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¿Qué es la fragilidad? Definición

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.

Curvas de tensión-deformación: material dúctil frente a material quebradizoEn 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

fracturaUna 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.
  • fractura por fragilidadMateriales 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

Barco de la Libertad - Fallo del casco
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 ).

temperatura de transición dúctil-frágilLa 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.

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.

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.

La fragilización por hidrógeno también es de gran importancia para la oxidación con vapor a alta temperatura de las aleaciones de circonio .

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References:
 Ciencia de los materiales:

  1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
  2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
  6. 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.
  7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
  8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

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Véase más arriba:

Propiedades del material [/ su_button] [/ lgc_column]

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