La fragilización es una disminución significativa de la ductilidad de un material, lo que lo vuelve frágil . La fragilización se utiliza para describir cualquier fenómeno en el que el entorno comprometa el rendimiento mecánico de un material sometido a tensión, como la temperatura o la composición ambiental. Esto suele ser indeseable, ya que la fractura frágil se produce más rápidamente y puede propagarse mucho más fácilmente que la fractura dúctil, lo que lleva a una falla total del equipo. Los distintos materiales tienen diferentes mecanismos de fragilización, por lo tanto, puede manifestarse de diversas formas, desde el crecimiento lento de grietas hasta una reducción de la ductilidad y la tenacidad a la tracción.
La fragilización es un mecanismo complejo que no se entiende completamente. Los mecanismos pueden ser impulsados por la temperatura, las tensiones, los límites de grano o la composición del material. Sin embargo, al estudiar el proceso de fragilización, se pueden implementar medidas preventivas para mitigar los efectos. Hay varias formas de estudiar los mecanismos. Durante la fragilización del metal (ME), se pueden medir las tasas de crecimiento de grietas. Las simulaciones por computadora también se pueden utilizar para esclarecer los mecanismos detrás de la fragilización. Esto es útil para comprender la fragilización por hidrógeno (HE), ya que se puede modelar la difusión de hidrógeno a través de los materiales. El fragilizador no juega un papel en la fractura final; es principalmente responsable de la propagación de grietas. Las grietas primero deben nuclearse. La mayoría de los mecanismos de fragilización pueden causar fracturas transgranulares o intergranulares. Para la fragilización del metal, solo ciertas combinaciones de metales, tensiones y temperaturas son susceptibles. Esto contrasta con el agrietamiento por corrosión bajo tensión, donde prácticamente cualquier metal puede ser susceptible dado el entorno correcto. Sin embargo, este mecanismo es mucho más lento que el de la fragilización por metal líquido (LME), lo que sugiere que dirige un flujo de átomos tanto hacia la grieta como alejándolos de ella. En el caso de la fragilización por neutrones, el mecanismo principal son las colisiones dentro del material a partir de los subproductos de la fisión.
Una de las formas más discutidas y perjudiciales de fragilización es la fragilización por hidrógeno en los metales. Existen múltiples formas en las que los átomos de hidrógeno pueden difundirse en los metales, incluso desde el medio ambiente o durante el procesamiento (por ejemplo, la galvanoplastia). El mecanismo exacto que causa la fragilización por hidrógeno aún no se ha determinado, pero se han propuesto muchas teorías que aún se encuentran en proceso de verificación. [1] Es probable que los átomos de hidrógeno se difundan a los límites de grano de los metales, lo que se convierte en una barrera para el movimiento de dislocación y acumula tensión cerca de los átomos. Cuando el metal está estresado, la tensión se concentra cerca de los límites de grano debido a los átomos de hidrógeno, lo que permite que una grieta se nuclearice y se propague a lo largo de los límites de grano para aliviar la tensión acumulada.
Existen muchas formas de prevenir o reducir el impacto de la fragilización por hidrógeno en los metales. Una de las formas más convencionales es colocar recubrimientos alrededor del metal, que actuarán como barreras de difusión que evitarán que el hidrógeno se introduzca desde el medio ambiente al material. [2] Otra forma es agregar trampas o absorbentes en la aleación que absorben el átomo de hidrógeno y forman otro compuesto.
El acero inoxidable dúplex se utiliza ampliamente en la industria debido a que posee una excelente resistencia a la oxidación, pero puede tener una tenacidad limitada debido a su gran tamaño de grano ferrítico y tendencias a la fragilización a temperaturas que van desde 280 a 500 °C, especialmente a 475 °C, donde ocurre la descomposición espinodal de la solución de ferrita sólida sobresaturada en nanofase rica en Fe ( ) y nanofase rica en Cr ( ), acompañada de precipitación de fase G, [3] [4] [5] lo que hace que la fase de ferrita sea un sitio de iniciación preferencial para microfisuras. [6]
La fragilización por radiación, también conocida como fragilización por neutrones , es un fenómeno que se observa con mayor frecuencia en reactores y plantas nucleares, ya que estos materiales están expuestos constantemente a una cantidad constante de radiación. Cuando un neutrón irradia el metal, se crean huecos en el material, lo que se conoce como hinchazón por huecos. [7] Si el material está sometido a fluencia (en condiciones de baja tasa de deformación y alta temperatura), los huecos se fusionarán en vacantes que comprometen la resistencia mecánica de la pieza de trabajo.
A bajas temperaturas, algunos metales pueden sufrir una transición dúctil-frágil que hace que el material se vuelva frágil y podría provocar una falla catastrófica durante el funcionamiento. Esta temperatura se denomina comúnmente temperatura de transición dúctil-frágil o temperatura de fragilización. Las investigaciones han demostrado que la fragilización a baja temperatura y la fractura frágil solo ocurren bajo estos criterios específicos: [8]
Todos los metales pueden cumplir los criterios 1, 2 y 4. Sin embargo, solo los metales BCC y algunos HCP cumplen la tercera condición, ya que tienen una barrera de Peierl alta y una fuerte energía de interacción elástica de dislocación y defectos. Todos los metales FCC y la mayoría de los HCP tienen una barrera de Peierl baja y una energía de interacción elástica débil. Los plásticos y los cauchos también presentan la misma transición a bajas temperaturas.
Históricamente, existen múltiples casos en los que las personas operan equipos a bajas temperaturas que provocaron fallas inesperadas, pero también catastróficas. En Cleveland , en 1944, un tanque cilíndrico de acero que contenía gas natural licuado se rompió debido a su baja ductilidad a la temperatura de operación. [9] Otro ejemplo famoso fue la fractura inesperada de 160 barcos Liberty de la Segunda Guerra Mundial durante los meses de invierno. [10] La grieta se formó en el medio de los barcos y se propagó a través de ellos, partiéndolos literalmente por la mitad.
Los mecanismos de fragilización son similares a los de los metales. La fragilización del vidrio inorgánico puede manifestarse a través de la fatiga estática . La fragilización en vidrios, como el Pyrex , es una función de la humedad . La tasa de crecimiento de las grietas varía linealmente con la humedad, lo que sugiere una relación cinética de primer orden . La fatiga estática del Pyrex por este mecanismo requiere que la disolución se concentre en la punta de la grieta. Si la disolución es uniforme a lo largo de las superficies planas de la grieta, la punta de la grieta se desafilará. Este desafilado puede aumentar la resistencia a la fractura del material en 100 veces. [13]
El debilitamiento de los compuestos de SiC / alúmina es un ejemplo ilustrativo. El mecanismo de este sistema es principalmente la difusión de oxígeno en el material a través de grietas en la matriz. El oxígeno llega a las fibras de SiC y produce silicato . La tensión se concentra alrededor del silicato recién formado y la resistencia de las fibras se degrada. Esto finalmente conduce a la fractura con tensiones menores que la tensión de fractura típica del material. [14]
Los polímeros se presentan en una amplia variedad de composiciones, y esta diversidad química da como resultado mecanismos de fragilización de amplio alcance. Las fuentes más comunes de fragilización de polímeros incluyen el oxígeno en el aire, el agua en forma líquida o de vapor, la radiación ultravioleta del sol, los ácidos y los solventes orgánicos . [15]
Una de las formas en que estas fuentes alteran las propiedades mecánicas de los polímeros es a través de la escisión de la cadena y la reticulación de la cadena . La escisión de la cadena ocurre cuando se rompen los enlaces atómicos en la cadena principal, por lo que los entornos con elementos como la radiación solar conducen a esta forma de fragilización. La escisión de la cadena reduce la longitud de las cadenas de polímero en un material, lo que resulta en una reducción de la resistencia. La reticulación de la cadena tiene el efecto opuesto. Un aumento en el número de enlaces cruzados (debido a un entorno oxidativo , por ejemplo), da como resultado un material más fuerte y menos dúctil. [16]
La oxidación térmica del polietileno proporciona un ejemplo de calidad de fragilización por escisión de cadena . La escisión aleatoria de la cadena indujo un cambio de comportamiento dúctil a frágil una vez que la masa molar promedio de las cadenas cayó por debajo de un valor crítico. Para el sistema de polietileno, la fragilización ocurrió cuando la masa molar promedio en peso cayó por debajo de 90 kg/mol. Se planteó la hipótesis de que la razón de este cambio era una reducción del enredo y un aumento de la cristalinidad . La ductilidad de los polímeros es típicamente el resultado de su estructura amorfa, por lo que un aumento de la cristalinidad hace que el polímero sea más frágil. [17] En el caso del tereftalato de polietileno , la hidrólisis produce fragilización por escisión de cadena. [18] Se ha demostrado que la degradación de las propiedades mecánicas se correlaciona con la reducción de la fracción amorfa móvil (MAF), y que la transición de dúctil a frágil ocurre cuando se alcanza la MAF mínima. [19] Esto apoya una interpretación micromecánica del mecanismo de fragilización en lugar de una interpretación molecular.
La fragilización del caucho de silicona se debe a un aumento en la cantidad de enlaces cruzados en la cadena. Cuando el caucho de silicona se expone al aire a temperaturas superiores a 250 °C (482 °F), se producen reacciones de enlaces cruzados oxidativos en los grupos laterales de metilo a lo largo de la cadena principal. Estos enlaces cruzados hacen que el caucho sea significativamente menos dúctil. [20]
El agrietamiento por tensión de disolventes es un mecanismo importante de fragilización de polímeros. Se produce cuando los líquidos o gases se absorben en el polímero, lo que finalmente hace que el sistema se hinche. El hinchamiento del polímero da como resultado un menor flujo de cizallamiento y un aumento de la susceptibilidad al agrietamiento . El agrietamiento por tensión de disolventes a partir de disolventes orgánicos generalmente da como resultado fatiga estática debido a la baja movilidad de los fluidos. El agrietamiento por tensión de disolventes a partir de gases tiene más probabilidades de dar como resultado una mayor susceptibilidad al agrietamiento. [21]
El policarbonato es un buen ejemplo de agrietamiento por tensión de disolventes. Se ha demostrado que numerosos disolventes fragilizan el policarbonato (por ejemplo, benceno , tolueno , acetona ) a través de un mecanismo similar. El disolvente se difunde en el volumen, hincha el polímero, induce la cristalización y, en última instancia, produce interfases entre regiones ordenadas y desordenadas. Estas interfases producen huecos y campos de tensión que se pueden propagar por todo el material con tensiones mucho menores que la resistencia a la tracción típica del polímero. [22]
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