26 Jun

Introducción a la Fractura de Materiales

El comportamiento en fractura de los metales se divide en dos grandes categorías: fracturas instantáneas y fracturas progresivas. Las fracturas instantáneas ocurren súbitamente, mientras que las progresivas, como la corrosión bajo tensiones, la fatiga, la fluencia o las fragilizaciones por hidrógeno o por otros metales, implican un daño gradual detectable antes del fallo final.

1. Fracturas Instantáneas: Origen y Factores Clave

1.1. Discrepancia Teórica vs. Real

La resistencia real a la tracción de los materiales es significativamente inferior a la teórica (que puede estimarse como E/10). Esto se debe a la existencia de grietas o defectos preexistentes, o aquellos generados por deformación plástica localizada, que causan una gran concentración de tensiones, precipitando la fractura.

1.2. Factores Influyentes

El comportamiento dúctil o frágil de un material en fracturas instantáneas depende de factores como:

  • El tipo de enlace atómico y la red cristalina.
  • El nivel y estado de tensiones aplicadas.
  • El tamaño de grano.
  • La velocidad de carga.
  • La temperatura.

2. Fractura Frágil: Modos y Mecanismos Específicos

La fractura frágil se produce sin deformación plástica apreciable y con baja energía absorbida. Se caracteriza por poca o nula deformación plástica y baja absorción de energía.

2.1. Modo I (Frágil)

  • Implica la existencia previa de grietas o defectos.
  • La propagación ocurre cuando la energía elástica liberada compensa la energía gastada en formar nueva superficie (criterio de Griffith).
  • La propagación puede ser por descohesión transcristalina (clivaje, a lo largo de planos cristalográficos) o intercristalina (a través de los bordes de grano).
  • Es el modo de fractura más frágil y se produce a tensiones medias inferiores al límite elástico.

2.2. Modo II (Frágil)

  • No hay grietas peligrosas iniciales; la grieta debe nuclearse por deformación plástica localizada. La deformación heterogénea es crítica.
  • El proceso incluye deformación plástica local, nucleación de grieta y propagación catastrófica.
  • La nucleación puede ser por apilamiento de dislocaciones frente a obstáculos o por intersección de dislocaciones.
  • Común en metales HCP (como Mg, Zn, Be, por su restringido número de sistemas de deslizamiento) y BCC (como Fe, por deformación no homogénea a baja temperatura). No se observa en redes FCC.
  • Un tamaño de grano pequeño mejora el comportamiento, ya que reduce el tamaño de la microgrieta y eleva el límite elástico del material.

2.3. Modo III (Frágil)

  • Se da una cierta deformación plástica, se nuclean muchas microgrietas que luego crecen y coalescen.
  • Ocurre cuando el límite elástico macroscópico (Rp) es menor que la tensión necesaria para propagar las microgrietas formadas.
  • El proceso está controlado por la propagación de la grieta, y el tamaño de grano influye notablemente.
  • La fractura final es de carácter frágil con baja deformación plástica global.
  • A temperaturas muy elevadas, la disminución del límite elástico (Rp) puede hacer que el material se comporte de manera dúctil antes de que se alcancen las condiciones de propagación de microgrietas frágiles.

3. Fractura Dúctil: Mecanismo de Microvacíos

La fractura dúctil implica una notable deformación plástica y gran absorción de energía antes de la fractura. El proceso ocurre en tres etapas:

  1. Nucleación de microvacíos.
  2. Crecimiento de su tamaño.
  3. Coalescencia de estos microvacíos.

Los microvacíos se nuclean preferentemente en inclusiones o partículas de segunda fase (más duras que la matriz). Esto se debe a la acumulación de dislocaciones en torno a estas fases durante la deformación plástica, generando tensiones internas que provocan la rotura de la partícula o el despegue de la interfase matriz-partícula. Una mayor fracción en volumen, o tamaño, de estas segundas fases reduce la plasticidad, ya que se nuclean más microvacíos y la coalescencia se produce antes.

4. Temperatura de Transición Dúctil-Frágil (Tc)

Esta temperatura marca un cambio drástico: por debajo de ella, el material se vuelve frágil y su plasticidad y tenacidad disminuyen fuertemente.

4.1. Comportamiento por Red Cristalina

  • FCC (como el aluminio puro, níquel) son prácticamente inmunes a este problema debido a la gran cantidad de sistemas de deslizamiento activos y la baja tensión crítica de cizalladura, incluso a bajas temperaturas.
  • HCP (como Mg, Zn, Be) sí presentan Tc debido al movimiento restringido de dislocaciones. Sin embargo, el titanio (HCP) no la presenta debido a un deslizamiento de dislocaciones más homogéneo.
  • BCC (como el hierro) todos la presentan, con su valor dependiendo de factores como la composición (intersticiales, P, S la suben; Ni la baja) y la microestructura.

4.2. Implicación del Tamaño de Grano

Un tamaño de grano pequeño generalmente mejora el comportamiento del material y puede influir positivamente en la Tc.

5. Propagación Catastrófica de Grietas

Grietas iniciadas por fatiga o corrosión bajo tensiones crecen hasta que el factor de intensidad de tensiones (K) alcanza la tenacidad de fractura (Kc) del material. En este punto, la propagación se vuelve catastrófica.

La propagación puede ser por:

  • Nucleación de microgrietas delante de la punta (baja tenacidad).
  • Nucleación y coalescencia de microvacíos (mayor tenacidad).

La triaxialidad de tensiones tiende a favorecer comportamientos frágiles. Si el material tiene gran plasticidad, se produce un «redondeo» en la punta de la grieta, haciéndola menos agresiva y aumentando la tenacidad.

6. Fractura a Elevada Temperatura (Fractura por Fluencia)

Bajo carga constante a alta temperatura, pueden ocurrir tres tipos de fractura:

  • Ruptura: Carácter muy dúctil, con una reducción de sección cercana al 100% (fuerte estricción). Se produce a muy altas temperaturas y tensiones elevadas.
  • Fractura Transgranular por Fluencia: Proceso análogo a la rotura dúctil convencional, pero a tensiones más bajas. Implica nucleación, crecimiento y coalescencia de microvacíos, nucleados en inclusiones y favorecidos por la fluencia difusional. Macroscópicamente dúctil.
  • Fractura Intergranular por Fluencia: Ocurre a tensiones y velocidades de deformación menores. La rotura se produce a través de los bordes de grano mediante la formación de cavidades, y es macroscópicamente frágil.

6.1. Tipos de Cavidades

  • Grietas en cuña: Favorecidas por tensiones elevadas y grano grueso, por la incapacidad de los granos de acoplar la deformación.
  • Cavidades esféricas (cavitación): Se forman por escalones en bordes de grano o inclusiones no deformables. Crecen por difusión de vacantes y ocurren a temperaturas superiores a 0.4 Tf (temperatura de fusión) con menores valores de tensión. Las tensiones bajas y el grano fino favorecen la cavitación.

7. Procesos de Fragilización

7.1. Fragilización por Hidrógeno

La presencia de hidrógeno en el metal disminuye su plasticidad, puede causar roturas frágiles o rotura por carga estática diferida. El hidrógeno puede dañar el metal por:

  • Formación de hidruros frágiles (en Ti, Zr).
  • Frenando el movimiento de dislocaciones.
  • Concentrándose en discontinuidades y creando presión interna.

Los aceros de alta resistencia son muy susceptibles, requiriendo menos H para el fallo diferido. El cadmiado de piezas aeronáuticas de acero conlleva riesgo, por lo que se aplica un tratamiento de deshidrogenación («baking») a ~200ºC por más de 8 horas, inmediatamente después del proceso. Las aleaciones de aluminio presentan, en general, poco problema. Las aleaciones de titanio sí son frágiles por la formación de hidruros TiH2.

7.2. Fragilización por Otro Metal

El contacto con ciertos metales (especialmente si están líquidos) puede causar una fragilización grave bajo cargas de tracción, con roturas mayoritariamente intergranulares.

Una de las teorías más aceptadas es que el metal fragilizador es adsorbido en el borde de grieta, disminuyendo la resistencia cohesiva del material base.

Ejemplos importantes en aeronáutica incluyen el contacto de aleaciones de Aluminio con Mercurio y de aleaciones de Titanio con Mercurio y Cadmio. El contacto de piezas cadmiadas con titanio está prohibido a temperaturas superiores a 150ºC.

8. Mapas de Fractura

Los Mapas de Fractura (o Mapas de Rotura) son diagramas tensión/E vs. temperatura homóloga (T/Tf) que indican el modo de rotura predominante según las condiciones de carga.

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