Fractura frágil y fractura dúctil: definición, mecanismo, diferencias

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 estos dos mecanismos de falla en detalle.

¿Qué es una fractura quebradiza o una falla quebradiza?

La fractura frágil es la falla repentina y rápida del metal en la que el material muestra poca o ninguna tensión plástica. Esto se caracteriza por un fallo rápido sin previo aviso. Las grietas generadas se propagan rápidamente y el material colapsa de repente.

La fractura quebradiza es una condición que ocurre cuando un material se somete a temperaturas que lo hacen menos resistente y, por lo tanto, más quebradizo. La posibilidad 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 volverán frágiles a bajas temperaturas y, por lo tanto, serán susceptibles a daños que van desde el agrietamiento hasta la rotura o 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 choque equivalente (por ejemplo, presurización rápida), la combinación podría potencialmente conducir a una falla catastrófica bajo ciertas condiciones.

¿Qué es la fractura dúctil o la 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 suficientes advertencias 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 de la tensión de fluencia, 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 tensión deformación representa la energía absorbida antes de la falla. Claramente, la energía requerida en la falla frágil es bastante menor que la falla dúctil.

Mecanismo de fractura frágil

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

Los materiales dúctiles en algunas condiciones pueden volverse frágiles si se cambian las condiciones. Tal condición es el efecto de la temperatura. Muchos materiales de uso industrial presentan fractura dúctil a temperatura ambiente y temperaturas elevadas 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 según el tratamiento mecánico y térmico previo y la naturaleza y cantidades de los elementos de impureza. Está determinada por las pruebas de Impacto Izod o Charpy. A una temperatura superior a la temperatura NDT, se producirá alguna deformación plástica antes de la fractura.

on un aumento de ductilidad, NDT disminuye. Por eso siempre se prefiere aumentar la ductilidad. Los parámetros que impactan 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, desplazando el NDT a una temperatura más baja.

Deben evitarse las tensiones cíclicas 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 frágil o una rotura frágil es que, en determinadas condiciones, la rotura se produce en tensiones 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, agujeros, roscas, estrías, chaveteros, abolladuras, hendiduras o rayones.
  • Solapas, pliegues, escamas, inclusiones grandes, ráfagas de forja, laminaciones y vetas indeseables.
  • Segregación, inclusiones, microestructuras indeseables, porosidad, roturas, grietas o discontinuidades superficiales introducidas durante las operaciones de fusión, desoxidación, refinación de granos y fundición.
  • Grietas resultantes de maquinado, temple, fatiga, fragilización por hidrógeno, fragilización del metal líquido o corrosión bajo tensión.
  • Tensiones residuales.

La fractura frágil ocurre normalmente 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 la tensión más alta favorecen la propagación de grietas. Existe un nivel de tensión conocido como tensión de propagación de fractura más baja por debajo del cual una fisura no se propagará a ninguna temperatura. Con el aumento de temperatura, se requiere una mayor tensión 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 requerida para propagar una grieta preexistente está indicada por la Resistencia a la fractura que depende de varios factores que se mencionan a continuación:

  • Composición del metal
  • Temperatura del metal
  • El alcance de las deformaciones de la estructura cristalina.
  • Tamaño de grano de metal
  • Forma cristalina de metal
  • Tamaño del defecto

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

De la curva anterior es evidente que para evitar la fractura frágil, la temperatura de operación 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 fisura que no se extiende de longitud 2 (c + Δc), la curva será la curva inferior. El área entre estas dos curvas representa la energía liberada para extender la grieta de 2c a 2 (c + Δc).

Mecanismo de fractura dúctil

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

(a) Estrechamiento
(b) Formación de microhuecos
(c) Coalescencia de microhuecos para formar una grieta
(d) Propagación de la grieta por deformación por cizallamiento
(e) Fractura

Fractura frágil vs fractura dúctil

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

Fractura frágil / Fracaso frágilFractura dúctil / falla dúctil
Deformación plástica insignificanteDeformación plástica considerable.
Fallos rápidos y rápidos 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 ocurre normalmente por encima del límite elástico.
En la fractura frágil, la propagación de la grieta es perpendicular a la tensión aplicada. La propagación de grietas está a 45 grados de la tensión aplicada.
Fallo de escoteFallo del cono de copa
Menor requerimiento de energía para fallarLa energía requerida para fallar es sustancialmente alta
Puede romperse en varios pedazosSe rompió en dos pedazos