Fractura frágil y fractura dúctil: definición, mecanismo, diferencias (con PDF)

La fractura se puede definir como la separación del material en dos o más partes. La falla del material puede involucrar cualquiera de los dos mecanismos; fractura dúctil o fractura frágil. Ambos mecanismos de fractura en el metal son distintos y diferentes entre sí. En este artículo, exploraremos ambos mecanismos de falla en detalle.

¿Qué es la fractura frágil o falla frágil?

La fractura frágil es la falla repentina y rápida del metal en la que el material muestra poca o ninguna deformación plástica. Esto se caracteriza por fallas rápidas sin previo aviso. Las grietas generadas se propagan rápidamente y el material colapsa repentinamente.

La fractura frágil es una condición que ocurre cuando un material se somete a temperaturas que lo hacen menos resistente y, por lo tanto, más frágil. El potencial de que el material se vuelva quebradizo depende del tipo de material que se somete a estas bajas temperaturas. Algunos materiales, como los aceros al carbono y de baja aleación, se vuelven quebradizos a bajas temperaturas y, por lo tanto, susceptibles a daños que van desde el agrietamiento hasta la rotura o la desintegración del equipo.

Cuando un material se vuelve quebradizo, las consecuencias pueden ser muy graves. Si el material quebradizo se somete a un impacto o un impacto equivalente (p. ej., una presurización rápida), la combinación podría provocar una falla catastrófica en determinadas condiciones.

¿Qué es la fractura dúctil o falla dúctil?

La fractura dúctil es la falla del material que exhibe una deformación plástica sustancial antes de la fractura. El proceso de fractura dúctil es lento y da bastantes avisos antes de la separación final. Normalmente, una gran cantidad del flujo de plástico se concentra cerca de las caras de fractura.

La fractura dúctil ocurre durante un período de tiempo y normalmente ocurre después del límite elástico, mientras que la fractura frágil es rápida y puede ocurrir a niveles de tensión más bajos que una fractura dúctil. Es por eso que la fractura dúctil se considera mejor que la fractura frágil. Consulte la Fig. 1 a continuación que explica ambos mecanismos de fractura. El área bajo la curva de esfuerzo-deformación representa la energía absorbida antes de la falla. Claramente, la energía requerida en la falla frágil es bastante menor que en la falla dúctil.

Fractura frágil vs dúctil
Fig. 1: Fractura frágil vs dúctil

Mecanismo de fractura frágil

El mecanismo de fractura frágil que se muestra arriba se conoce como fractura por escisión frágil. Esto ocurre en metales con una alta tasa de endurecimiento por deformación y una resistencia a la rotura relativamente baja.

Los materiales dúctiles bajo algunas condiciones pueden volverse quebradizos si se cambian las condiciones. Tal condición es el efecto de la temperatura. Muchos materiales de uso industrial exhiben fractura dúctil a temperatura ambiente y elevada y fractura frágil a bajas temperaturas. La temperatura de transición por debajo de la cual un material es frágil y por encima de la cual es dúctil se conoce como temperatura de transición de ductilidad nula (NDT). Esta temperatura no es constante sino que varía en función del tratamiento mecánico y térmico previo y de la naturaleza y cantidad de los elementos impurezas. Se determina mediante las pruebas de Impacto Izod o Charpy. A una temperatura superior a la temperatura NDT, se producirá cierta deformación plástica antes de la fractura.

Con un aumento en la ductilidad, NDT disminuye. Por lo tanto, siempre se prefiere aumentar la ductilidad. Los parámetros que afectan la ductilidad son:

  • Tamaño de grano: los tamaños de grano pequeños aumentan la ductilidad y el tamaño de grano se controla mediante tratamiento térmico.
  • Elemento de aleación: la adición de elementos de aleación puede disminuir el tamaño del grano y, por lo tanto, disminuir la fragilidad, lo que hace que el NDT se reduzca a una temperatura más baja.

Las tensiones cíclicas deben evitarse para materiales frágiles. Por lo tanto, los sistemas que tienen ciclos térmicos y de presión no deben diseñarse con materiales quebradizos.

Causas de la fractura frágil

La principal preocupación con una fractura por fragilidad o una falla por fragilidad es que, bajo ciertas condiciones, la falla ocurre con esfuerzos muy por debajo del límite elástico. Tales condiciones son la presencia de un defecto o grieta. Las fracturas frágiles normalmente se inician por defectos presentes en el producto fabricado o la estructura fabricada o por defectos que se desarrollan durante el servicio. Estos son básicamente concentradores de estrés y pueden tomar la forma de.

  • Muescas: discontinuidades causadas por cambios abruptos en la dirección de una superficie libre, a menudo iniciadores de fracturas. Ejemplo: filetes afilados, esquinas, orificios, roscas, estrías, chaveteros, abolladuras, muescas o rayones.
  • Vueltas, pliegues, escamas, inclusiones grandes, estallidos de forja, laminaciones y grano indeseable.
  • Segregación, inclusiones, microestructuras indeseables, porosidad, desgarros, grietas o discontinuidades superficiales introducidas durante las operaciones de fusión, desoxidación, refinación de grano y fundición.
  • Grietas resultantes del mecanizado, enfriamiento, fatiga, fragilización por hidrógeno, fragilización por metal líquido o corrosión bajo tensión.
  • Tensiones residuales.

La fractura frágil normalmente ocurre debido a la propagación de tales grietas a gran velocidad. El tamaño de grano más pequeño, la temperatura más alta y la tensión más baja tienden a mitigar la iniciación de grietas. Por el contrario, el tamaño de grano más grande, las temperaturas más bajas y los esfuerzos más altos favorecen la propagación de grietas. Existe un nivel de tensión conocido como la tensión de propagación de fractura inferior por debajo del cual una grieta no se propagará a ninguna temperatura. Con el aumento de la temperatura, se requiere un mayor esfuerzo para que se propague una grieta. Una curva de detención de grietas define la relación entre la temperatura y la tensión requerida para que se propague una grieta.

Tenacidad a la fractura

La cantidad de tensión necesaria para propagar una fisura preexistente se indica mediante la Tenacidad a la fractura, que depende de varios factores que se mencionan a continuación:

  • composición metálica
  • Temperatura del metal
  • El grado de deformación de la estructura cristalina.
  • Tamaño de grano de metal
  • forma cristalina de metal
  • tamaño de la falla

Consulte la Fig. 2 a continuación que representa las curvas de iniciación de la fractura del acero para varios tamaños de fallas a diversas tensiones y temperaturas.

Curva de inicio de fractura en varios tamaños de defectos
Fig. 2: Curva de inicio de fractura en varios tamaños de defectos

De la curva anterior es evidente que para evitar la fractura por fragilidad, la temperatura de funcionamiento debe mantenerse por encima de la temperatura NDT. Mantener la temperatura de funcionamiento por encima de la temperatura FTE (NDT + 60 °F para acero) garantizará una mayor seguridad.

Teoría de Griffith de la fractura frágil

Considere una placa delgada de longitud l que tiene una grieta pasante de longitud 2c, como se muestra en la figura 3. La curva superior muestra la curva de fuerza-deflexión para una grieta que no se extiende de longitud 2c. Para una grieta sin extensión de longitud 2(c + Δc), la curva será la curva inferior. El área entre estas dos curvas representa la energía liberada para extender la fisura de 2c a 2(c + Δc).

Explicación de la teoría de la fractura frágil de Griffith
Fig. 3: Explicación de la teoría de la fractura frágil de Griffith

Utilizando la teoría de la elasticidad, Griffith demostró que la energía liberada por unidad de espesor durante el crecimiento de una grieta de 2Δc es

Por tanto, la tensión crítica es inversamente proporcional a c ½ . Por tanto, cuanto menor sea el defecto, mayor será el valor de σ c . La teoría de Griffith es buena para todos los materiales frágiles como el vidrio, en los que la falla ocurre sin ninguna deformación plástica. Cuando hay alguna deformación plástica asociada con
la extensión de la fisura, debemos sumar el trabajo plástico γ p gastado en hacer la superficie al término de energía superficial γ s para obtener σ c como se muestra a continuación:

La ecuación anterior forma el punto de partida de la mecánica de fractura moderna.

Mecanismo de fractura dúctil

La fractura dúctil o falla dúctil (Fig. 4) normalmente ocurre siguiendo los pasos mencionados a continuación:

 (a) Estricción
(b) Formación de microhuecos
(c) Coalescencia de microhuecos para formar una grieta
(d) Propagación de grietas por deformación por corte
(e) Fractura

Types of Pipes | Classification of ...
Types of Pipes | Classification of Pipes (PDF)
Mecanismo de fractura dúctil
Fig. 4: Mecanismo de fractura dúctil

Fractura frágil frente a fractura dúctil

De las discusiones anteriores, está claro que el mecanismo de fractura frágil y fractura dúctil es completamente diferente. Las principales diferencias entre la fractura frágil y dúctil se proporcionan a continuación:

Fractura frágil / Falla frágilFractura dúctil / Falla dúctil
Deformación plástica despreciableDeformación plástica considerable.
Falla rápida y rápida sin previo avisoProceso lento con suficientes advertencias
Propagación rápida de grietasPropagación lenta de grietas
La fractura frágil puede ocurrir por debajo del límite elásticoLa falla dúctil normalmente ocurre por encima del límite elástico.
En la fractura frágil, la propagación de la fisura es perpendicular a la tensión aplicada. La propagación de grietas es a 45 grados de la tensión aplicada.
falla de escisiónFallo del cono de copa
Menos requerimiento de energía al falloLa energía requerida para fallar es sustancialmente alta
mayo se rompió en varios pedazosse rompió en dos pedazos
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