Universidad Nacional de Trujillo Fsica de Metales

FRACTURA DE METALES

ESCUELA DE FISICAFISICA DE METALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS

DOCENTE: WILDER AGUILAR C.ALUMNO: RODRIGUEZ MEZA JACK H.

ESCUELA DE FISICAIX - CICLOTRUJILLO- PERU2012

FRACTURA DE METALESI. INTRODUCCION

La fractura de materiales de ingeniera es casi un hecho indeseable por varias razones las influyen, la seguridad de vidas humanas, prdidas econmicas, y la interferencia con la disponibilidad de productos de servicio.Aun cuando las causas de la fractura y el comportamiento de materiales pueden ser conocidos, la prevencin de fracturas puede ser difcil de garantizar. Las causas usuales de ellos son la seleccin de materiales, procesado y diseos inadecuados de los componentes o su mal manejo.

Cualquier proceso de fractura involucra dos etapas, iniciacin de la fisura y su propagacin como respuesta a las tensiones impuestas. El tipo de fractura es altamente dependiente de los mecanismos de propagacin de fisura. La fractura dctil est caracterizada por una gran deformacin plstica en la vecindad de la punta de fisura

Adems el proceso se lleva a cabo relativamente lento a medida que la fisura se extiende. Asi se dice que la fisura es estable. Esto significa que se resiste a cualquier propagacin a menos que haya un incremento en las tensiones aplicadas. Adems generalmente se apreciara un incremento grosero en la deformacin en sus superficies de fractura.

Por otro lado la fractura frgil, la fisura se puede propagar extremadamente rpido (300 a 2000m/s) con muy poca deformacin plstica. Tales fisuras se llaman inestables y su propagacin, una vez comenzada, contina espontneamente sin un incremento en las tensiones aplicadas. Se aclara que tambin puede existir inestabilidades dctiles.

La fractura frgil es casi preferible por dos razones. Primero, la fractura ocurre repentina catastrficamente sin ninguna advertencia, consecuencia de la espontanea y rpida propagacin de la fisura. Por otro lado, en la fractura dctil la presencia de deformacin plstica da aviso que la fractura ser inminente, permitiendo que se tomen medidas preventivas. Segunda, es que requiere mayor energa para inducir la fractura dctil por lo que los materiales dctiles son generalmente ms tenaces. Bajo la accin de una tensin de traccin, la mayora de los metales son dctiles, mientras que los cermicos son notablemente frgiles.

II.- MECANISMOS DE FRACTURA

Para ilustrar cmo se da la fractura, el punto de partida ser un material cristalino hipottico. Los materiales pueden clasificarse en tres categoras dependiendo de cmo estn ubicados sus tomos. Los materiales cristalinos son aquellos en donde los tomos se encuentran ordenados siguiendo un patrn definido llamado estructura cristalina. Los materiales amorfos son aquellos en donde los tomos estn colocados de manera aleatoria, y no es posible encontrar ningn patrn de orden entre ellos. Los materiales semicristalinos son aquellos que poseen una combinacin de zonas amorfas y zonas cristalinas. Supongamos que es posible observar los tomos del material cristalino hipottico con una cmara fotogrfica. Al tomarle una fotografa a estos tomos, se observara el ordenamiento que se muestra en la figura 1.

Figura 1. Atomos ordenados en un material cristalino

Cuando se aplica una fuerza sobre este material, pueden suceder tres fenmenos, dependiendo de la magnitud de la fuerza aplicada:

Figura 2. Cuando se aplica una fuerza, los enlaces se estiran causando deformacin elstica.

1. Los enlaces qumicos entre los tomos se estiran. Al retirar la fuerza, los enlaces regresan a su tamao original y, por tanto, los tomos tambin regresan a su posicin inicial. Esta es la base de la deformacin elstica de los materiales (figura 2).2. Si la fuerza aumenta produciendo esfuerzos mayores que el esfuerzo de fluencia del material, los tomos comienzan a deslizar entre ellos sobre ciertos planos imaginarios dentro de la estructura cristalina. Esta es la base de la deformacin plstica de los materiales (figura 3).3. Si la fuerza aumenta an ms, los enlaces qumicos entre los tomos se rompen. Esta es la base de la fractura de los materiales (figura 4).

Figura 3. Cuando la fuerza aumenta, los tomos comienzan a deslizar entre s causando deformacin permanente.

Figura 4. El material se fractura cuando la fuerza es suficiente para romper los enlaces.Partiendo del hecho que la fractura consiste en la ruptura de los enlaces entre los tomos, es posible calcular el esfuerzo terico que debe aplicarse al material para fracturarlo. Una deduccin detallada de este clculo se encuentra en la referencia [2]. El esfuerzo de fractura terico de un material cualquiera responde a la siguiente ecuacin:

=

Para esta ecuacin: = esfuerzo de cohesin entre los tomos.E = mdulo de elasticidad del material. = tensin superficial del material; es la energa por unidad de rea requerida para crear la superficie del material.= distancia de separacin de equilibrio entre los tomos.

Curiosamente, al aplicar esta ecuacin se obtienen esfuerzos de fractura tericos mucho mayores que los valores medidos experimentalmente. Por alguna razn, los materiales en la vida real son ms dbiles de lo que deberan ser en la teora. Hertzberg [3] explica esta diferencia de la siguiente manera:

1. La mayora de materiales se deforma plsticamente cuando los esfuerzos aplicados son mucho menores que el esfuerzo de falla. Esta deformacin plstica produce un dao irreversible en el material que eventualmente provoca su fractura.

2. Los materiales poseen defectos microscpicos, los cuales generalmente son producidos durante su proceso de manufactura. Estos defectos debilitan al material provocando su fractura a esfuerzos menores que el valor terico.

El segundo punto de la explicacin de Hertzberg es muy importante: la falla de los materiales se origina en algn defecto o discontinuidad en el material. Estos defectos generalmente son microscpicos y estn presentes en todos los materiales. En la figura 5 se ilustra un defecto a nivel atmico dentro de un material. Debido a que la fuerza externa se concentra en aquellos enlaces qumicos que se encuentren completos, stos estn sometidos a esfuerzos muy elevados, siendo posible romperlos con facilidad an cuando la fuerza externa no sea muy grande.

Figura 5. Se ilustra una grieta o discontinuidad dentro del material. Al aplicarse una fuerza externa, sta se distribuye en un nmero menor de enlaces, facilitando la ruptura de stos

Es posible generalizar que la fractura de un material siempre se inicia en una grieta o una discontinuidad. Bajo ciertas condiciones, cualquier grieta puede crecer de manera espontnea, propagndose sobre el material y originando su fractura catastrfica. Todas las fracturas tienen un origen en algn defecto del material, y todos los materiales de ingeniera tienen defectos. Cuando estos defectos son relativamente pequeos, los tomos que se encuentran alrededor pueden tomar sin dificultad el esfuerzo aplicado, y el material es capaz de resistir el efecto de la fuerza externa. Entre ms grandes son los defectos del material, mayor ser la intensidad del esfuerzo sobre los tomos que le rodean, y menor ser la resistencia a la fractura del material. Griffith plante una teora para explicar el fenmeno de propagacin de las grietas durante la fractura del material [4]. Esta teora se puede describir de la siguiente manera: cuando una grieta crece y se propaga dentro del material para generar la superficie de fractura, necesita consumir energa para crear una nueva superficie dentro del material. Para comprender esto, considere el bosquejo de la figura 6.

Figura 6. Modelo de un material cristalino mostrando la superficie externa y una grieta al interior del material.De esta figura, se observa que todos los tomos ubicados en la superficie externa del material tienen un enlace qumico incompleto. Obviamente este enlace no puede completarse porque los tomos de la superficie no tienen ningn tomo cercano sobre ellos. El enlace qumico incompleto hace que los tomos de la superficie tengan ms energa que los tomos dentro del material. Se sabe de la fsica que, para separar a un electrn de un tomo y alejarlo de ste, se necesita darle energa al sistema. El trabajo necesario para alejar al electrn del tomo queda almacenado en el tomo en forma de energa, incrementando por tanto su nivel energtico. Por esta razn, los tomos dentro del material que poseen todos sus enlaces qumicos completos, tienen menos energa que los tomos de la superficie. Como en la naturaleza todo tiende al estado con la menor energa posible, los tomos de la superficie buscarn la forma de eliminar esa energa en exceso. En los metales, una manera de lograr esto es reaccionando con el oxgeno del aire, completando el enlace qumico y disminuyendo su energa. Por esta razn, los metales son propensos a oxidarse con facilidad. Volviendo al tema de la fractura, debido a que los tomos en la superficie tienen ms energa que el resto, es necesario darle energa a estos tomos para que puedan crear dicha superficie. Esta energa por unidad de rea necesaria para crear la superficie del material se asocia a la tensin superficial, y se simboliza generalmente por la letra griega g. La tensin superficial generalmente se interpreta como la energa necesaria para crear la unidad de rea de superficie. En la grieta o discontinuidad dentro del material tambin existe una superficie. Si se desea que la grieta se propague y se produzca la fractura, entonces es necesario darle energa al material. Sin este aporte de energa, la grieta no puede propagarse, y por tanto el material no podra fracturarse.

De dnde obtiene el material la energa suficiente para crear la superficie de fractura?: la obtiene de la energa elstica almacenada en la deformacin de los enlaces qumicos. A medida que la grieta se propaga, debe existir ruptura de enlaces qumicos. Estos enlaces estaban deformados por la fuerza externa aplicada y, al romperse, liberan la energa almacenada. Tanto el fenmeno de creacin de superficie como de ruptura de los enlaces se desarrollan de manera simultnea dentro del material.A partir de las ideas planteadas, es posible explicar la fractura de los materiales. Si cuando la grieta intente crecer la energa necesaria para crear la nueva superficie es mayor que la energa liberada por los enlaces que se rompen, entonces no es posible crear esa superficie.La grieta no puede propagarse y el material es capaz de soportar la fuerza externa aplicada sin fracturarse. Por el otro lado, si la energa necesaria para crear la superficie de fractura es menor que la energa liberada por los enlaces que se rompen, entonces la grieta se propaga de manera espontnea, produciendo la fractura sbita del material. El exceso de energa liberada al romperse los enlaces puede reflejarse en forma de calor y sonido durante la fractura. Griffith dedujo una ecuacin que describe la condicin de equilibrio, donde la energa que debe consumirse en la creacin de superficie es igual a la energa elstica liberada. Esa ecuacin se escribe a continuacin:

Donde: = tensin superficial del material. = esfuerzo aplicado sobre el material. = mitad de la longitud de la grieta o defecto interno del material.E = mdulo de elasticidad del material.Esta ecuacin fue deducida partiendo de una grieta con forma de elipse, y con una longitud total de 2a. Para ms detalles sobre la deduccin, ver referencia [4] Griffith reescribi la ecuacin anterior de la siguiente manera:

=Cuando el esfuerzo aplicado sobre el material es mayor que el valor terico calculado a partir de la ecuacin de Griffith, se da la fractura del material. Es necesario recalcar que el presente artculo nicamente persigue dar una idea muy general de cmo se desarrolla la fractura de los materiales. La ecuacin de Griffith debe usarse con cuidado, ya que fue deducida partiendo de un material elstico que posee una grieta muy fina de longitud 2a, y nicamente describe de manera muy general el mecanismo de fractura. La disciplina Mecnica de Fractura retoma estos conceptos y elabora un anlisis ms complejo para diversos modos de fractura en los materiales. Sin embargo, a partir de esta ecuacin pueden sacarse conclusiones muy interesantes respecto a la resistencia a la fractura de los materiales. En primer lugar, puede observarse que entre mayor sea el mdulo de elasticidad y la tensin superficial de un material, mayor ser su resistencia a la fractura. Tambin se observa que cuanto mayor sea el tamao de la grieta interna, menor ser la resistencia a la fractura.

Como modificar el mdulo de elasticidad o la tensin superficial de un material no es prctico, entonces la resistencia a la fractura de los materiales se controla principalmente controlando el tamao de sus defectos internos. Si un metal dctil posee una grieta interna de tamao significativo, es posible que su esfuerzo de fractura sea incluso menor que su esfuerzo de fluencia. Esto significara que el material se fractura antes de llegar a la zona plstica. Es por esta razn que en las estructuras de acero o en sistemas de tuberas a elevada presin es necesario el monitoreo constante de las grietas o defectos internos del material utilizando ultrasonido, rayos X o pruebas no destructivas. Cuando se detecta que una grieta ha crecido demasiado y el esfuerzo de fractura se acerca al esfuerzo de trabajo del material, entonces es necesario reemplazar la parte o tomar medidas que eviten la fractura. De alguna manera, el diseo de una pieza metlica nicamente a partir de datos obtenidos de una curva esfuerzo-deformacin queda incompleto, ya que no se toma en cuenta la probabilidad que durante la fabricacin de la parte se hayan generado defectos que pueden hacer fallar al material a valores de esfuerzo aplicado menores que los esperados. En los materiales dctiles se cuenta con la ventaja que, a pesar de que pueda existir un defecto de tamao significativo, la capacidad del material para deformarse plsticamente puede detener el crecimiento espontneo de la grieta, evitando que el material falle. En los materiales cermicos, no se cuenta con este mecanismo debido a la fragilidad natural del material, por lo que el diseo de piezas cermicas debe tomar en cuenta la fractura del material. Debido a que el tamao y distribucin de los defectos dentro de una cermica normalmente es aleatorio, entonces el diseo de este tipo de piezas descansa fuertemente en mtodos probabilsticos de falla.

III.- TIPOS DE FRACTURA

Las tpicas clases de fracturas son fractura simple, fractura dctil, fractura frgil, fractura por creep y fractura por fatiga.

LA FRACTURA SIMPLE es la separacin de un cuerpo en dos o ms trozos como respuesta a una tensin que puede ser esttica (constante o variando lentamente con el tiempo) y a temperaturas que son bajas en relacin a la temperatura de fusin del material. Las tensiones aplicadas pueden ser de traccin, compresin, de corte o torsionales.

Considerando un primer criterio de clasificacin, se acostumbra a distinguir entre fractura ductil y frgil, desde el punto de vista del comportamiento de los materiales las cuales son reconocidas dependiendo de la cantidad de deformacin plstica previa.Otro criterio de clasificacin de la fractura corresponde al camino de la grieta: por los bordes de grano (intergranular o intercristalina) o por dentro de los granos (transgranular o transcristalina). En los complejos casos reales, en policristales monofsicos, tambin puede haber una combinacin de estos tipos de trayectorias.Ejemplos: En el cuadro se presentan ejemplos de casos de fractura, atendiendo a los dos tipos de clasificacin antes indicados. Sabemos que normalmente, a bajas temperaturas los bordes de grano son ms resistentes que los granos de los mismos. Por ello nos interesa el grano fino, para tener mucha superficie de bordes de grano por unidad de volumen de material.Pero, como lo muestran los ejemplos del cuadro, esto no es cierto cuando, por ejemplo estamos en condiciones de fluencia lenta (creep) o bien cuando hay una anormal segregacin en los bordes de grano.

Estn relacionados con los mecanismos de deformacin:

1. FRACTURA FRGIL:Esta clase de fractura es una particularidad de los materiales de estructura cristalina cubica de cuerpo centrado (BCC) y hexagonal cuando trabajan a bajas temperaturas. Esto puede ocurrir en los metales de alta resistencia o en los de baja ductilidad y tenacidad, se observan con frecuencia cuando la falla es causada, por impacto en lugar de sobrecarga.En unas fracturas de aspecto frgil, puede existir una intensa deformacin plstica, solo que esta se localiza en una regin pequea alrededor de la grieta y el resto del material permanece sin deformacin plstica.La fractura frgil puede identificarse observando las caractersticas de la superficie de fractura ya que normalmente, es plana y perpendicular al esfuerzo aplicado en una prueba de traccin.Tradicionalmente la mayor atencin se le a dado a la fractura frgil por sus caractersticas de ser sbita, catastrfica y de ocurrir a esfuerzos por debajo de los esfuerzos de diseo. Este tipo de fractura puede ocurrir en cualquier estructura o elemento estructural, pero especialmente en: Aleaciones no ferrosas de alta resistencia. Aceros estructurales y aceros de alta resistencia a bajas temperaturas. Materiales cermicos. Materiales de recipientes a presin. Materiales altamente deformados.CARACTERSTICAS DE LA FRACTURA FRGIL1. La grieta se propaga con muy poca deformacin plstica en el vrtice de esta.2. Dos factores siempre necesarios para que ocurra la iniciacin de la fractura frgil son en bajas temperaturas y esfuerzos.3. El inicio de la inestabilidad se inicia con esfuerzos nominales menores a los esfuerzos de fluencia.4. Espesores mayores del producen generalmente efectos ms serios que en espesores menores.5. Lo anterior debido a lo que la temperatura de transicin ductil frgil (TTDF) se incrementa en componentes soldadas y/o con procesos de conformado.6. La falla se caracteriza en la zona fracturada por tener un aspecto brilloso y granular.

CAUSAS DE LA FRACTURA FRGIL:Las tallas de la estructura o componentes mecnicos mediante fractura frgil se origina por la presencia de defectos inicialmente originados durante el proceso de fabricacin o a lo largo de la operacin en servicio. Estos defectos actan como concentradores de tensiones y pueden ser: Entalles: Discontinuidades causas por el cambio de secciones, defectos de mecanizados o daos en servicios. Defecto del material: Pliegues, laminaciones, grandes inclusiones no metlicas, defectos de forja, etc. Fisuras resultantes de los tratamientos trmicos: presencia de hidrogeno, debidas a la corrosin.

PREVENCIN DE FRACTURA FRGIL:Como resultado de la investigacin detallada de la causa y medidas preventivas de la fractura frgil, se encontr que las siguientes tres condiciones deben presentarse simultaneamente:1. La existencia de un controlador de tensiones2. La existencia de tensiones de traccin 3. Falta de tenacidad de la entalla (baja temperatura)Entallas que originan la fractura frgil pueden ser detectados de soldaduras tales como fisuras, falta de penetracin socavados, y solapes, etc.Se puede prevenirla fractura frgil eliminado al menos una de esas condiciones.En primer trmino, es necesario reducir discontinuidades geomtricas en la estructura, fisuras y defectos de soldaduras, tales como la falta de penetracin, socavados y distorsiones angulares poniendo atencin al diseo y ejecucin de las soldaduras. El prximo paso sera aliviar tensiones residuales, incrementan la temperatura de transicin. Adems es necesario para su utilizacin, seleccionar apropiadamente los materiales considerando las tensiones de diseo y atemperatura ambiente de trabajo. Los factores que afectan las fracturas frgiles son: material, espesores, tipo de estructura, condiciones de tensiones, temperatura de trabajo entre otras.

La fractura frgil se da a lo largo de los planos cristalinos, cuando la tensin aplicada es suficiente para romper los enlaces.

Esto ocurre porque la tensin de fractura depende de la presencia de defectos en el material. El material se rompe:

Nucleando (iniciando) grietas en defectos ya existentes. Propagndolas y creando nuevas superficies libres. Para este proceso se consume energa.

Concentracin de tensiones

Las esquinas, los defectos y las grietas concentran las tensiones.

Inglis (1913) calcul las tensiones en la punta de una grieta elptica:

MECANISMOS DE FRACTURA FRAGIL

Clivaje: El clivaje es el mecanismo responsable de la mayora de las roturas rpidas. Se produce por la separacin de planos cristalogrficos bien definidos, caractersticos de cada estructura.Por ejemplo en la mayora de los metales cbicos de cuerpo centrado los planos de clivaje son de la familia {100}. En materiales policristalinos las superficies de fractura originadas por clivaje estn constituidas por facetas planas, cada una de ellas correspondiente a una familia de planos de clivaje de los granos cristalinos. La alta reflectividad ptica de estas facetas es la que caracteriza macroscpicamente una fractura frgil.

Pero la presencia de clivaje no indica necesariamente una alta fragilidad del material. Algunos materiales dctiles pueden presentar superficies de clivaje bajo solicitaciones de traccin.Las condiciones necesarias para una rotura por clivaje dependen del material particular y del tipo de carga. En general puede ocurrir clivaje bajo altas tensiones triaxiales, altas velocidades de deformacin, y por supuesto a temperaturas por debajo de la transicin dctil-frgil.

Se observa clivaje en metales y aleaciones bcc y hcp. Es ms difcil una rotura por clivaje en materiales fcc dada la multiplicidad de sistemas de deslizamiento y la gran movilidad de dislocaciones. Pero en algunos casos pueden aparecer facetas con los rasgos caractersticos del clivaje en una fractura inducida por un ambiente corrosivo.

Desde el punto de vista cristalogrfico, y dado que la separacin se produce segn planos cristalogrficos, debera esperarse una superficie con facetas totalmente planas como resultado de una fractura por clivaje. Pero las distintas imperfecciones cristalinas, precipitados, bordes de grano, influyen sobre la propagacin de una fisura por clivaje y alteran entonces la regularidad de las facetas.

Fractura por clivaje

En la figura se muestra fractura por clivaje. Se pueden observar los caractersticos ros de clivaje (river patterns). Un conjunto de ros dentro de un grano cristalino corresponde a escalones entre planos de clivaje pertenecientes a una misma familia cristalogrfica. Los ros convergen segn el sentido de propagacin en cada grano cristalino. Escala: 10 mm.

En efecto, una rotura por clivaje avanza por medio de la propagacin simultnea de fisuras sobre planos paralelos entre s, correspondientes a una misma familia cristalogrfica. Cuando estas fisuras se superponen o se acercan suficientemente, se unen a travs de un escaln.A medida que se propaga la fisura los escalones se unen para formar escalones ms pronunciados. Observado en el microscopio electrnico, el conjunto se asemeja al de los ros de una cuenca, y por ello se denominan ros de clivaje (river patterns). Un conjunto de ros dentro de un grano cristalino corresponde entonces a los escalones entre planos de clivaje pertenecientes a una misma familia cristalogrfica. Estos escalones son normalmente planos de clivaje secundario y su altura est relacionada con el ngulo que forma el eje de traccin con los planos de clivaje del grano considerado.Cuando la fisura alcanza otro grano cristalino, cambia la geometra de los nuevos ros. En el caso de un borde de bajo ngulo, los escalones pueden continuar en el segundo grano.Pero si la desorientacin es mayor, normalmente se forman escalones nuevos. Los ros de clivaje pueden tambin originarse en dislocaciones de hlice. En estos casos la altura del escaln aumenta a medida que se propaga la fisura.

Fractura transgranular: Las grietas propagan cortando los granos.

Fractura intergranular: Las grietas propagan a lo largo la frontera de grano.La grieta progresa por los lmites de grano. Este tipo de fallo est asociado a la presencia de impurezas en el lmite de grano, que debilitan el material.

Macroscpicamente la fractura intergranular se presenta como una superficie brillante, pero con un brillo menor que la fractura por clivaje. La fragilizacin intergranular de un metal puede ocurrir como resultado de un conjunto de procesos que afectan directamente el lmite de grano y que convierte a estas zonas en la zona ms dbil de toda la estructura cristalina. En estos casos la fisura se nuclea y se propaga rpidamente a lo largo de las superficies intergranulares. En una micrografa electrnica, la morfologa de las superficies de fractura resultantes es fcilmente identificable por el aspecto facetado que revela las formas exteriores de los granos cristalinos.

Las fracturas frgiles se produjeron a temperaturas relativamente bajas con respecto a la temperatura ambiente, a aproximadamente 4C, en la vecindad de la temperatura de transicin de acero. Cada fisura de la fractura se origino en algn punto de concentracin de tensiones, probablemente en alguna forma angular o de esquina o en algn defecto de fabricacin, propagndose luego alrededor del todo el barco del caso del barco.

La superficie de fractura frgil est caracterizada por dos tipos de marcas llamadas V-Shaped chevron (Dig. 2) y river patterns (ver Fig.3)

2. FRACTURA DUCTILEs la fractura que ocurre despus de una apreciable deformacin plstica del cuerpo, entendiendo que los esfuerzos en una regin relativamente grande de la pieza rebasaron el esfuerzo de cedencia o limite elstico. Esto puede ocurrir en forma transgranular (es decir a travs de los granos, en los metales dctiles y con buena tenacidad) en los metales que tienen ductilidad y tenacidad satisfactoria. Se caracteriza porque ocurre bajo una intensa deformacin plstica en el entorno de la grieta (o zona fracturada). Se trata de una grieta estable, ya que para seguir creciendo necesita que el esfuerzo (externo) sea cada vez mayor. Adems, el avance de la grieta es lento y existe una deformacin plstica apreciable en las superficies de fractura.La ductibilidad puede ser cuantificada en trminos porcentual y reduccin de rea porcentual y es funcin de la temperatura del material, la velocidad de carga y estado de tensin.FRACTURA DUCTIL CON SUPERFICIE PLANA:Este tipo de fractura es evidente de la formacin de un cuello o estriccin de la fractura. El plano de la rotura es normal a la direccin de los esfuerzos mximos aplicados y la ltima porcin de rea de la fractura se produce en forma de picos que se extiende hasta la superficie del componente.

FRACTURA DCTIL INCLINADA:Este tipo de fractura se produce por coalescencia de micro cavidades, nucleacion de micro cavidades en regiones localizadas de formacin (partculas de fases secundarias, inclusiones, lmites de grano y apilamiento dislocaciones). Conforme crece la deformacin en el material las micro cavidades crecen, coalescen y eventualmente forman una superficie de fractura continua. Esta fractura exhibe una numerosa cantidad de depresiones tipos copas .

MECANISMOS DE FRACTURA DUCTILLa cantidad y distribucin de dimples son consecuencia de la cantidad de zonas activadas para la nucleacion de micro cavidades. Cuando mayor es la dispersin y cantidad de precipitados o fases secundaria, ms pequeos sern los dimples.Se forman cavidades en la zona plstica que por coalescencia dan lugar al crecimiento de grieta. Por ello, las superficies de fractura son rugosas.La fractura dctil es casi preferible por dos razones:1. La fractura frgil ocurre repentinamente y catastrficamente sin ninguna advertencia, consecuencia de la espontanea y rpida propagacin de la fisura. Por otro lado, en la fractura dctil la presencia de la deformacin plstica da aviso que la fractura ser inminente permitiendo que se tomen medidas preventivas.2. En este tipo de fractura se requiere mayor energa para inducir la fractura dctil por lo que los materiales dctiles son generalmente, ms tenaces. Bajo la accin de una tensin de traccin, la mayora de los materiales son dctiles, mientras que los cermicos son notablemente frgiles.La deformacin sucede antes de la fractura final, se puede observar una deformacin, la modificacin visible que aparenta un cuello, entallamiento o estriccin justo en la parte donde se ocasiono la falla. Estas facturas pueden ser ocasionadas por sobrecargas simples o al aplicar un esfuerzo muy grande al material.Si se realiza una prueba de tensin en un ensayo simple el proceso de fractura ser con la nucleacin, el crecimiento y la coalescencia de microhuecos, formados cuando un gran esfuerzo crea una separacin en los lmites de granos, conforme el esfuerzo aumenta la separacin de los granos crea cavidades mas grandes con lo cual el rea de contacto con el metal es muy pequea y no puede soportar la carga provocando finalmente la fractura.Esta fractura ocurre bajo una intensa deformacin plstica.

La fractura dctil comienza con la formacin de un cuello y la formacin de cavidades dentro de la zona de estrangulamiento. Luego las cavidades se fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga hacia la superficie en direccin perpendicular a la tensin aplicada. Cuando se acerca a la superficie, la grieta cambia su direccin a 45 con respecto al eje de tensin y resulta una fractura de cono y embudo.

(a) Fractura frgil. (b) Fractura dctil

Superficie de fractura dctil a mayores aumentos mostrando las microcavidades caractersticas de la fractura dctil.

TRANSICIN DE FRACTURA DUCTIL FRGILUn metal (acero) de bajo contenido de carbono tiene una fractura dctil alrededor de la temperatura ambiente pero se vuelve frgil a ms bajas temperaturas. La energa de impacto, tambin llamada tenacidad de la entalla se usa para evaluar cuantitativamente esa transicin. Los ensayos de CHARPY e IZOD fueron diseados y son aun utilizados para medir la energa de impacto.

Energa de fractura por impacto para un acero al carbono

En el caso de los metales BCC, por ejemplo, se encuentra que el limite elstico aumenta rpidamente al disminuir la temperatura, lo cual coincide con una transicin en la fractura de dctil a frgil.

Para temperaturas superiores a la temperatura de transicin, Tr, la rotura se produce fundamentalmente por coalescencia de cavidades y la energa absorbida es elevada. Por el contrario, a temperaturas inferiores a Tr, la fractura viene dada por un mecanismo frgil (descohesin transgranular, usualmente denominado clivaje, o bien fractura intergranular) y la energa absorbida es pequea. Para muchas aleaciones hay rango de temperatura donde se produce la transicin dctil frgil, esto presenta alguna dificultad en especificar una sola temperatura de transicin dctil- frgil.No todas las aleaciones muestran una transiciones dctil frgil, aquellos que tienen estructuras cubicas de caras centradas (FCC) (incluyendo aleaciones de Al y Cu) permanecen ductiles a un extremadamente bajas temperaturas; sin embargo aleaciones cubicas centradas en el cuerpo y hexagonales de alto empaquetamiento experimentan esa transicin.3. FRACTURA POR CREEPSe llama Creep a la relacin entre la deformacin permanente y el tiempo que sufren los materiales que estn en servicio a elevadas temperaturas y expuestos a tensiones mecnicas estticas (por ejemplo rotores de turbinas en motores y generadores de vapor que experimentan tensiones centrifugas, y lneas de vapor de alta presin).El creep es normalmente un fenmeno indeseable y frecuentemente un factor limitante en el tiempo de vida de una pieza. Se observa en todo tipo de materiales; en metales esto se vuelve importante para altas temperaturas que estn alrededor del 0,4 Tm (Tm: temperatura de fusin absoluta).A. Generalidades al comportamiento al creepUn ensayo de Creep tpico consiste en someter a la pieza a una carga constante o tensin mientras se mantiene la temperatura constante; se mide la deformacin y se grafica en funcin del tiempo transcurrido. La mayora de los ensayos son del tipo carga constante, lo cual de informacin de naturaleza ingenieril. Se emplean ensayos a tensin constante para proveer un mejor entendimiento de los mecanismos del Creep.La figura es una representacin esquemtica del comportamiento del Creep de metales sometidos a carga constante.

Fig. Curva de Creep tpica a tensin constante y elevada temperatura.Cuando se aplica la carga hay una deformacin instantnea, como se muestra en la figura, la cual es mayormente elstica. El resultado da la curva de Creep da tres regiones, cada una de las cuales tiene sus propias caractersticas distintas en la relacin tensin tiempo.La primera etapa llamada Creep primario, est tipificada por una disminucin continua de la velocidad de Creep, esto es, la pendiente de la curva disminuye con el tiempo. Esto sugiere que el material est experimentando un incremento en la resistencia al Creep o endurecimiento por deformacin hacindose ms difcil que el material sea deformado.En el Creep secundario, algunas veces llamado estado estacionario, la velocidad es constante, esto corresponde a un grafico lineal, y es frecuentemente la etapa de Creep de mayor duracin. El mantenimiento constante de la velocidad de Creep se explica sobre la base de un balance entre los procesos competitivos de endurecimiento por deformacin y recuperacin, siendo esta ultima el proceso por el cual un material se ablanda y mantiene su capacidad para experimentar deformacin.Finalmente, para el Creep terciario, hay una aceleracin de la velocidad y por ultimo fractura.Esta fractura es frecuentemente llamada ruptura y es el resultado de cambios microestructurales y/o metalrgicos, por ejemplo, separacin de borde de grano. Y formacin de fisuras internas, cavidades y voids. Tambin, para la carga de traccin se puede formar un cuello en algn punto dentro de la regin de deformacin. Todo esto lleva a un decremento en el rea transversal efectiva y un incremento en la velocidad de deformacin.Para materiales metlicos la mayora de los ensayos de Creep son llevados a cabo con tensin uniaxial utilizando una probeta que tiene la misma geometra que aquellos utilizados en los ensayos de traccin.Por otro lado, los ensayos de comprensin uniaxial son ms apropiados para materiales frgiles; esto provee mejores mediciones de las propiedades intrnsecas de Creep debido a que no hay amplificacin de tensiones y propagacin de fisuras como en cargas de tensin.Las probetas para ensayos de comprensin son en general cilindros o paraleleppedos que tiene una relacin longitud/ dimetro en el rango de 2 a4.Para la mayora de los materiales las propiedades de Creep son virtualmente independientes de la direccin de carga.Posiblemente el parmetro ms importante obtenido de un ensayo de Creep es la pendiente de la porcin secundaria de la curva de Creep (En la figura 25 /t); a esto se le llama velocidad mnima o velocidad de Creep del estado estacionario.Este es el parmetro de diseo ingenieril que es considerado para aplicaciones de larga vida tales como componentes de plantes de energa nuclear que son programadas para operar durante varias dcadas y cuando la fractura o demasiada deformacin no est permitida. Por otro lado, para situaciones de Creep de vida relativamente corta (por ej. Alabes de turbinas en aviones militares y boquillas de motores de cohetes) el tiempo de vida a la rotura t es la consideracin de diseo dominantes lo que es indicado en la figura 24. Por supuesto, para su determinacin los ensayos de Creep deben ser llevados a cabo hasta el punto de fractura lo que se denomina ensayos de Creep a la rotura. As un conocimiento de estas caractersticas de Creep de una aleacin de un material en el diseo ingenieril nos dan su apropiada aplicacin en un caso especfico.

4. FRACTURA POR FATIGAEs otro tipo de fractura que aparece en los materiales metlicos. Tambin se da en los polmeros, y los cermicos la soportan muy mal (ya que en general rompen enseguida). La fatiga se produce cuando el material est sometido a cargas cclicas y variables (se repiten a lo largo del tiempo), aunque el valor del esfuerzo al que est sometido el material sea inferior a la resistencia a la traccin e incluso inferior al lmite elstico. Un ejemplo de fatiga sera un alambre que se doblase continuamente. Su importancia es enorme, ya que aproximadamente el 80% de los fallos en servicio de las piezas metlicas son causados por fatiga.Muchas aplicaciones industriales llevan asociada una carga cclica en lugar de esttica y en ese caso, los materiales se rompern a tensiones mucho menores que aquellas que puede soportar la pieza bajo la aplicacin de una nica tensin esttica. La fatiga es el fenmeno general de fallo del material tras varios ciclos de aplicacin de una tensin menor a la de rotura.El aspecto de las piezas rotas por fatiga presentan en su superficie de rotura dos zonas caractersticas que son: Una zona lisa, de estructura finsima y brillante: la rotura por fatiga se da despus de un periodo relativamente largo. Una zona de cristales grandes, o de estructura fibrosa: cuando la rotura por fatiga se da instantneamente debido a la disminucin de seccin.Las circunstancias que influyen en la rotura por fatiga de un material metlico son: Estado de la superficie: el estado de esta tiene gran importancia sobre la rotura por fatiga. Variaciones de seccin: el lmite de fatiga se reduce por los cambios bruscos de seccin no acordados con radios amplios, entalladuras de cualquier otra clase. Temperatura: en casi todos los materiales metlicos el aumento de temperatura por encima de cierto valor, disminuye el lmite de fatiga. Tratamientos trmicos: las termones internas provocadas por tratamientos trmicos, crean localizacin de esfuerzos que pueden originar fisuras. Homogeneidad de la estructura cristalina: cuando la estructura no es homognea puede suceder que los cristales ms pequeas, se acuen entre las ms grandes, originando fisuras y la consiguiente disminucin de seccin. Corrosin: cuando la corrosin existe no tiene tanto problema., pero si va actuando, cada punto de corrosin se convierte como si fuera una entalle rebajando notablemente el lmite de fatiga.Para los materiales ferrosos, la perdida de resistencia con el nmero de ciclos alcanza un lmite denominado Resistencia a la fatiga Lmite de vida a fatiga. Los materiales no frreos no tienen un lmite tan marcado, aunque la velocidad de prdida de resistencia disminuye con el nmero de ciclos y en este caso se escoge un nmero de ciclos tal como para establecer el lmite. La resistencia a la fatiga es como la cuarta parte o la mitad de la resistencia a la traccin.

IV.- REFERENCIAS:

1. WULPI, DONALD J., Understanding how components fail, pgs. 86-87, ASM International, 1985.2. HERTZBERG RICHARD W., Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, pgs. 239 - 240, John Wiley and Sons, 1989.3. HERTZBERG RICHARD W., Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, pgs. 241, John Wiley and Sons, 1989.4. HERTZBERG RICHARD W., Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, pgs. 271 - 277, John Wiley and Sons, 1989.5. Materiales.wikispaces.com/file/view/Fractura+dctil.doc6. http://www.edicionsupc.es/ftppublic/pdfmostra/EM03606M.pdf7. http://es.wikipedia.org/wiki/Metal8. http://html.rincondelvago.com/ingenieria-de-materiales.html

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