Prueba de desplazamiento de apertura de la punta de la grieta (CTOD)

¿Qué es la prueba CTOD?

La prueba CTOD se utiliza para determinar la tenacidad a la fractura (resistencia a la fractura) de un material con una fisura artificial y una prueba para determinar el desplazamiento de la abertura de la punta de la fisura para generar una fractura inestable (valor límite de CTOD). Por lo general, se lleva a cabo cargando una muestra de prueba CTOD en un sistema de flexión de 3 puntos como se muestra en la figura 1 a continuación. Estas pruebas se realizan utilizando una muestra de espesor de placa completa que contiene una muesca mecanizada que se extiende por agrietamiento por fatiga.

Cuando se aplica una carga a un material que tiene un defecto, una grieta se propagará rápidamente a partir del defecto, lo que resultará en una fractura a un cierto rango de temperatura (fractura inestable).

Disposición de prueba CTOD
Figura 1. Disposición de la prueba CTOD

Estándares de prueba CTOD

  • BS 7448 (Parte 1-4): Pruebas de tenacidad de mecánica de fractura
  • ISO 12135: Materiales metálicos.Método de ensayo unificado para la determinación de la tenacidad a la fractura cuasiestática.
  • ASTM E 1820: Método de prueba estándar para medir la tenacidad a la fractura
  • WES 1108:  Método de prueba estándar para la medición de la tenacidad de la fractura del desplazamiento de la abertura de la punta de la grieta (CTOD)
  • BS7910: Guía sobre métodos para evaluar la aceptabilidad de defectos en estructuras metálicas.
  • ISO 15653: Materiales metálicos.Método de ensayo para la determinación de la tenacidad a la fractura cuasiestática de las soldaduras.

Preparación de la muestra CTOD

Para preparar una muestra para una prueba CTOD, se maquina una muesca en el centro de la muestra y luego se induce cuidadosamente una grieta por fatiga real en la base de la muesca. La grieta debe ser lo suficientemente larga para atravesar cualquier área que presente deformidad plástica causada por el proceso de mecanizado. La muesca se muestra en la siguiente figura.

Muestra de prueba CTOD
Muestra de prueba CTOD

Importancia de la prueba CTOD

La prueba CTOD es una forma especial de prueba de resistencia a la fractura que se utiliza cuando puede ocurrir alguna deformación plástica en el material antes de la falla. Esto permite que la punta de una grieta se estire y se abra, por lo que también se denomina “desplazamiento de apertura de la punta”.

A diferencia de la pieza de prueba Charpy-V cuadrada de 10 mm por 10 mm de bajo costo con una muesca en V afilada mecanizada, la muestra CTOD puede tener el espesor total del material, contendrá una grieta genuina y se cargará a una velocidad más representativa de las condiciones de servicio reales . Por lo general, se realizan tres pruebas a la temperatura relevante para garantizar la coherencia de los resultados de CTOD.

La pieza de prueba en sí es “proporcional”: la longitud, la profundidad y el grosor de cada muestra están interrelacionados de modo que, independientemente del grosor del material, cada muestra tiene las mismas proporciones.

Prueba CTOD

Muesca Charpy V frente a CTOD

La prueba de dureza más común utilizada es la prueba CVN. Se realiza tomando varias pequeñas muestras mecanizadas de la pieza de prueba y rompiéndolas con impacto a la temperatura mínima de funcionamiento de la pieza. La prueba CVN es una prueba relativamente económica y sencilla que mide valores cualitativos.

Los resultados de una prueba CVN verifican que la temperatura de funcionamiento no cayó por debajo de la temperatura de transición dúctil-frágil del material. ¿Porque es esto importante? Porque cuando un material se utiliza por debajo de esta temperatura, es propenso a fallar por fragilidad. Una falla frágil significa que habrá poca o ninguna advertencia antes de que el material falle catastróficamente. Esto es similar a un pedazo de vidrio o al romper el hielo cuando se aplica fuerza. Este tipo de mecanismo de falla debe evitarse a toda costa.

La prueba CTOD se realiza en una muestra que es representativa del espesor real de una pieza (o escalada de manera apropiada) y está sujeta a las condiciones y temperaturas de carga en servicio. La pieza de prueba tiene una abertura maquinada junto con una grieta por fatiga de dimensiones conocidas. Luego, la pieza se coloca bajo una carga gradual, reflejando las condiciones de servicio hasta que la grieta se abre o se corta lo suficiente, lo que puede ser una falla parcial o total.

¿Qué propiedades obtenemos de una prueba CTOD?

La información de interés es la carga en el momento de la rotura, el desplazamiento de la abertura (ancho) en el momento en que se propagó la fisura. Esta información, junto con los datos de carga / desplazamiento recopilados durante la carga de prueba, se utiliza para determinar la tenacidad del material. Existe un análisis considerablemente mayor de las variables de prueba, que simulan las condiciones que se requieren para las pruebas CTOD precisas, pero ese no es el enfoque de esta columna.

Los resultados de una prueba CTOD pueden ayudar a determinar o predecir cuándo se necesitan las reparaciones necesarias en una estructura. En muchos casos, una pequeña grieta en una estructura no significa que vaya a fallar o que requiera una reparación inmediata. Ser capaz de programar reparaciones cuando se considere necesario puede ahorrar tiempo y potencialmente decenas de miles de dólares o más en pérdidas de producción. La prueba CTOD ahorra tiempo de inactividad y reparaciones innecesarias, y reduce los costos generales para mantener una estructura.