de un diagrama de tensión-deformación . La tenacidad está relacionada con el área bajo la curva tensión-deformación. La curva de tensión-deformación mide la tenacidad bajo una carga que aumenta gradualmente. Para ser resistente, un material debe ser resistente y dúctil. La siguiente figura muestra una curva típica de tensión-deformación de un material dúctil y un material quebradizo. Por ejemplo, los materiales quebradizos (como la cerámica) que son fuertes pero con ductilidad limitada no son duros; a la inversa, los materiales muy dúctiles con bajas resistencias tampoco son tenaces. Para ser resistente, un material debe soportar tanto las tensiones altas y cepas de alto .
Temperatura de transición dúctil-frágil
Fractura quebradiza del Liberty Ship de los Estados Unidos Esso Manhattan
Como se escribió, la distinción entre fragilidad y ductilidad no es evidente, especialmente porque tanto la ductilidad como el comportamiento frágil dependen no solo del material en cuestión, sino también de la temperatura (transición dúctil-frágil) del material. El efecto de la temperatura sobre la naturaleza de la fractura es de considerable importancia. Muchos aceros presentan fractura dúctil a temperaturas elevadas y fractura frágil a bajas temperaturas . La temperatura por encima de la cual un material es dúctil y por debajo de la cual es frágil se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil.(DBTT), temperatura de ductilidad nula (NDT) o temperatura de transición de ductilidad nula. Esta temperatura no es precisa, pero varía según el tratamiento mecánico y térmico previo y la naturaleza y cantidad de los elementos de impureza. Puede determinarse mediante algún tipo de prueba de caída de peso (por ejemplo, las pruebas Charpy o Izod ).
La temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) es la temperatura a la que la energía de fractura pasa por debajo de un valor predeterminado (por ejemplo, 40 J para una prueba de impacto Charpy estándar). La ductilidad es un requisito esencial para los aceros utilizados en la construcción de componentes de reactores, como la vasija del reactor . Por lo tanto, el DBTT es de importancia en el funcionamiento de estos buques. En este caso, el tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción, tiende a aumentar la ductilidad y da como resultado una disminución de DBTT. Tamaño de granose controla mediante tratamiento térmico en las especificaciones y fabricación de vasijas de reactores. El DBTT también se puede reducir mediante pequeñas adiciones de elementos de aleación seleccionados, como níquel y manganeso, a aceros con bajo contenido de carbono.
Normalmente, los aceros para recipientes a presión de reactores de baja aleación son aceros ferríticos que exhiben el clásico comportamiento de transición dúctil a frágil con temperatura decreciente. Esta temperatura de transición es de suma importancia durante el calentamiento de la planta.
Modos de fallo:
Región de baja tenacidad: el modo de falla principal es la fractura frágil (hendidura transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
Región de alta tenacidad: el modo de falla principal es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.
En algunos materiales, la transición es más aguda que en otros y normalmente requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en materiales con una celosía cúbica centrada en el cuerpo (bcc), el DBTT es fácilmente evidente, ya que el movimiento de las dislocaciones de los tornilloses muy sensible a la temperatura porque la reordenación del núcleo de dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede ser problemático para aceros con un alto contenido de ferrita. Esto supuestamente resultó en graves grietas en el casco de los barcos Liberty en aguas más frías durante la Segunda Guerra Mundial, lo que provocó muchos hundimientos. Los recipientes se construyeron con una aleación de acero que poseía una tenacidad adecuada según las pruebas de tracción a temperatura ambiente. Las fracturas frágiles se produjeron a temperaturas ambiente relativamente bajas, a aproximadamente 4 ° C (40 ° F), en las proximidades de la temperatura de transición de la aleación. Debe tenerse en cuenta que los metales FCC de baja resistencia (por ejemplo, aleaciones de cobre) y la mayoría de HCPlos metales no experimentan una transición de dúctil a quebradizo y se mantienen duros también a temperaturas más bajas. Por otro lado, muchos metales de alta resistencia (por ejemplo, aceros de muy alta resistencia) tampoco experimentan una transición de dúctil a frágil, pero, en este caso, permanecen muy frágiles.
La DBTT también puede verse influenciada por factores externos como la radiación de neutrones , que conduce a un aumento de los defectos de la red interna y la correspondiente disminución de la ductilidad y aumento de la DBTT.
Debilitamiento por irradiación
Durante el funcionamiento de una planta de energía nuclear , el material de la vasija de presión del reactor y el material de otros componentes internos del reactor están expuestos a radiación de neutrones (especialmente a neutrones rápidos> 0,5 MeV), lo que da como resultado una fragilización localizada del acero y las soldaduras en el área del núcleo del reactor. Este fenómeno, conocido como fragilidad por irradiación, da como resultado un aumento constante de DBTT. No es probable que el DBTT se acerque a la temperatura de funcionamiento normal del acero. Sin embargo, existe la posibilidad de que cuando se apague el reactor o durante un enfriamiento anormal, la temperatura pueda caer por debajo del valor DBTT mientras la presión interna aún sea alta. Por lo tanto, los reguladores nucleares exigen que se lleve a cabo un programa de vigilancia del material de la vasija del reactor en reactores de potencia refrigerados por agua.
La fragilización por irradiación puede conducir a la pérdida de la tenacidad a la fractura. Normalmente, los aceros para recipientes a presión de reactores de baja aleación son aceros ferríticos que exhiben el clásico comportamiento de transición dúctil a frágil con temperatura decreciente. Esta temperatura de transición es de suma importancia durante el calentamiento de la planta.
Modos de fallo:
Región de baja tenacidad: el modo de falla principal es la fractura frágil (hendidura transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
Región de alta tenacidad: el modo de falla principal es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.
La irradiación de neutrones tiende a aumentar la temperatura ( temperatura de transición de dúctil a frágil ) a la que se produce esta transición y tiende a disminuir la tenacidad dúctil.
References:
Ciencia de los materiales:
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Véase más arriba:
Propiedades del material
Esperamos que este artículo, Ductility , te ayude. Si es así, danos un me gusta en la barra lateral. El objetivo principal de este sitio web es ayudar al público a conocer información importante e interesante sobre los materiales y sus propiedades.
La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse. La tenacidad también se puede definir con respecto a las regiones de un diagrama de tensión-deformación. (para baja tasa de deformación). La tenacidad está relacionada con el área bajo la curva tensión-deformación. [/Su_quote]
La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse. Una definición de tenacidad (para alta tasa de deformación, tenacidad a la fractura ) es que es una propiedad que indica la resistencia de un material a la fractura cuando hay una grieta (u otro defecto que concentra la tensión). La tenacidad se mide típicamente mediante la prueba de Charpy o la prueba de Izod . La prueba de impacto mide la tenacidad en condiciones de carga repentina y la presencia de defectos como muescas o grietas que concentrarán la tensión en los puntos débiles. La tenacidad se define como el trabajo requerido para deformar una pulgada cúbica de metal hasta que se fractura.
La tenacidad también se puede definir con respecto a las regiones de un diagrama de tensión-deformación (para una tasa de deformación baja). La tenacidad está relacionada con el área bajo la curva tensión-deformación . La curva de tensión-deformación mide la tenacidad bajo una carga que aumenta gradualmente. La tenacidad a la tracción se mide en unidades de julio por metro cúbico (J · m −3 ) en el sistema SI. Para ser resistente, un material debe ser resistente y dúctil.. La siguiente figura muestra una curva típica de tensión-deformación de un material dúctil y un material quebradizo. Por ejemplo, los materiales quebradizos (como la cerámica) que son fuertes pero con ductilidad limitada no son duros; por el contrario, los materiales muy dúctiles con bajas resistencias tampoco son tenaces. Para ser resistente, un material debe soportar tanto tensiones elevadas como tensiones elevadas.
Dureza de la muesca
La tenacidad de la muesca es una medida de la energía absorbida (energía de impacto) durante la fractura de una muestra (en presencia de un defecto, generalmente una muesca en V) de dimensiones y geometría estándar cuando se somete a una carga muy rápida (impacto). Como se mencionó anteriormente, en presencia de un defecto, como una muesca o una grieta , es probable que un material presente un nivel más bajo de tenacidad. Las pruebas de impacto Charpy e Izod se utilizan para medir este parámetro, que es importante para evaluar el comportamiento de transición de dúctil a frágil de un material. De manera similar a la tenacidad a la tracción, la tenacidad de la muesca se mide en unidades de joule por metro cúbico (J · m −3 ) en el sistema SI, pero en este caso estamos midiendo el área en la posición de la muesca.
Ductilidad
Algunos materiales se rompen de forma muy brusca, sin deformación plástica, en lo que se denomina rotura por fragilidad. Otros, que son más dúctiles, incluida la mayoría de los metales, experimentan cierta deformación plástica y posiblemente un estrechamiento antes de fracturarse. En la ciencia de los materiales, la ductilidad es la capacidad de un material de sufrir grandes deformaciones plásticas antes de fallar y es una de las características muy importantes que los ingenieros consideran durante el diseño. La ductilidad puede expresarse como porcentaje de alargamiento o porcentaje de reducción de área de una prueba de tracción. La ductilidad es un factor importante para permitir que una estructura sobreviva cargas extremas, como las debidas a grandes cambios de presión, terremotos y huracanes, sin experimentar una falla o colapso repentino. Se define como:
Fuerza
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. Al diseñar estructuras y máquinas, es importante considerar estos factores, a fin de que el material seleccionado tenga la resistencia adecuada para resistir las cargas o fuerzas aplicadas y conservar su forma original. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.
Medición de la tenacidad: pruebas de impacto
Como se escribió, la tenacidad se puede medir mediante la prueba de Charpy o la prueba de Izod . Estas dos pruebas de impacto estandarizadas, Charpy e Izod, se utilizan para medir la energía del impacto (a veces también denominada tenacidad de la muesca). La técnica Charpy V-notch (CVN) es la más utilizada. Ambas pruebas utilizan una muestra con muescas de sección transversal definida. Para estas condiciones de carga dinámica y cuando hay una muesca, estamos usando la tenacidad de la muesca . La ubicación y la forma de la muesca son estándar. Los puntos de apoyo de la muestra, así como el impacto del martillo, deben tener una relación constante con la ubicación de la muesca.
Las pruebas se llevan a cabo montando las muestras como se muestra en la figura y permitiendo que un péndulo de un peso conocido caiga desde una altura determinada. La altura desde la que cayó el péndulo, menos la altura a la que se elevó después de deformar el espécimen, multiplicada por el peso del péndulo es una medida de la energía absorbida por el espécimen al deformarse durante el impacto con el péndulo. Cuanto mayor sea la cantidad de energía absorbida por la muestra, menor será la oscilación ascendente del péndulo y más resistente será el material.
La indicación de tenacidad es relativa y aplicable solo a casos que involucran exactamente este tipo de muestra y método de carga.
Prueba de impacto Charpy. Fuente: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Una muestra de una forma diferente producirá un resultado completamente diferente. Las muescas limitan la deformación a un pequeño volumen de metal que reduce la tenacidad. La prueba de impacto Izod es similar a la prueba de impacto Charpy pero utiliza una disposición diferente de la muestra bajo prueba. La prueba de impacto Izod difiere de la prueba de impacto Charpy en que la muestra se mantiene en una configuración de viga en voladizo en oposición a una configuración de flexión de tres puntos.
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Temperatura de transición dúctil-frágil
Fractura frágil del Liberty Ship de los Estados Unidos Esso Manhattan
Como se escribió, la distinción entre fragilidad y ductilidad no es evidente, especialmente porque tanto la ductilidad como el comportamiento frágil dependen no solo del material en cuestión, sino también de la temperatura (transición dúctil-frágil) del material. El efecto de la temperatura sobre la naturaleza de la fractura es de considerable importancia. Muchos aceros presentan fractura dúctil a temperaturas elevadas y fractura frágil a bajas temperaturas . La temperatura por encima de la cual un material es dúctil y por debajo de la cual es frágil se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil.(DBTT), temperatura de ductilidad nula (NDT) o temperatura de transición de ductilidad nula. Esta temperatura no es precisa, pero varía según el tratamiento mecánico y térmico previo y la naturaleza y cantidad de los elementos de impureza. Puede determinarse mediante algún tipo de prueba de caída de peso (por ejemplo, las pruebas Charpy o Izod ).
La temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) es la temperatura a la que la energía de fractura pasa por debajo de un valor predeterminado (por ejemplo, 40 J para una prueba de impacto Charpy estándar). La ductilidad es un requisito esencial para los aceros utilizados en la construcción de componentes de reactores, como la vasija del reactor . Por lo tanto, el DBTT es de importancia en el funcionamiento de estos buques. En este caso, el tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción, tiende a aumentar la ductilidad y da como resultado una disminución de DBTT. Tamaño de granose controla mediante tratamiento térmico en las especificaciones y fabricación de vasijas de reactores. El DBTT también se puede reducir mediante pequeñas adiciones de elementos de aleación seleccionados, como níquel y manganeso, a aceros con bajo contenido de carbono.
Normalmente, los aceros para recipientes a presión de reactores de baja aleación son aceros ferríticos que exhiben el clásico comportamiento de transición dúctil a frágil con temperatura decreciente. Esta temperatura de transición es de suma importancia durante el calentamiento de la planta.
Modos de fallo:
Región de baja tenacidad: el modo de falla principal es la fractura frágil (hendidura transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
Región de alta tenacidad: el modo de falla principal es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.
En algunos materiales, la transición es más aguda que en otros y normalmente requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en materiales con una celosía cúbica centrada en el cuerpo (bcc), el DBTT es fácilmente evidente, ya que el movimiento de las dislocaciones de los tornilloses muy sensible a la temperatura porque la reordenación del núcleo de dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede ser problemático para aceros con un alto contenido de ferrita. Esto supuestamente resultó en graves grietas en el casco de los barcos Liberty en aguas más frías durante la Segunda Guerra Mundial, lo que provocó muchos hundimientos. Los recipientes se construyeron con una aleación de acero que poseía una tenacidad adecuada según las pruebas de tracción a temperatura ambiente. Las fracturas frágiles se produjeron a temperaturas ambiente relativamente bajas, a aproximadamente 4 ° C (40 ° F), en las proximidades de la temperatura de transición de la aleación. Debe tenerse en cuenta que los metales FCC de baja resistencia (por ejemplo, aleaciones de cobre) y la mayoría de HCPlos metales no experimentan una transición de dúctil a frágil y se mantienen resistentes también a temperaturas más bajas. Por otro lado, muchos metales de alta resistencia (por ejemplo, aceros de muy alta resistencia) tampoco experimentan una transición de dúctil a frágil, pero, en este caso, permanecen muy frágiles.
La DBTT también puede verse influenciada por factores externos como la radiación de neutrones , que conduce a un aumento de los defectos de la red interna y la correspondiente disminución de la ductilidad y aumento de la DBTT.
Fragilidad por irradiación
Durante el funcionamiento de una central nuclear , el material de la vasija de presión del reactor y el material de otros componentes internos del reactor están expuestos a radiación de neutrones (especialmente a neutrones rápidos> 0,5 MeV), lo que da como resultado una fragilización localizada del acero y las soldaduras en el área del núcleo del reactor. Este fenómeno, conocido como fragilidad por irradiación, da como resultado un aumento constante de DBTT. No es probable que el DBTT se acerque a la temperatura de funcionamiento normal del acero. Sin embargo, existe la posibilidad de que cuando se apague el reactor o durante un enfriamiento anormal, la temperatura pueda caer por debajo del valor DBTT mientras la presión interna aún sea alta. Por lo tanto, los reguladores nucleares exigen que se lleve a cabo un programa de vigilancia del material de la vasija del reactor en reactores de potencia refrigerados por agua.
La fragilización por irradiación puede conducir a la pérdida de la tenacidad a la fractura. Normalmente, los aceros para recipientes a presión de reactores de baja aleación son aceros ferríticos que exhiben el clásico comportamiento de transición dúctil a frágil con temperatura decreciente. Esta temperatura de transición es de suma importancia durante el calentamiento de la planta.
Modos de fallo:
Región de baja tenacidad: el modo de falla principal es la fractura frágil (hendidura transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
Región de alta tenacidad: el modo de falla principal es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.
La irradiación de neutrones tiende a aumentar la temperatura ( temperatura de transición de dúctil a frágil ) a la que se produce esta transición y tiende a disminuir la tenacidad dúctil.
Fractura de material
Una fractura es la separación de un objeto o material en dos o más piezas bajo la acción de la tensión. Los ingenieros deben comprender los mecanismos de fractura. Hay fracturas (p. Ej., Fractura frágil ), que ocurren en condiciones específicas sin previo aviso y pueden causar daños importantes a los materiales. La fractura frágil ocurre repentina y catastróficamente sin previo aviso. Esto es una consecuencia de la propagación espontánea y rápida de grietas.. Sin embargo, para la fractura dúctil, la presencia de deformación plástica advierte que la falla es inminente, lo que permite tomar medidas preventivas. El estudio de la mecánica de las fracturas puede ayudar a comprender en detalle cómo se producen las fracturas en los materiales .
En la prueba de tracción, el punto de fractura es el punto de deformación donde el material se separa físicamente. En este punto, la deformación alcanza su valor máximo y el material realmente se fractura, aunque la tensión correspondiente puede ser menor que la resistencia última en este punto. Los materiales dúctiles tienen una resistencia a la fractura menor que la resistencia máxima a la tracción.(UTS), mientras que en materiales frágiles la resistencia a la fractura es equivalente a la UTS. Si un material dúctil alcanza su máxima resistencia a la tracción en una situación de carga controlada, continuará deformándose, sin aplicación de carga adicional, hasta que se rompa. Sin embargo, si la carga está controlada por desplazamiento, la deformación del material puede aliviar la carga, evitando la ruptura. Es posible distinguir algunas características comunes entre las curvas de tensión-deformación de varios grupos de materiales. Sobre esta base, es posible dividir los materiales en dos categorías amplias; a saber:
Materiales dúctiles . La ductilidad es la capacidad de un material para alargarse en tensión. El material dúctil se deformará (alargará) más que el material quebradizo. Los materiales dúctiles muestran una gran deformación antes de la fractura. En la fractura dúctil , se produce una deformación plástica extensa (estrechamiento) antes de la fractura. Fractura dúctil(fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. Cualquier proceso de fractura implica dos pasos, formación y propagación de grietas, en respuesta a una tensión impuesta. El modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagación de la fisura. Se dice que las grietas en los materiales dúctiles son estables (es decir, resisten la extensión sin aumentar la tensión aplicada). Para materiales frágiles, las grietas son inestables. Eso significa que la propagación de grietas, una vez iniciada, continúa espontáneamente sin un aumento en el nivel de estrés. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en plantas de reactores debido a las tensiones añadidas sobre los metales. La alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a prevenir la fractura por fragilidad.
Materiales frágiles . Los materiales frágiles, cuando se someten a tensiones, se rompen con poca deformación elástica y sin deformaciones plásticas significativas. Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de la fractura, incluso los de alta resistencia. En la fractura frágil ( hendidura transgranular ), no se produce una deformación plástica aparente antes de la fractura. En cristalografía, la escisión es la tendencia de los materiales cristalinos a dividirse a lo largo de planos estructurales cristalográficos definidos. Cualquier proceso de fractura implica dos pasos, formación y propagación de grietas , en respuesta a una tensión impuesta. El modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagación de la grieta. Para materiales frágiles ,las grietas son inestables . Eso significa que la propagación de grietas, una vez iniciada, continúa espontáneamente sin un aumento en el nivel de estrés. Las grietas se propagan rápidamente (velocidad del sonido) y ocurren a altas velocidades, hasta 2133,6 m / s en acero. Cabe señalar que un tamaño de grano más pequeño , una temperatura más alta y una tensión más baja tienden a mitigar la iniciación de grietas. El tamaño de grano más grande, las temperaturas más bajas y la tensión más alta tienden a favorecer la propagación de grietas. Existe un nivel de tensión por debajo del cual una grieta no se propagará a ninguna temperatura. Esto se denomina estrés de propagación de fractura más bajo. Para la fractura frágil, la superficie de la fractura es relativamente plana y perpendicular a la dirección de la carga de tracción aplicada. En general, la fractura frágil requiere tres condiciones:
Defecto como una grieta
Esfuerzo suficiente para desarrollar una pequeña deformación en la punta de la grieta.
Temperatura en o por debajo de DBTT
Corrosión bajo tensión
Uno de los problemas metalúrgicos más graves y una de las principales preocupaciones en la industria nuclear es el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC). El agrietamiento por corrosión bajo tensión resulta de la acción combinada de una tensión de tracción aplicada y un entorno corrosivo., ambas influencias son necesarias. El SCC es un tipo de corrosión por ataque intergranular que se produce en los límites del grano bajo tensión de tracción. Tiende a propagarse a medida que la tensión abre grietas que están sujetas a corrosión, que luego se corroen aún más, debilitando el metal al agrietarse aún más. Las grietas pueden seguir trayectorias intergranulares o transgranulares y, a menudo, existe una tendencia a la ramificación de las grietas. El comportamiento de falla es característico del de un material frágil, aunque la aleación de metal es intrínsecamente dúctil. El SCC puede provocar una falla repentina inesperada de las aleaciones de metales normalmente dúctiles sometidas a un esfuerzo de tracción, especialmente a temperaturas elevadas. El SCC es químicamente muy específico en el sentido de que es probable que ciertas aleaciones se sometan a SCC solo cuando se exponen a una pequeña cantidad de entornos químicos.
Los medios más eficaces para prevenir el SCC en los sistemas de reactores son:
diseñando correctamente
reduciendo estrés
eliminar especies ambientales críticas como hidróxidos, cloruros y oxígeno
evitando áreas estancadas y grietas en intercambiadores de calor donde el cloruro y el hidróxido pueden concentrarse.
El agrietamiento por corrosión bajo tensión puede causar, por ejemplo, una falla de la barra de combustible nuclear después de cambios de potencia inapropiados, movimiento de la barra y arranque de la planta . Ciertos aceros inoxidables austeníticos y aleaciones de aluminio se agrietan en presencia de cloruros y grietas de acero dulce en presencia de álcalis (agrietamiento en caldera). Los aceros de baja aleación son menos susceptibles que los aceros de alta aleación, pero están sujetos a SCC en agua que contiene iones de cloruro. Sin embargo, las aleaciones a base de níquel no se ven afectadas por los iones cloruro o hidróxido. Un ejemplo de una aleación a base de níquel que es resistente al agrietamiento por corrosión bajo tensión es inconel.
Referencia especial: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Agrietamiento por corrosión bajo tensión como mecanismo de falla de combustible
El revestimiento evita que los productos de fisión radiactivos escapen de la matriz de combustible al refrigerante del reactor y lo contaminen. Hay varias causas fundamentales de las fallas de combustible , que se han identificado en el pasado. En las primeras fechas de las operaciones de PWR y BWR, estas causas eran predominantemente defectos de fabricación o desgaste. Una de las posibles causas es también la interacción entre pellets y revestimiento (PCI), que puede ser causada por el agrietamiento por corrosión bajo tensión. El agrietamiento por corrosión bajo tensión puede causar, por ejemplo, una falla de la barra de combustible nuclear después de cambios inapropiados de potencia, movimiento de la barra y arranque de la planta.
En condiciones de funcionamiento nominales, la temperatura de los pellets se sitúa en unos 1000 ° C en el centro y entre 400 y 500 ° C en la periferia. En caso de un aumento importante de la potencia, la temperatura en el centro del pellet aumenta bruscamente (> 1.500 ° C, o incluso> 2.000 ° C). En este caso, una diferencia en las expansiones térmicas entre la vaina de combustible y los pellets de combustible provoca un aumento de la tensión en la vaina de combustible. La falla del combustible PCI es causada por el agrietamiento por corrosión bajo tensión en la superficie interior del revestimiento, que resulta de los efectos combinados de la expansión de los pellets de combustible (especialmente en las grietas radiales de los pellets y la presencia de un ambiente de producto de fisión agresivo (especialmente yodo gaseoso).). Se encuentra que tal falla ocurre, experimentalmente, después de un tiempo de retención de uno a unos pocos minutos, a niveles altos de potencia sostenidos.
Referencia especial: CEA, División de Energía Nuclear. Combustibles nucleares, ISBN 978-2-281-11345-7
Fragilidad por hidrógeno
La fragilización por hidrógeno es una de las muchas formas de agrietamiento por corrosión bajo tensión. La fragilización por hidrógeno resulta de la acción combinada de una tensión de tracción aplicada y un entorno de hidrógeno corrosivo, ambas influencias son necesarias. En este caso, el agente corrosivo es el hidrógeno en su forma atómica (H en oposición a la forma molecular, H 2 ), que se difunde intersticialmente a través de la red cristalina.y concentraciones tan bajas como varias partes por millón pueden provocar agrietamiento. Aunque la fragilización de los materiales adopta muchas formas, la fragilización por hidrógeno en los aceros de alta resistencia tiene el efecto más devastador debido a la naturaleza catastrófica de las fracturas cuando ocurren. Fragilización por hidrógeno es el proceso por el cual el acero pierde su ductilidad y resistencia debido a las pequeñas grietas que se derivan de la presión interna de hidrógeno (H 2), que se forma en los límites de los granos. En el caso de los aceros, el hidrógeno se difunde a lo largo de los límites de los granos y se combina con el carbono para formar gas metano. El gas metano se acumula en pequeños huecos a lo largo de los límites de los granos, donde acumula enormes presiones que inician grietas y disminuyen la ductilidad del acero. Si el metal está sometido a una gran tensión de tracción, puede producirse una fractura por fragilidad .
Es un proceso complejo que no se comprende completamente debido a la variedad y complejidad de los mecanismos que pueden conducir a la fragilidad. Se han propuesto varios mecanismos para explicar la fragilización por hidrógeno. Los mecanismos que se han propuesto para explicar la fragilización incluyen la formación de hidruros frágiles, la creación de huecos que pueden provocar burbujas y acumulación de presión dentro de un material. El hidrógeno se introduce en la superficie de un metal y los átomos de hidrógeno individuales se difunden a través de la estructura del metal. Debido a que la solubilidad del hidrógeno aumenta a temperaturas más altas, el aumento de la temperatura puede incrementar la difusión del hidrógeno.
Para que se produzca la fragilización por hidrógeno, se requiere una combinación de tres condiciones:
la presencia y difusión de hidrógeno
un material susceptible
estrés
En las aleaciones de circonio , la fragilización por hidrógeno es causada por la hidruración de circonio. En las instalaciones de reactores nucleares, el término "fragilización por hidrógeno" generalmente se refiere a la fragilización de las aleaciones de circonio causada por la hidruración de circonio.
Referencia especial: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Debilitamiento por hidrógeno de las aleaciones de circonio
El revestimiento evita que los productos de fisión radiactivos escapen de la matriz de combustible al refrigerante del reactor y lo contaminen. Hay varias causas fundamentales de fallas de combustible , que se han identificado en el pasado. En las primeras fechas de las operaciones de PWR y BWR, estas causas eran predominantemente defectos de fabricación o desgaste. Una de las posibles causas también es:
Hidratación interna. La inclusión involuntaria de materiales que contienen hidrógeno dentro de una barra de combustible puede provocar la hidruración y, por lo tanto, la fragilización de la vaina del combustible. Las fuentes de hidrógeno fueron principalmente humedad residual o contaminación orgánica en pastillas / barras de combustible. Esta causa de falla se ha eliminado prácticamente mediante una fabricación mejorada.
Agrietamiento retardado por hidruro (DHC). El agrietamiento retardado por hidruro es el inicio y la propagación de la grieta dependiente del tiempo a través de la fractura de hidruros que pueden formarse antes de la punta de la grieta. Este tipo de falla puede iniciarse por grietas largas en la superficie exterior del revestimiento, que pueden propagarse en una dirección axial / radial. Este mecanismo de falla puede limitar potencialmente la operación de quemado alto.
El agente agresivo a este respecto es el agua del circuito primario, a una temperatura de unos 300 ° C.Esta oxida el circonio según la reacción:
Zr + 2H 2 O → ZrO 2 + 2H 2
resultando en la formación de óxido sólido en la superficie del metal.
Parte del hidrógeno producido por la corrosión del circonio en agua se combina con el circonio para formar una fase separada de plaquetas de hidruro de circonio (ZrH1.5). El hidrógeno migra bajo el efecto del gradiente térmico para acumularse en las regiones menos calientes, formando hidruros que pueden causar fragilidad en el revestimiento, a medida que el combustible se enfría. Luego, el metal se vuelve quebradizo (la ductilidad disminuye) y se fractura fácilmente. Las grietas comienzan a formarse en las plaquetas de hidruro de circonio y se propagan a través del metal.
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Véase más arriba:
Propiedades del material
Esperamos que este artículo, Dureza , te ayude. Si es así, danos un me gusta en la barra lateral. El objetivo principal de este sitio web es ayudar al público a conocer información importante e interesante sobre los materiales y sus propiedades.
El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el estrés en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Límite elástico
En la figura se muestra un diagrama esquemático de la curva tensión-deformación del acero con bajo contenido de carbono a temperatura ambiente. Hay varias etapas que muestran diferentes comportamientos, lo que sugiere diferentes propiedades mecánicas. Para aclarar, los materiales pueden perder una o más etapas que se muestran en la figura, o tener etapas totalmente diferentes. En este caso tenemos que distinguir entre las características tensión-deformación de los materiales dúctiles y frágiles. Los siguientes puntos describen las diferentes regiones de la curva tensión-deformación y la importancia de varias ubicaciones específicas.
Límite elástico – Límite elástico
El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el estrés en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del punto de fluencia, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se pasa el límite elástico, una fracción de la deformación será permanente y no reversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de punto de fluencia. Los límites elásticos varían desde 35 MPa para un aluminio de baja resistencia hasta más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.
En muchas situaciones, el límite elástico se utiliza para identificar la tensión admisible a la que se puede someter un material. Para componentes que tienen que soportar altas presiones, como los que se utilizan en los reactores de agua a presión (PWR), este criterio no es adecuado. Para cubrir estas situaciones, la teoría de falla del esfuerzo cortante máximo se ha incorporado en el Código de calderas y recipientes a presión de ASME (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos), Sección III, Reglas para la construcción de recipientes a presión nucleares. Esta teoría establece que la falla de un componente de tubería ocurre cuando el esfuerzo cortante máximo excede el esfuerzo cortante en el punto de fluencia en una prueba de tracción.
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Referencias:
Ciencia de los materiales:
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de los Materiales. Manual de fundamentos del DOE, volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de los Materiales. Manual de fundamentos del DOE, volumen 2 y 2. Enero de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e ingeniería de materiales: una introducción, novena edición, Wiley; 9 edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo por la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introducción a la termodinámica de materiales (4ª ed.). Editorial Taylor y Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Una introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1
Ashby, Michael; Hugo Shercliff; David Cebón (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3.ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Véase más arriba:
Curva de tensión-deformación
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La ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. En esta región, el alargamiento de la barra es directamente proporcional a la fuerza de tracción. [/Su_quote]
La mayoría de los materiales policristalinos tienen dentro de su rango elástico una relación casi constante entre tensión y deformación. En 1678, un científico inglés llamado Robert Hooke realizó experimentos que proporcionaron datos que mostraban que en el rango elástico de un material, la deformación es proporcional a la tensión . Robert Hooke concluyó que la fuerza F en cualquier resorte es proporcional a la extensión (la deformación del estado relajado) x de la siguiente manera:
F = k · x
donde el término k es la rigidez del resorte yx es pequeño en comparación con la posible deformación total del resorte. Eventualmente debe fallar una vez que las fuerzas excedan algún límite, ya que ningún material puede comprimirse más allá de un cierto tamaño mínimo, o estirarse más allá de un tamaño máximo, sin alguna deformación permanente o cambio de estado.
En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. En esta región, el alargamiento de la barra es directamente proporcional a la fuerza de tracción y la longitud de la barra e inversamente proporcional al área de la sección transversal y al módulo de elasticidad . Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke,la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young .
Podemos extender la misma idea de relacionar el esfuerzo con la deformación y las aplicaciones de corte en la región lineal, relacionando el esfuerzo de corte con la deformación de corte para crear la ley de Hooke para el esfuerzo de corte :
Para materiales isotrópicos dentro de la región elástica, puede relacionar la relación de Poisson (ν), el módulo de elasticidad de Young (E) y el módulo de elasticidad de corte (G):
Los módulos elásticos relevantes para los materiales policristalinos:
Módulo de elasticidad de Young. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción.
Módulo de elasticidad a cortante. El módulo de corte, o módulo de rigidez, se deriva de la torsión de una probeta cilíndrica. Describe la respuesta del material al esfuerzo cortante. Su símbolo es G. El módulo de corte es una de varias cantidades para medir la rigidez de los materiales y surge en la ley de Hooke generalizada.
Módulo de elasticidad a granel. El módulo de elasticidad volumétrico describe la elasticidad volumétrica o la tendencia de un objeto a deformarse en todas las direcciones cuando se carga uniformemente en todas las direcciones. Por ejemplo, describe la respuesta elástica a la presión hidrostática y la tensión equilátera (como la presión en el fondo del océano o una piscina profunda). También es propiedad de un material la que determina la respuesta elástica a la aplicación de tensión. Para un fluido, solo el módulo volumétrico es significativo.
References:
Ciencia de los materiales:
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
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Véase más arriba:
Fuerza
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Podemos extender la misma idea de relacionar el esfuerzo con la deformación y las aplicaciones de corte en la región lineal, relacionando el esfuerzo cortante con la deformación cortante para crear la ley de Hooke para el esfuerzo cortante.
En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. En esta región, el alargamiento de la barra es directamente proporcional a la fuerza de tracción y la longitud de la barra e inversamente proporcional al área de la sección transversal y al módulo de elasticidad . Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke,la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young .
Podemos extender la misma idea de relacionar el esfuerzo con la deformación y las aplicaciones de corte en la región lineal, relacionando el esfuerzo de corte con la deformación de corte para crear la ley de Hooke para el esfuerzo de corte :
Para materiales isotrópicos dentro de la región elástica, puede relacionar la relación de Poisson (ν), el módulo de elasticidad de Young (E) y el módulo de elasticidad de corte (G):
Módulo de elasticidad de corte
El módulo de cizallamiento, o módulo de rigidez, se deriva de la torsión de una probeta cilíndrica. Describe la respuesta del material al esfuerzo cortante. Su símbolo es G. El módulo de corte es una de varias cantidades para medir la rigidez de los materiales y surge en la ley de Hooke generalizada.
Esfuerzo cortante . El esfuerzo cortante existe cuando dos partes de un material tienden a deslizarse entre sí en cualquier plano típico de cortante al aplicar una fuerza paralela a ese plano. La torsión es una variación de corte puro en el que se tuerce un miembro estructural. Las fuerzas de torsión producen un movimiento de rotación alrededor del eje longitudinal de un extremo del miembro con respecto al otro extremo. El esfuerzo cortante también es de gran importancia en la naturaleza, ya que está íntimamente relacionado con el movimiento descendente de los materiales terrestres (como en el caso de las avalanchas).
Esfuerzos por cizallamiento. Una deformación cortante resulta de un esfuerzo cortante y es una deformación calculada a partir de los desplazamientos relativos que se miden en paralelo a dos planos de referencia. Las deformaciones cortantes miden el movimiento paralelo relativo de un plano de referencia con respecto a otro. El símbolo de la deformación por cizallamiento suele ser el símbolo griego en minúsculas gamma (γ).
En muchas situaciones, el límite elástico se utiliza para identificar la tensión permisible a la que se puede someter un material. Para los componentes que tienen que soportar altas presiones, como los que se utilizan en los reactores de agua a presión (PWR), este criterio no es adecuado. Para cubrir estas situaciones, la teoría de falla del esfuerzo cortante máximo se ha incorporado en el Código de recipientes a presión y calderas de ASME (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos), Sección III, Reglas para la construcción de recipientes a presión nucleares. Esta teoría establece que la falla de un componente de tubería ocurre cuando el esfuerzo cortante máximo excede el esfuerzo cortante en el punto de fluencia en una prueba de tracción.
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Ciencia de los materiales:
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González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Véase más arriba:
Ley de Hooke
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En la ciencia de los materiales, la dureza es la capacidad de resistir la hendidura de la superficie (deformación plástica localizada) y el rayado. La dureza es probablemente la propiedad del material menos definida porque puede indicar resistencia al rayado, resistencia a la abrasión, resistencia a la indentación o incluso resistencia a la deformación o deformación plástica localizada. [/Su_quote]
En la ciencia de los materiales, la dureza es la capacidad de resistir la hendidura de la superficie ( deformación plástica localizada ) y el rayado . La dureza es probablemente la propiedad del material menos definida porque puede indicar resistencia al rayado, resistencia a la abrasión, resistencia a la indentación o incluso resistencia a la deformación o deformación plástica localizada. La dureza es importante desde el punto de vista de la ingeniería porque la resistencia al desgaste por fricción o erosión por vapor, aceite y agua generalmente aumenta con la dureza.
Hay tres tipos principales de medidas de dureza :
Dureza al rayado . La dureza al rayado es la medida de la resistencia de una muestra a la deformación plástica permanente debido a la fricción de un objeto afilado. La escala más común para esta prueba cualitativa es la escala de Mohs , que se utiliza en mineralogía. La escala de dureza mineral de Mohs se basa en la capacidad de una muestra natural de mineral para rayar visiblemente otro mineral. La dureza de un material se mide contra la escala encontrando el material más duro que el material dado puede rayar, o el material más blando que puede rayar el material dado. Por ejemplo, si algún material es rayado por el topacio pero no por el cuarzo, su dureza en la escala de Mohs estaría entre 7 y 8.
Dureza de indentación . La dureza de la indentación mide la capacidad de resistir la indentación de la superficie (deformación plástica localizada) y la resistencia de una muestra a la deformación del material debido a una carga de compresión constante de un objeto afilado. Las pruebas de dureza de indentación se utilizan principalmente en los campos de la ingeniería y la metalurgia. Los métodos tradicionales se basan en pruebas de dureza de indentación física bien definidas. Los penetradores muy duros de geometrías y tamaños definidos se presionan continuamente en el material bajo una fuerza particular. Los parámetros de deformación, como la profundidad de la indentación en el método de Rockwell, se registran para dar medidas de dureza. Las escalas de dureza de indentación más comunes son Brinell , Rockwell y Vickers .
Dureza de rebote . La dureza de rebote, también conocida como dureza dinámica, mide la altura del "rebote" de un martillo con punta de diamante que se deja caer desde una altura fija sobre un material. Uno de los dispositivos que se utilizan para tomar esta medida se conoce como escleroscopio . Consiste en una bola de acero que se deja caer desde una altura fija. Este tipo de dureza está relacionado con la elasticidad.
Dentro de cada una de estas clases de medición hay escalas de medición individuales. Por razones prácticas, las tablas de conversión se utilizan para convertir entre una escala y otra.
Dureza de medición
Se han desarrollado muchas técnicas para obtener una medida cualitativa y una medida cuantitativa de dureza. Entre las más populares se encuentran las pruebas de sangría., que se basan en la capacidad de un material para resistir la hendidura de la superficie (deformación plástica localizada). Los más utilizados son Brinell, Rockwell, Vickers, Tukon, Sclerscope y la prueba de dureza de rebote de Leeb. Los primeros cuatro se basan en pruebas de indentación y el quinto en la altura de rebote de un martillo metálico con punta de diamante. Según el principio dinámico de Leeb, el valor de dureza se deriva de la pérdida de energía de un cuerpo de impacto definido después de impactar sobre una muestra de metal, similar al escleroscopio Shore. Como resultado de muchas pruebas, se han preparado comparaciones utilizando fórmulas, tablas y gráficos que muestran las relaciones entre los resultados de varias pruebas de dureza de aleaciones específicas. Sin embargo, no existe una relación matemática exacta entre dos de los métodos.
Prueba de dureza Brinell
La prueba de dureza Brinell es una de las pruebas de dureza por indentación, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. En las pruebas Brinell, se fuerza un penetrador esférico duro bajo una carga específica en la superficie del metal que se va a probar. La prueba típica utiliza una bola de acero endurecido de 10 mm (0,39 pulg.) De diámetro como penetrador con una fuerza de 3000 kgf (29,42 kN; 6,614 lbf). La carga se mantiene constante durante un tiempo determinado (entre 10 y 30 s). Para materiales más blandos, se usa una fuerza menor; para materiales más duros, una bola de carburo de tungsteno se sustituye por la bola de acero.
La prueba proporciona resultados numéricos para cuantificar la dureza de un material, que se expresa mediante el número de dureza Brinell - HB . El número de dureza Brinell está designado por las normas de prueba más comúnmente utilizadas (ASTM E10-14 [2] e ISO 6506-1: 2005) como HBW (H de dureza, B de Brinell y W del material del penetrador, tungsteno ( wolfram) carburo). En las normas anteriores se utilizaba HB o HBS para referirse a las medidas realizadas con penetradores de acero.
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El número de dureza Brinell (HB) es la carga dividida por el área de la superficie de la muesca. El diámetro de la impresión se mide con un microscopio con una escala superpuesta. El número de dureza Brinell se calcula a partir de la ecuación:
Existe una variedad de métodos de prueba de uso común (por ejemplo, Brinell, Knoop, Vickers y Rockwell). Hay tablas disponibles que correlacionan los números de dureza de los diferentes métodos de prueba donde la correlación es aplicable. En todas las escalas, un número de dureza alto representa un metal duro.
Además de la correlación entre diferentes números de dureza, también existen algunas correlaciones posibles con otras propiedades del material. Por ejemplo, para aceros al carbono simples tratados térmicamente y aceros de aleación media, otra conversión conveniente es la de dureza Brinell a resistencia máxima a la tracción . En este caso, la resistencia máxima a la tracción (en psi) es aproximadamente igual al número de dureza Brinell multiplicado por 500 . Generalmente, una dureza alta indicará una resistencia relativamente alta y una ductilidad baja en el material.
En la industria, las pruebas de dureza de los metales se utilizan principalmente para comprobar la calidad y uniformidad de los metales, especialmente durante las operaciones de tratamiento térmico. Generalmente, las pruebas se pueden aplicar al producto terminado sin daños importantes.
Prueba de dureza Rockwell
La prueba de dureza Rockwell es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el número de dureza Rockwell . Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC , etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.
Se pueden usar varias escalas diferentes a partir de posibles combinaciones de varios penetradores y diferentes cargas, un proceso que permite el ensayo de prácticamente todas las aleaciones metálicas. La prueba proporciona resultados para cuantificar la dureza de un material, que se expresa mediante el número de dureza Rockwell - HR , que se muestra directamente en el dial. Los diversos tipos de penetradores combinados con una gama de cargas de prueba forman una matriz de escalas de dureza Rockwell que son aplicables a una amplia variedad de materiales. Rockwell B y Rockwell C son las pruebas típicas en esta instalación. El penetrador Rockwell B es una bola de carburo de tungsteno de 1,59 mm (1/16 de pulgada) de diámetro y la carga principal es de 100 kg. La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale ( cono de diamante de 120 °) y una carga mayor de 150 kg.
Cada escala de dureza Rockwell se identifica mediante una designación de letra que indica el tipo de penetrador y las cargas mayores y menores utilizadas para la prueba. El número de dureza Rockwell se expresa como una combinación del valor numérico de dureza medido y la letra de la escala precedida por las letras HR.
Existe una variedad de métodos de prueba de dureza de uso común (por ejemplo, Brinell, Knoop, Vickers y Rockwell). Hay tablas disponibles que correlacionan los números de dureza de los diferentes métodos de prueba donde la correlación es aplicable. En todas las escalas, un número de dureza alto representa un metal duro.
En la industria, las pruebas de dureza de los metales se utilizan principalmente para comprobar la calidad y uniformidad de los metales, especialmente durante las operaciones de tratamiento térmico. Generalmente, las pruebas se pueden aplicar al producto terminado sin daños importantes. La popularidad comercial de la prueba de dureza Rockwell surge de su velocidad, confiabilidad, robustez, resolución y pequeña área de indentación.
Prueba de dureza Vickers
El método de prueba de dureza Vickers fue desarrollado por Robert L. Smith y George E. Sandland en Vickers Ltd como una alternativa al método Brinell para medir la dureza de materiales. El método de prueba de dureza Vickers también se puede utilizar como método de prueba de microdureza , que se utiliza principalmente para piezas pequeñas, secciones delgadas o trabajos de profundidad de caja. Dado que la muesca de prueba es muy pequeña en una prueba de microdureza Vickers, es útil para una variedad de aplicaciones tales como: probar materiales muy delgados como láminas o medir la superficie de una pieza, piezas pequeñas o áreas pequeñas.
El método de Vickers se basa en un sistema de medición óptica. El procedimiento de prueba de microdureza, ASTM E-384, especifica un rango de cargas ligeras utilizando un penetrador de diamante para hacer una muesca que se mide y se convierte en un valor de dureza. La prueba de Vickers es a menudo más fácil de usar que otras pruebas de dureza, ya que los cálculos requeridos son independientes del tamaño del penetrador, y el penetrador puede usarse para todos los materiales independientemente de la dureza. Se utiliza un diamante en forma de pirámide de base cuadrada para las pruebas en la escala de Vickers. Para la microindentación, las cargas típicas son muy ligeras, oscilando entre 10 gf y 1 kgf, aunque las cargas de macroindentación Vickers pueden variar hasta 30 kg o más.
Prueba de dureza Knoop
El método de prueba de dureza Knoop es una de las pruebas de microdureza : pruebas de dureza mecánica que se utilizan particularmente para materiales muy frágiles o láminas delgadas, donde solo se puede hacer una pequeña hendidura para fines de prueba. Las técnicas de Knoop y Vickers se denominan métodos de prueba de microindentación en función del tamaño del penetrador. Ambos son adecuados para medir la dureza de regiones de muestras pequeñas y seleccionadas; Además, la técnica de Knoop se utiliza para probar materiales frágiles como la cerámica. La geometría de este indentador es una pirámide extendida con una relación de largo a ancho de 7: 1 y los ángulos de cara respectivos son 172 grados para el borde largo y 130 grados para el borde corto.
Los números de dureza de Knoop y Vickers están designados por HK y HV, respectivamente, y las escalas de dureza para ambas técnicas son aproximadamente equivalentes. El número de dureza Knoop HK o viene dado por la fórmula:
Números de dureza y conversión
Existe una variedad de métodos de prueba de dureza de uso común (por ejemplo, Brinell, Knoop, Vickers y Rockwell). Hay tablas disponibles que correlacionan los números de dureza de los diferentes métodos de prueba donde la correlación es aplicable. En todas las escalas, un número de dureza alto representa un metal duro.
En la industria, las pruebas de dureza de los metales se utilizan principalmente para comprobar la calidad y uniformidad de los metales, especialmente durante las operaciones de tratamiento térmico. Generalmente, las pruebas se pueden aplicar al producto terminado sin daños importantes. La popularidad comercial de la prueba de dureza Rockwell surge de su velocidad, confiabilidad, robustez, resolución y pequeña área de indentación.
Dureza y resistencia a la tracción
Además de la correlación entre diferentes números de dureza, también existen algunas correlaciones posibles con otras propiedades del material. Por ejemplo, para aceros al carbono simples tratados térmicamente y aceros de aleación media, otra conversión conveniente es la de dureza Brinell a resistencia máxima a la tracción . En este caso, la resistencia máxima a la tracción (en psi) es aproximadamente igual al número de dureza Brinell multiplicado por 500 . Generalmente, una dureza alta indicará una resistencia relativamente alta y una ductilidad baja en el material.
En la industria, las pruebas de dureza de los metales se utilizan principalmente para comprobar la calidad y uniformidad de los metales, especialmente durante las operaciones de tratamiento térmico. Generalmente, las pruebas se pueden aplicar al producto terminado sin daños importantes.
References:
Ciencia de los materiales:
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: comprender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
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Propiedades del material
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En la ciencia de los materiales, la fragilidad se entiende como la falta de ductilidad. Para los ingenieros, la comprensión de la diferencia entre material frágil y dúctil es de suma importancia. [/Su_quote]
En la ciencia de los materiales, la fragilidad se entiende como la falta de ductilidad . Para los ingenieros, la comprensión de la diferencia entre material frágil y dúctil es de suma importancia. Hay fracturas (p. Ej., Fractura frágil), que ocurren en condiciones específicas sin previo aviso y pueden causar daños importantes a los materiales. La fractura frágil ocurre repentina y catastróficamente sin previo aviso . Esto es una consecuencia de la rápida y espontánea propagación de grietas. El estudio de la mecánica de las fracturas puede ayudar a comprender en detalle cómo se producen las fracturas en los materiales.
En la prueba de tracción, el punto de fractura es el punto de deformación donde el material se separa físicamente. En este punto, la deformación alcanza su valor máximo y el material realmente se fractura, aunque la tensión correspondiente puede ser menor que la resistencia última en este punto. Los materiales dúctiles tienen una resistencia a la fractura menor que la resistencia máxima a la tracción.(UTS), mientras que en materiales frágiles la resistencia a la fractura es equivalente a la UTS. Si un material dúctil alcanza su máxima resistencia a la tracción en una situación de carga controlada, continuará deformándose, sin aplicación de carga adicional, hasta que se rompa. Sin embargo, si la carga está controlada por desplazamiento, la deformación del material puede aliviar la carga, evitando la ruptura. Es posible distinguir algunas características comunes entre las curvas de tensión-deformación de varios grupos de materiales.
Fractura de material
Una fractura es la separación de un objeto o material en dos o más piezas bajo la acción de la tensión. Los ingenieros deben comprender los mecanismos de fractura. Hay fracturas (p. Ej., Fractura frágil ), que ocurren en condiciones específicas sin previo aviso y pueden causar daños importantes a los materiales. La fractura frágil ocurre repentina y catastróficamente sin previo aviso. Esto es una consecuencia de la propagación espontánea y rápida de grietas.. Sin embargo, para la fractura dúctil, la presencia de deformación plástica advierte que la falla es inminente, lo que permite tomar medidas preventivas. El estudio de la mecánica de las fracturas puede ayudar a comprender en detalle cómo se producen las fracturas en los materiales .
En la prueba de tracción, el punto de fractura es el punto de deformación donde el material se separa físicamente. En este punto, la deformación alcanza su valor máximo y el material realmente se fractura, aunque la tensión correspondiente puede ser menor que la resistencia última en este punto. Los materiales dúctiles tienen una resistencia a la fractura menor que la resistencia máxima a la tracción.(UTS), mientras que en materiales frágiles la resistencia a la fractura es equivalente a la UTS. Si un material dúctil alcanza su máxima resistencia a la tracción en una situación de carga controlada, continuará deformándose, sin aplicación de carga adicional, hasta que se rompa. Sin embargo, si la carga está controlada por desplazamiento, la deformación del material puede aliviar la carga, evitando la ruptura. Es posible distinguir algunas características comunes entre las curvas de tensión-deformación de varios grupos de materiales. Sobre esta base, es posible dividir los materiales en dos categorías amplias; a saber:
Materiales dúctiles . La ductilidad es la capacidad de un material para alargarse en tensión. El material dúctil se deformará (alargará) más que el material quebradizo. Los materiales dúctiles muestran una gran deformación antes de la fractura. En la fractura dúctil , se produce una deformación plástica extensa (estrechamiento) antes de la fractura. Fractura dúctil(fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. Cualquier proceso de fractura implica dos pasos, formación y propagación de grietas, en respuesta a una tensión impuesta. El modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagación de la fisura. Se dice que las grietas en los materiales dúctiles son estables (es decir, resisten la extensión sin aumentar la tensión aplicada). Para materiales frágiles, las grietas son inestables. Eso significa que la propagación de grietas, una vez iniciada, continúa espontáneamente sin un aumento en el nivel de estrés. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en plantas de reactores debido a las tensiones añadidas sobre los metales. La alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a prevenir la fractura por fragilidad.
Materiales frágiles . Los materiales frágiles, cuando se someten a tensiones, se rompen con poca deformación elástica y sin deformaciones plásticas significativas. Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de la fractura, incluso los de alta resistencia. En la fractura frágil ( hendidura transgranular ), no se produce una deformación plástica aparente antes de la fractura. En cristalografía, la escisión es la tendencia de los materiales cristalinos a dividirse a lo largo de planos estructurales cristalográficos definidos. Cualquier proceso de fractura implica dos pasos, formación y propagación de grietas , en respuesta a una tensión impuesta. El modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagación de la grieta. Para materiales frágiles ,las grietas son inestables . Eso significa que la propagación de grietas, una vez iniciada, continúa espontáneamente sin un aumento en el nivel de estrés. Las grietas se propagan rápidamente (velocidad del sonido) y ocurren a altas velocidades, hasta 2133,6 m / s en acero. Cabe señalar que un tamaño de grano más pequeño , una temperatura más alta y una tensión más baja tienden a mitigar la iniciación de grietas. El tamaño de grano más grande, las temperaturas más bajas y la tensión más alta tienden a favorecer la propagación de grietas. Existe un nivel de tensión por debajo del cual una grieta no se propagará a ninguna temperatura. Esto se denomina estrés de propagación de fractura más bajo. Para la fractura frágil, la superficie de la fractura es relativamente plana y perpendicular a la dirección de la carga de tracción aplicada. En general, la fractura frágil requiere tres condiciones:
Defecto como una grieta
Esfuerzo suficiente para desarrollar una pequeña deformación en la punta de la grieta.
Temperatura en o por debajo de DBTT
Temperatura de transición dúctil-frágil
Fractura frágil del Liberty Ship de los Estados Unidos Esso Manhattan
Como se escribió, la distinción entre fragilidad y ductilidad no es evidente, especialmente porque tanto la ductilidad como el comportamiento frágil dependen no solo del material en cuestión, sino también de la temperatura (transición dúctil-frágil) del material. El efecto de la temperatura sobre la naturaleza de la fractura es de considerable importancia. Muchos aceros presentan fractura dúctil a temperaturas elevadas y fractura frágil a bajas temperaturas . La temperatura por encima de la cual un material es dúctil y por debajo de la cual es frágil se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil.(DBTT), temperatura de ductilidad nula (NDT) o temperatura de transición de ductilidad nula. Esta temperatura no es precisa, pero varía según el tratamiento mecánico y térmico previo y la naturaleza y cantidad de los elementos de impureza. Puede determinarse mediante algún tipo de prueba de caída de peso (por ejemplo, las pruebas Charpy o Izod ).
La temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) es la temperatura a la que la energía de fractura pasa por debajo de un valor predeterminado (por ejemplo, 40 J para una prueba de impacto Charpy estándar). La ductilidad es un requisito esencial para los aceros utilizados en la construcción de componentes de reactores, como la vasija del reactor . Por lo tanto, el DBTT es de importancia en el funcionamiento de estos buques. En este caso, el tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción, tiende a aumentar la ductilidad y da como resultado una disminución de DBTT. Tamaño de granose controla mediante tratamiento térmico en las especificaciones y fabricación de vasijas de reactores. El DBTT también se puede reducir mediante pequeñas adiciones de elementos de aleación seleccionados, como níquel y manganeso, a aceros con bajo contenido de carbono.
Normalmente, los aceros para recipientes a presión de reactores de baja aleación son aceros ferríticos que exhiben el clásico comportamiento de transición dúctil a frágil con temperatura decreciente. Esta temperatura de transición es de suma importancia durante el calentamiento de la planta.
Modos de fallo:
Región de baja tenacidad: el modo de falla principal es la fractura frágil (hendidura transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
Región de alta tenacidad: el modo de falla principal es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.
En algunos materiales, la transición es más aguda que en otros y normalmente requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en materiales con una celosía cúbica centrada en el cuerpo (bcc), el DBTT es fácilmente evidente, ya que el movimiento de las dislocaciones de los tornilloses muy sensible a la temperatura porque la reordenación del núcleo de dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede ser problemático para aceros con un alto contenido de ferrita. Esto supuestamente resultó en graves grietas en el casco de los barcos Liberty en aguas más frías durante la Segunda Guerra Mundial, lo que provocó muchos hundimientos. Los recipientes se construyeron con una aleación de acero que poseía una tenacidad adecuada según las pruebas de tracción a temperatura ambiente. Las fracturas frágiles se produjeron a temperaturas ambiente relativamente bajas, a aproximadamente 4 ° C (40 ° F), en las proximidades de la temperatura de transición de la aleación. Debe tenerse en cuenta que los metales FCC de baja resistencia (por ejemplo, aleaciones de cobre) y la mayoría de HCPlos metales no experimentan una transición de dúctil a frágil y se mantienen resistentes también a temperaturas más bajas. Por otro lado, muchos metales de alta resistencia (por ejemplo, aceros de muy alta resistencia) tampoco experimentan una transición de dúctil a frágil, pero, en este caso, permanecen muy frágiles.
La DBTT también puede verse influenciada por factores externos como la radiación de neutrones , que conduce a un aumento de los defectos de la red interna y la correspondiente disminución de la ductilidad y aumento de la DBTT.
Fragilidad por irradiación
Durante el funcionamiento de una central nuclear , el material de la vasija de presión del reactor y el material de otros componentes internos del reactor están expuestos a radiación de neutrones (especialmente a neutrones rápidos> 0,5 MeV), lo que da como resultado una fragilización localizada del acero y las soldaduras en el área del núcleo del reactor. Este fenómeno, conocido como fragilidad por irradiación, da como resultado un aumento constante de DBTT. No es probable que el DBTT se acerque a la temperatura de funcionamiento normal del acero. Sin embargo, existe la posibilidad de que cuando se apague el reactor o durante un enfriamiento anormal, la temperatura pueda caer por debajo del valor DBTT mientras la presión interna aún sea alta. Por lo tanto, los reguladores nucleares exigen que se lleve a cabo un programa de vigilancia del material de la vasija del reactor en reactores de potencia refrigerados por agua.
La fragilización por irradiación puede conducir a la pérdida de la tenacidad a la fractura. Normalmente, los aceros para recipientes a presión de reactores de baja aleación son aceros ferríticos que exhiben el clásico comportamiento de transición dúctil a frágil con temperatura decreciente. Esta temperatura de transición es de suma importancia durante el calentamiento de la planta.
Modos de fallo:
Región de baja tenacidad: el modo de falla principal es la fractura frágil (hendidura transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
Región de alta tenacidad: el modo de falla principal es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (estrechamiento) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.
La irradiación de neutrones tiende a aumentar la temperatura ( temperatura de transición de dúctil a frágil ) a la que se produce esta transición y tiende a disminuir la tenacidad dúctil.
Corrosión bajo tensión
Uno de los problemas metalúrgicos más graves y una de las principales preocupaciones en la industria nuclear es el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC). El agrietamiento por corrosión bajo tensión resulta de la acción combinada de una tensión de tracción aplicada y un entorno corrosivo., ambas influencias son necesarias. El SCC es un tipo de corrosión por ataque intergranular que se produce en los límites del grano bajo tensión de tracción. Tiende a propagarse a medida que la tensión abre grietas que están sujetas a corrosión, que luego se corroen aún más, debilitando el metal al agrietarse aún más. Las grietas pueden seguir trayectorias intergranulares o transgranulares y, a menudo, existe una tendencia a la ramificación de las grietas. El comportamiento de falla es característico del de un material frágil, aunque la aleación de metal es intrínsecamente dúctil. El SCC puede provocar una falla repentina inesperada de las aleaciones de metales normalmente dúctiles sometidas a un esfuerzo de tracción, especialmente a temperaturas elevadas. El SCC es químicamente muy específico en el sentido de que es probable que ciertas aleaciones se sometan a SCC solo cuando se exponen a una pequeña cantidad de entornos químicos.
Los medios más eficaces para prevenir el SCC en los sistemas de reactores son:
diseñando correctamente
reduciendo estrés
eliminar especies ambientales críticas como hidróxidos, cloruros y oxígeno
evitando áreas estancadas y grietas en intercambiadores de calor donde el cloruro y el hidróxido pueden concentrarse.
El agrietamiento por corrosión bajo tensión puede causar, por ejemplo, una falla de la barra de combustible nuclear después de cambios de potencia inapropiados, movimiento de la barra y arranque de la planta . Ciertos aceros inoxidables austeníticos y aleaciones de aluminio se agrietan en presencia de cloruros y grietas de acero dulce en presencia de álcalis (agrietamiento en caldera). Los aceros de baja aleación son menos susceptibles que los aceros de alta aleación, pero están sujetos a SCC en agua que contiene iones de cloruro. Sin embargo, las aleaciones a base de níquel no se ven afectadas por los iones cloruro o hidróxido. Un ejemplo de una aleación a base de níquel que es resistente al agrietamiento por corrosión bajo tensión es inconel.
Referencia especial: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Agrietamiento por corrosión bajo tensión como mecanismo de falla de combustible
El revestimiento evita que los productos de fisión radiactivos escapen de la matriz de combustible al refrigerante del reactor y lo contaminen. Hay varias causas fundamentales de las fallas de combustible , que se han identificado en el pasado. En las primeras fechas de las operaciones de PWR y BWR, estas causas eran predominantemente defectos de fabricación o desgaste. Una de las posibles causas es también la interacción entre pellets y revestimiento (PCI), que puede ser causada por el agrietamiento por corrosión bajo tensión. El agrietamiento por corrosión bajo tensión puede causar, por ejemplo, una falla de la barra de combustible nuclear después de cambios inapropiados de potencia, movimiento de la barra y arranque de la planta.
En condiciones de funcionamiento nominales, la temperatura de los pellets se sitúa en unos 1000 ° C en el centro y entre 400 y 500 ° C en la periferia. En caso de un aumento importante de la potencia, la temperatura en el centro del pellet aumenta bruscamente (> 1.500 ° C, o incluso> 2.000 ° C). En este caso, una diferencia en las expansiones térmicas entre la vaina de combustible y los pellets de combustible provoca un aumento de la tensión en la vaina de combustible. La falla del combustible PCI es causada por el agrietamiento por corrosión bajo tensión en la superficie interior del revestimiento, que resulta de los efectos combinados de la expansión de los pellets de combustible (especialmente en las grietas radiales de los pellets y la presencia de un ambiente de producto de fisión agresivo (especialmente yodo gaseoso).). Se encuentra que tal falla ocurre, experimentalmente, después de un tiempo de retención de uno a unos pocos minutos, a niveles altos de potencia sostenidos.
Referencia especial: CEA, División de Energía Nuclear. Combustibles nucleares, ISBN 978-2-281-11345-7
Fragilidad por hidrógeno
La fragilización por hidrógeno es una de las muchas formas de agrietamiento por corrosión bajo tensión. La fragilización por hidrógeno resulta de la acción combinada de una tensión de tracción aplicada y un entorno de hidrógeno corrosivo, ambas influencias son necesarias. En este caso, el agente corrosivo es el hidrógeno en su forma atómica (H en oposición a la forma molecular, H 2 ), que se difunde intersticialmente a través de la red cristalina.y concentraciones tan bajas como varias partes por millón pueden provocar agrietamiento. Aunque la fragilización de los materiales adopta muchas formas, la fragilización por hidrógeno en los aceros de alta resistencia tiene el efecto más devastador debido a la naturaleza catastrófica de las fracturas cuando ocurren. Fragilización por hidrógeno es el proceso por el cual el acero pierde su ductilidad y resistencia debido a las pequeñas grietas que se derivan de la presión interna de hidrógeno (H 2), que se forma en los límites de los granos. En el caso de los aceros, el hidrógeno se difunde a lo largo de los límites de los granos y se combina con el carbono para formar gas metano. El gas metano se acumula en pequeños huecos a lo largo de los límites de los granos, donde acumula enormes presiones que inician grietas y disminuyen la ductilidad del acero. Si el metal está sometido a una gran tensión de tracción, puede producirse una fractura por fragilidad .
Es un proceso complejo que no se comprende completamente debido a la variedad y complejidad de los mecanismos que pueden conducir a la fragilidad. Se han propuesto varios mecanismos para explicar la fragilización por hidrógeno. Los mecanismos que se han propuesto para explicar la fragilización incluyen la formación de hidruros frágiles, la creación de huecos que pueden provocar burbujas y acumulación de presión dentro de un material. El hidrógeno se introduce en la superficie de un metal y los átomos de hidrógeno individuales se difunden a través de la estructura del metal. Debido a que la solubilidad del hidrógeno aumenta a temperaturas más altas, el aumento de la temperatura puede incrementar la difusión del hidrógeno.
Para que se produzca la fragilización por hidrógeno, se requiere una combinación de tres condiciones:
la presencia y difusión de hidrógeno
un material susceptible
estrés
En las aleaciones de circonio , la fragilización por hidrógeno es causada por la hidruración de circonio. En las instalaciones de reactores nucleares, el término "fragilización por hidrógeno" generalmente se refiere a la fragilización de las aleaciones de circonio causada por la hidruración de circonio.
Referencia especial: Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Debilitamiento por hidrógeno de las aleaciones de circonio
El revestimiento evita que los productos de fisión radiactivos escapen de la matriz de combustible al refrigerante del reactor y lo contaminen. Hay varias causas fundamentales de fallas de combustible , que se han identificado en el pasado. En las primeras fechas de las operaciones de PWR y BWR, estas causas eran predominantemente defectos de fabricación o desgaste. Una de las posibles causas también es:
Hidratación interna. La inclusión involuntaria de materiales que contienen hidrógeno dentro de una barra de combustible puede provocar la hidruración y, por lo tanto, la fragilización de la vaina del combustible. Las fuentes de hidrógeno fueron principalmente humedad residual o contaminación orgánica en pastillas / barras de combustible. Esta causa de falla se ha eliminado prácticamente mediante una fabricación mejorada.
Agrietamiento retardado por hidruro (DHC). El agrietamiento retardado por hidruro es el inicio y la propagación de la grieta dependiente del tiempo a través de la fractura de hidruros que pueden formarse antes de la punta de la grieta. Este tipo de falla puede iniciarse por grietas largas en la superficie exterior del revestimiento, que pueden propagarse en una dirección axial / radial. Este mecanismo de falla puede limitar potencialmente la operación de quemado alto.
El agente agresivo a este respecto es el agua del circuito primario, a una temperatura de unos 300 ° C.Esta oxida el circonio según la reacción:
Zr + 2H 2 O → ZrO 2 + 2H 2
resultando en la formación de óxido sólido en la superficie del metal.
Parte del hidrógeno producido por la corrosión del circonio en agua se combina con el circonio para formar una fase separada de plaquetas de hidruro de circonio (ZrH1.5). El hidrógeno migra bajo el efecto del gradiente térmico para acumularse en las regiones menos calientes, formando hidruros que pueden causar fragilidad en el revestimiento, a medida que el combustible se enfría. Luego, el metal se vuelve quebradizo (la ductilidad disminuye) y se fractura fácilmente. Las grietas comienzan a formarse en las plaquetas de hidruro de circonio y se propagan a través del metal.
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
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Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Véase más arriba:
Propiedades del material
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