La fractura transgranular es un tipo de fractura que se produce a través de los granos cristalinos de un material. A diferencia de las fracturas intergranulares , que se producen cuando una fractura sigue los límites de grano, este tipo de fractura atraviesa la microestructura del material directamente a través de granos individuales. Este tipo de fractura suele ser el resultado de una combinación de altas tensiones y defectos del material, como huecos o inclusiones, que crean un camino para la propagación de grietas a través de los granos. Una amplia gama de materiales dúctiles o frágiles, incluidos metales, cerámicas y polímeros, pueden experimentar fractura transgranular. Cuando se examina con microscopio electrónico de barrido , este tipo de fractura revela escalones de clivaje, patrones de río, marcas de plumas, hoyuelos y lenguas. [1] La fractura puede cambiar de dirección un poco al entrar en un nuevo grano para seguir la nueva orientación reticular de ese grano, pero este es un cambio de dirección menos severo del que se requeriría para seguir el límite de grano. Esto da como resultado una fractura de aspecto bastante suave con menos bordes afilados que una que sigue los límites de grano. [2] Esto se puede visualizar como un rompecabezas cortado de una sola lámina de madera con la veta de la madera visible. Una fractura transgranular sigue las vetas de la madera, no los bordes del rompecabezas de las piezas del rompecabezas. Esto contrasta con una fractura intergranular que, en esta analogía, seguiría los bordes del rompecabezas, no la veta de la madera.
Mecanismo de fractura transgranular
El mecanismo de fractura transgranular puede variar según el material y las condiciones circundantes en las que se produce la fractura. [3] Sin embargo, algunos pasos generales suelen estar involucrados en el proceso de fractura transgranular:
Inicio de la grieta: el primer paso en la fractura transgranular es el inicio de una grieta dentro del material. Esto puede deberse a diversos factores, como defectos de fabricación, defectos superficiales o exposición a condiciones de alto estrés.
Propagación de grietas: una vez iniciada la grieta, puede propagarse por todo el material como resultado de concentraciones de tensión y otros factores.
Deformación plástica: a medida que la grieta se propaga, el material cercano a la grieta sufre una deformación plástica significativa debido a la concentración de tensión local. Esta deformación puede generar pequeños huecos o defectos dentro del material, lo que favorece aún más la propagación de la grieta.
Coalescencia de huecos: a medida que la grieta se propaga, estos pequeños huecos pueden crecer y fusionarse, formando huecos o cavidades más grandes dentro del material. Estos huecos pueden debilitar aún más el material y promover la propagación de la grieta.
Ruptura final: Finalmente, los efectos combinados de la propagación de grietas, la deformación plástica y la coalescencia de huecos pueden provocar la ruptura final del material, dando como resultado una fractura transgranular.
En metales dúctiles, la deformación plástica del material puede ser un factor crítico en el proceso de fractura transgranular, mientras que en materiales frágiles como la cerámica, la formación y el crecimiento de grietas pueden verse influenciados por factores como el tamaño del grano, la porosidad y la presencia de impurezas u otros defectos.
Factores que afectan la fractura transgranular
Temperatura: La temperatura a la que se aplica la carga a un material también puede afectar la aparición y las características de las fracturas transgranulares. En algunos materiales, la aparición de fracturas transgranulares puede aumentar a temperaturas más bajas debido a una mayor fragilización o una menor ductilidad. [4]
Presencia de defectos o inclusiones: como se mencionó anteriormente, la presencia de huecos o inclusiones dentro de un material puede crear áreas localizadas de concentración de tensión y debilitar el material, haciéndolo más susceptible a fracturas transgranulares. El tamaño, la forma y la orientación de estos defectos pueden afectar la probabilidad y la gravedad de la fractura. [5]
Factores ambientales: La presencia de ciertos gases, líquidos u otros factores ambientales también pueden afectar la probabilidad de fractura transgranular. Por ejemplo, la fragilización por hidrógeno puede causar fracturas transgranulares en algunos materiales al debilitarlos a nivel microscópico. [6]
Condiciones de la superficie: La condición de la superficie de un material, incluida la presencia de rayones, grietas u otros defectos, también puede afectar la aparición y la trayectoria de la fractura transgranular. [7]
Condiciones de carga: Las altas concentraciones de tensión, las tasas de carga rápidas y las cargas cíclicas pueden aumentar la probabilidad de fracturas transgranulares. La dirección de la tensión aplicada también puede influir en la orientación y la trayectoria de propagación de la grieta. [8]
Transición de fractura intergranular a fractura transgranular
El comportamiento de fractura de los materiales se puede modificar significativamente mediante el uso de un diseño de límites de grano basado en la precipitación. Por ejemplo, Meindlhumer et. al. [9] produjeron una película delgada de AlCrN que contenía una distribución específica de precipitados dentro de los límites de grano en un diseño de límites de grano basado en la precipitación. Los precipitados actuaron como una barrera para la propagación de grietas, aumentando la resistencia del material al agrietamiento intergranular. Además, los precipitados alteraron la distribución de la tensión dentro del material, promoviendo en cambio la propagación de grietas transgranulares. Además, se ha demostrado que los precipitados más pequeños con una distribución más uniforme son más eficaces para promover la fractura transgranular.
Referencias
^ Parks, Brian (16 de marzo de 2012). "Fracturación tubular: identificación de la causa". Contratista de perforación . Consultado el 11 de mayo de 2023 .
^ "Tipos de fractura frágil". Archivado desde el original el 30 de enero de 2016.
^ Courtney, Thomas H. (2005). Comportamiento mecánico de los materiales (2.ª edición). Waveland Press. ISBN1577664256.
^ Syu, D. -GC; Ghosh, AK (15 de julio de 1994). "El efecto de la temperatura en el mecanismo de fractura en el compuesto 2014A1/15vol.%Al2O3". Ciencia e ingeniería de materiales: A . 184 (1): 27–35. doi :10.1016/0921-5093(94)91071-5. hdl : 2027.42/31436 . ISSN 0921-5093.
^ Charitidis, CA; Karakasidis, TE; Kavouras, P; Karakostas, Th (4 de julio de 2007). "El efecto del tamaño de las inclusiones cristalinas en los modos de fractura en materiales vitrocerámicos". Journal of Physics: Condensed Matter . 19 (26): 266209. doi :10.1088/0953-8984/19/26/266209. ISSN 0953-8984. PMID 21694086.
^ Robertson, IM; Tabata, T.; Wei, W.; Heubaum, F.; Birnbaum, HK (1 de agosto de 1984). "Fragilización por hidrógeno y fractura del límite de grano". Scripta Metallurgica . 18 (8): 841–846. doi :10.1016/0036-9748(84)90407-1. ISSN 0036-9748.
^ Singh, Dileep; Shetty, Dinesh K. (enero de 1989). "Tenacidad a la fractura de cerámicas policristalinas en carga combinada de modo I y modo II". Revista de la Sociedad Cerámica Americana . 72 (1): 78–84. doi :10.1111/j.1151-2916.1989.tb05957.x. ISSN 0002-7820.
^ Pedersen, Ketill O.; Børvik, Tore; Hopperstad, Odd Sture (1 de enero de 2011). "Mecanismos de fractura de la aleación de aluminio AA7075-T651 bajo diversas condiciones de carga". Materiales y diseño . 32 (1): 97–107. doi :10.1016/j.matdes.2010.06.029. ISSN 0261-3069.
^ Meindlhumer, M.; Ziegelwanger, T.; Zalesak, J.; Hans, M.; Löfler, L.; Spor, S.; Jäger, N.; Stark, A.; Hrubí, H.; Daniel, R.; Holec, D.; Schneider, JM; Mitterer, C.; Keckes, J. (15 de septiembre de 2022). "El diseño de límites de grano basado en precipitación altera la fractura intergranular a transgranular en películas delgadas de AlCrN". Acta Materialia . 237 : 118156. doi : 10.1016/j.actamat.2022.118156. ISSN 1359-6454.
