¿Qué es la resistencia a la fractura? – Punto de fractura – Definición

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.

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.

Fractura frágil vs dúctil

En la prueba de tracción, el punto de fracturaes el punto de tensión 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. 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 fractura dúctil, se produce una deformación plástica extensa (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. 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.

• 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 ninguna 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 un estrés impuesto. El modo de fractura depende en gran medida del mecanismo de propagación de la fisura. 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,
  • Defecto como una grieta
  • Esfuerzo suficiente para desarrollar una pequeña deformación en la punta de la grieta.
  • Temperatura en o por debajo de DBTT

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.
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Véase más arriba:

Curva de tensión-deformación