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 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
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.
Ver también: Reflector de neutrones
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.
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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.
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[/ lgc_column]Véase más arriba:
Propiedades del material [/ su_button] [/ lgc_column]
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