¿Qué es la temperatura de transición dúctil-frágil? Definición

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.

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.

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: entender 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.
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Véase más arriba:

Ductilidad