ceramicas y polimeros 5, Diapositivas de Cultura Científica

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CAPITULO 6: FRACTURA

ING. FELIX GABRIEL ORELLANA SANCHEZ

6.1 FRACTURA DE LOS METALES

Uno de los aspectos más importantes y prácticos de la selección de metales en el diseño, desarrollo y producción de nuevos componentes es la posibilidad de que el componente falle durante su funcionamiento habitual. La falla se puede definir como la incapacidad de un material o componente de 1) realizar la función prevista, 2) cumplir los criterios de desempeño aunque pueda seguir funcionando, o 3) tener un desempeño seguro y confiable incluso después de deteriorarse. El rendimiento, desgaste, la torcedura (inestabilidad elástica), la corrosión y la fractura son ejemplos de situaciones en las que ha fallado un componente.

Pueden reconocerse tres etapas distintas en la fractura dúctil: 1) la muestra presenta una estricción y se forman cavidades en la zona de estricción (figuras a y b ), 2) las cavidades formadas se juntan generando una fisura en el centro de la probeta que se propaga hacia la superficie de la misma y en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado (figura c ) y 3) cuando la fisura se aproxima a la superficie, la dirección de la misma cambia a 45° respecto al eje de la tensión y se genera una fractura del tipo cono y copa (figura d y e ).

6.1.2 FRACTURA FRÁGIL

Muchos metales y aleaciones se fracturan de forma frágil con muy poca deformación plástica. La fractura frágil suele avanzar a lo largo de los planos cristalográficos determinados llamados planos de exfoliación bajo un esfuerzo normal al plano de exfoliación.

Las fracturas frágiles en los metales policristalinos, en su mayoría, son transgranulares, es decir, la fisura se propaga a través del interior de los granos. Sin embargo, la fractura frágil puede ocurrir de manera intergranular si los límites de grano contienen una película frágil o si la relación del límite de grano se ha hecho frágil por la segregación de elementos perjudiciales.

6.1.3 TENACIDAD Y PRUEBA DE IMPACTO

La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un

material puede absorber antes de fracturarse. Esta propiedad es

de importancia en la ingeniería cuando se considera la capacidad

que tiene un material para soportar un impacto sin que se

produzca la fractura. Uno de los métodos más simples de medida

de la tenacidad es la prueba de impacto.

6.1.4 TEMPERATURA DE TRANSICIÓN DE DÚCTIL A

FRÁGIL

Como se mencionó anteriormente, en determinadas condiciones se observa un cambio marcado en la resistencia a la fractura de algunos metales que están en uso, esto es, la Transición de dúctil a frágil. Las bajas temperaturas, la aplicación de un gran esfuerzo y velocidades de carga rápida pueden causar que un material dúctil se comporte de manera frágil; sin embargo, usualmente, la temperatura se selecciona como la variable que representa esta transición mientras que la velocidad de carga y la velocidad de aplicación del esfuerzo se mantienen constantes. El aparato de la prueba de impacto mencionado en la sección anterior puede emplearse para determinar el intervalo de temperatura para la transición en los materiales de su comportamiento dúctil a frágil.

7.2 FATIGA DE LOS METALES

En muchos tipos de aplicaciones las piezas metálicas sometidas a esfuerzos cíclicos o repetitivos se rompen por la fatiga que sufren debido a un esfuerzo mucho menor de lo que la pieza puede soportar durante la aplicación de un esfuerzo estático sencillo. Estas fallas se denominan fallas por fatiga. Las piezas móviles, como los ejes de transmisión de movimiento, bielas y engranajes, son ejemplos de piezas de las máquinas en las que es común la falla por fatiga. Algunas estimaciones de las fallas de las máquinas se atribuyen en un 80 por ciento de la acción directa a las fallas por fatiga.

6.2.1 ESFUERZOS CÍCLICOS

Los esfuerzos de fatiga aplicados en los casos reales y en las pruebas de fatiga pueden variar mucho. Los diferentes tipos de pruebas utilizadas en la industria y en la investigación suponen esfuerzos axiales, de flexión o de torsión. En la figura se muestran las gráficas de fatiga en las que se representan el esfuerzo versus el número de ciclos de fatiga para tres pruebas de fatiga.

6.2.3 FACTORES DE IMPORTANCIA QUE AFECTAN

LA RESISTENCIA A LA FATIGA DE LOS METALES

La resistencia a la fatiga de un metal o aleación es afectada por otros factores además de la composición química del metal. Algunos de los factores más importantes son:

1. Concentración de esfuerzos. La resistencia a la fatiga queda reducida de forma muy importante por la presencia de puntos con concentración de esfuerzos tales como muescas, orificios, hendiduras o cambios bruscos en la sección transversal. Las fallas por fatiga pueden minimizarse mediante un diseño cuidadoso que evite en lo posible los puntos de concentración de esfuerzos. 2. Aspereza superficial. En general, cuanto más liso sea el acabado superficial de la probeta metálica, mayor será su resistencia a la fatiga. Las superficies ásperas generan concentración de esfuerzos que facilitan la formación de fisuras por fatiga.

3. Estado de la superficie. Puesto que la mayoría de las fallas por fatiga se originan en la superficie del metal, cualquier cambio importante en las condiciones de la superficie afectará la resistencia a la fatiga del metal. Por ejemplo, los tratamientos para el endurecimiento de la superficie de los aceros, como carburización y la nitruración que endurecen la superficie, incrementan la vida a la fatiga. Por otra parte, la descarburización, que ablanda la superficie de un acero tratado térmicamente, disminuye la vida de la fatiga. La introducción de esfuerzos residuales de compresión también incrementan los ciclos de resistencia. 4. Medio ambiente. Si se encuentra presente un ambiente corrosivo durante la aplicación de ciclos de fatiga a un metal, el ataque químico acelera de manera muy importante la velocidad a la cual se propaga la fisura por fatiga. La combinación del ataque corrosivo y los esfuerzos cíclicos en un metal se conoce como corrosión-fatiga.

6.3.1 CORRELACIÓN ENTRE LA PROPAGACIÓN DE LA FISURA POR FATIGA CON ESFUERZO Y LA LONGITUD DE LA FISURA

Se considerará de forma cualitativa cómo varía la longitud de la fisura por fatiga con el incremento de los esfuerzos cíclicos aplicados utilizando los datos como los obtenidos experimentalmente usando el equipo. Se usarán varias probetas de un material que contienen una fisura mecánica lateral. Se aplicarán esfuerzos cíclicos de amplitud constante a las probetas, y se medirá el aumento de la longitud de la fisura en función del número de ciclos de esfuerzo aplicados.

6.4 FLUENCIA Y ESFUERZO DE RUPTURA EN LOS METALES 6.4.1 LA FLUENCIA EN LOS METALES

Cuando un metal o aleación está bajo una carga o esfuerzo constante, puede sufrir una deformación plástica progresiva después de un tiempo. Esta deformación dependiente del tiempo se denomina fluencia. La fluencia en los metales y aleaciones es muy importante en algunos diseños en ingeniería, particularmente en aquellos que operan a elevadas temperaturas. Por ejemplo, un ingeniero que seleccione una aleación para los álabes de una turbina de gas de un motor, debe elegir una aleación con muy baja velocidad de fluencia puesto que los álabes deben permanecer en servicio durante un largo periodo antes de ser reemplazados por estar próximos a alcanzar la deformación plástica permitida.

6.4.3 PRUEBA DE RUPTURA POR FLUENCIA

La prueba de ruptura por termofluencia o de esfuerzo a la ruptura es esencialmente la misma que la prueba de fluencia, excepto que las cargas son mayores y la prueba se lleva a cabo hasta la falla de la muestra. Los datos de fluencia-ruptura se grafican como log del esfuerzo versus log del tiempo de ruptura. En general, el tiempo al que se produce la ruptura disminuye a medida que aumenta el esfuerzo aplicado y la temperatura. Los cambios de pendiente se deben a diversos factores como recristalización, oxidación, corrosión o cambios de fase

6.5 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE DATOS DE FLUENCIA Y ESFUERZO-TIEMPO DE RUPTURA- TEMPERATURA UTILIZANDO EL PARÁMETRO DE LARSEN-MILLER

Uno de los parámetros

tiempo-temperatura más

utilizados para representar

esta clase de datos