¿Qué es la tenacidad a la fractura de un material?

Tenacidad a la fractura

La tenacidad a la fractura es una indicación de la cantidad de tensión requerida para propagar un defecto preexistente. Es una propiedad del material muy importante ya que la aparición de fallas no se puede evitar por completo en el procesamiento, fabricación o servicio de un material / componente. Los defectos pueden aparecer como grietas, huecos, inclusiones metalúrgicas, defectos de soldadura, discontinuidades de diseño o alguna combinación de los mismos. Dado que los ingenieros nunca pueden estar totalmente seguros de que un material está libre de defectos, es una práctica común suponer que un defecto de algún tamaño elegido estará presente en cierto número de componentes y utilizar el enfoque de mecánica de fractura elástica lineal (LEFM) para diseñar componentes críticos. . Este enfoque utiliza el tamaño y las características del defecto, la geometría del componente,condiciones de carga y la propiedad del material llamada tenacidad a la fractura para evaluar la capacidad de un componente que contiene un defecto para resistir la fractura.

Se utiliza un parámetro llamado factor de intensidad de tensión (K) para determinar la tenacidad a la fractura de la mayoría de los materiales. Un subíndice de números romanos indica el modo de fractura y los tres modos de fractura se ilustran en la imagen de la derecha. La fractura Modo I es la condición en la que el plano de la fisura es normal a la dirección de la mayor carga de tracción. Este es el modo más común y, por lo tanto, para el resto del material consideraremos KI

El factor de intensidad de la tensión es función de la carga, el tamaño de la grieta y la geometría estructural. El factor de intensidad del estrés se puede representar mediante la siguiente ecuación:

图片 无 替代 文字

Donde: KI es la tenacidad a la fractura en

  s es la tensión aplicada en MPa o psi

  a es la longitud de la grieta en metros o pulgadas

  β es un factor de geometría de componente y longitud de fisura que es diferente para cada muestra y no tiene dimensiones.

Papel del espesor del material

Las muestras que tienen proporciones estándar pero diferente tamaño absoluto producen diferentes valores de KI. Esto se debe a que los estados de tensión adyacentes al defecto cambian con el espesor de la muestra (B) hasta que el espesor excede alguna dimensión crítica. Una vez que el espesor excede la dimensión crítica, el valor de KI se vuelve relativamente constante y este valor, KIC, es una verdadera propiedad del material que se denomina tenacidad a la fractura por deformación plana. La relación entre la intensidad de la tensión, KI y la tenacidad de la fractura, KIC, es similar a la relación entre la tensión y la tensión de tracción. La intensidad de la tensión, KI, representa el nivel de “tensión” en la punta de la fisura y la tenacidad a la fractura, KIC, es el valor más alto de intensidad de la tensión que un material en condiciones muy específicas (deformación plana) que un material puede soportar. sin fractura.A medida que el factor de intensidad de la tensión alcanza el valor KIC, se produce una fractura inestable. Al igual que con otras propiedades mecánicas de un material, KIC se informa comúnmente en libros de referencia y otras fuentes.

Plano-deformación y plano-tensión

Cuando un material con una grieta se carga en tensión, los materiales desarrollan deformaciones plásticas a medida que se excede el límite elástico en la región cercana a la punta de la grieta. El material dentro del campo de tensión de la punta de la grieta, situado cerca de una superficie libre, puede deformarse lateralmente (en la dirección z de la imagen) porque no puede haber tensiones normales a la superficie libre. El estado de tensión tiende a ser biaxial y el material se fractura de una manera dúctil característica, formándose un labio cortante de 45o en cada superficie libre. Esta condición se llama “tensión plana” y ocurre en cuerpos relativamente delgados donde la tensión a través del espesor no puede variar apreciablemente debido a la sección delgada.

Sin embargo, el material alejado de las superficies libres de un componente relativamente grueso no puede deformarse lateralmente ya que está limitado por el material circundante. El estado de tensión en estas condiciones tiende a ser triaxial y no hay deformación perpendicular tanto al eje de tensión como a la dirección de propagación de la grieta cuando un material se carga en tensión. Esta condición se llama “deformación plana” y se encuentra en placas gruesas. En condiciones de deformación plana, los materiales se comportan esencialmente elásticos hasta que se alcanza la tensión de rotura y luego se produce una rotura rápida. Dado que se observa poca o ninguna deformación plástica, este modo de fractura se denomina fractura frágil.

Prueba de tenacidad a la fractura por deformación plana

Al realizar una prueba de tenacidad a la fractura, las configuraciones de muestra de prueba más comunes son la curva de muesca de un solo borde (SENB o curva de tres puntos) y las muestras de tensión compacta (CT). De la discusión anterior, está claro que una determinación precisa de la tenacidad a la fractura por deformación plana requiere una muestra cuyo espesor exceda algún espesor crítico (B). Las pruebas han demostrado que las condiciones de deformación plana generalmente prevalecen cuando:

Donde: B es el espesor mínimo que produce una condición en la que la energía de deformación plástica en la punta de la grieta es mínima

  KIC es la tenacidad a la fractura del material.

  Sy es el límite elástico del material

Cuando se prueba un material de tenacidad a la fractura desconocida, se prueba una muestra con el espesor total de la sección del material o se dimensiona la muestra basándose en una predicción de la tenacidad a la fractura. Si el valor de tenacidad a la fractura resultante de la prueba no satisface el requisito de la ecuación anterior, la prueba debe repetirse utilizando una muestra más gruesa. Además de este cálculo de espesor, las especificaciones de prueba tienen varios otros requisitos que deben cumplirse (como el tamaño de los labios de corte) antes de que se pueda decir que una prueba ha dado como resultado un valor KIC.

Cuando una prueba no cumple con el espesor y otros requisitos de prueba establecidos para asegurar la condición de deformación plana, los valores de tenacidad a la fractura producidos reciben la designación KC. A veces no es posible producir una muestra que cumpla con el requisito de espesor. Por ejemplo, cuando se prueba un producto de placa relativamente delgada con alta tenacidad, es posible que no sea posible producir una muestra más gruesa con condiciones de deformación simple en la punta de la grieta.

Estados de estrés plano y de estrés transicional

Para los casos en los que la energía plástica en la punta de la grieta no es despreciable, se pueden utilizar otros parámetros de la mecánica de la fractura, como la integral J o la curva R, para caracterizar un material. Los datos de tenacidad producidos por estas otras pruebas dependerán del espesor del producto probado y no serán una propiedad real del material. Sin embargo, las condiciones de deformación plana no existen en todas las configuraciones estructurales y el uso de valores de KIC en el diseño de áreas relativamente delgadas puede resultar en un exceso de conservadurismo y una penalización de peso o costo. En los casos en los que el estado de tensión real es tensión plana o, más generalmente, algún estado de tensión intermedia o transicional, es más apropiado utilizar datos de curva R o integral J, que explican la fractura lenta y estable (desgarro dúctil). en lugar de una fractura rápida (frágil).

Usos de la tenacidad a la fractura por deformación plana

Los valores de KIC se utilizan para determinar la longitud crítica de la fisura cuando se aplica un esfuerzo determinado a un componente.

Donde: sc es el esfuerzo crítico aplicado que causará fallas.

  KIC es la tenacidad a la fractura por deformación plana

  Y es una constante relacionada con la geometría de la muestra.

  a es la longitud de la grieta para las grietas del borde

o la mitad de la longitud de la grieta para la grieta interna

Los valores de KIC también se utilizan para calcular el valor de tensión crítica cuando se encuentra una grieta de una longitud determinada en un componente.

图片 无 替代 文字

Donde: a es la longitud de la grieta para las grietas del borde o la mitad de la longitud de la grieta para la grieta interna

  s es la tensión aplicada al material

  KIC es la tenacidad a la fractura por deformación plana

  Y es una constante relacionada con la geometría de la muestra.

Orientación

La tenacidad a la fractura de un material normalmente varía con la dirección de la veta. Por lo tanto, es habitual especificar las orientaciones de la muestra y la fisura mediante un par ordenado de símbolos de dirección de la fibra. La primera letra designa la dirección del grano normal al plano de la fisura. La segunda letra designa la dirección de la veta paralela al plano de fractura. Para secciones planas de varios productos, p. Ej., Placa, extrusiones, forjas, etc., en las que las tres direcciones de grano se designan (L) longitudinal, (T) transversal y (S) corta transversal, las seis direcciones principales de la trayectoria de fractura son : LT, LS, TL, TS, SL y ST.