La ductilidad es una propiedad mecánica comúnmente descrita como la capacidad de un material para ser trefilado (por ejemplo, para formar alambre). [1] En ciencia de materiales , la ductilidad se define por el grado en que un material puede soportar una deformación plástica bajo tensión de tracción antes de fallar. [2] [3] La ductilidad es una consideración importante en ingeniería y fabricación. Define la idoneidad de un material para determinadas operaciones de fabricación (como el trabajo en frío ) y su capacidad para absorber sobrecargas mecánicas. [4] Algunos metales que generalmente se describen como dúctiles incluyen el oro y el cobre , mientras que el platino es el más dúctil de todos los metales en forma pura. [5] Sin embargo, no todos los metales experimentan fallas dúctiles, ya que algunos pueden caracterizarse con fallas frágiles como el hierro fundido . Los polímeros generalmente pueden considerarse materiales dúctiles, ya que normalmente permiten la deformación plástica. [6]
La maleabilidad , una propiedad mecánica similar, se caracteriza por la capacidad de un material para deformarse plásticamente sin fallar bajo tensión de compresión . [7] [8] Históricamente, los materiales se consideraban maleables si podían moldearse martillando o laminando. [1] El plomo es un ejemplo de material relativamente maleable pero no dúctil. [5] [9]
La ductilidad es especialmente importante en el trabajo de metales , ya que los materiales que se agrietan, rompen o se rompen bajo tensión no pueden manipularse mediante procesos de formación de metales como martillado , laminado , trefilado o extrusión . Los materiales maleables se pueden formar en frío mediante estampado o prensado , mientras que los materiales quebradizos se pueden moldear o termoformar .
Se producen altos grados de ductilidad debido a los enlaces metálicos , que se encuentran predominantemente en los metales; esto lleva a la percepción común de que los metales son dúctiles en general. En los enlaces metálicos, los electrones de la capa de valencia están deslocalizados y compartidos entre muchos átomos. Los electrones deslocalizados permiten que los átomos metálicos se deslicen unos sobre otros sin estar sujetos a fuertes fuerzas repulsivas que harían que otros materiales se rompieran.
La ductilidad del acero varía según los componentes de la aleación. El aumento de los niveles de carbono disminuye la ductilidad. Muchos plásticos y sólidos amorfos , como Play-Doh , también son maleables. El metal más dúctil es el platino y el metal más maleable es el oro . [11] [12] Cuando se estiran mucho, estos metales se distorsionan mediante la formación, reorientación y migración de dislocaciones y maclas de cristales sin un endurecimiento notable. [13]
Las cantidades comúnmente utilizadas para definir la ductilidad en una prueba de tensión son el alargamiento relativo (en porcentaje, a veces indicado como ) y la reducción del área (a veces indicada como ) en el momento de la fractura. [14] La deformación de fractura es la deformación de ingeniería a la que se fractura una muestra de prueba durante una prueba de tracción uniaxial . El porcentaje de alargamiento, o deformación de ingeniería en el momento de la fractura, se puede escribir como: [15] [16] [17]
La reducción porcentual del área se puede escribir como: [15] [16] [17]
donde el área de interés es el área de la sección transversal del calibre de la muestra.
Según el Diseño de ingeniería mecánica de Shigley, [4] significativo denota aproximadamente un 5,0 por ciento de alargamiento.
Un punto importante respecto al valor de la ductilidad (deformación nominal en el momento de la falla) en una prueba de tracción es que comúnmente depende de las dimensiones de la muestra. Sin embargo, un parámetro universal no debería exhibir tal dependencia (y, de hecho, no existe dependencia para propiedades como la rigidez, el límite elástico y la resistencia máxima a la tracción). Esto ocurre porque la deformación (desplazamiento) medida en el momento de la fractura comúnmente incorpora contribuciones tanto de la deformación uniforme que ocurre hasta el inicio del estrechamiento como de la deformación posterior del cuello (durante la cual hay poca o ninguna deformación en el resto de la muestra). La importancia de la contribución del desarrollo del cuello depende de la "relación de aspecto" (longitud/diámetro) de la longitud del calibre, siendo mayor cuando la relación es baja. Se trata de un efecto geométrico simple, que ha sido claramente identificado. Se han realizado tanto estudios experimentales [18] como exploraciones teóricas [19] [20] [21] [22] del efecto, principalmente basadas en el modelado del Método de Elementos Finitos (FEM). Sin embargo, no es universalmente apreciado y, dado que el rango de dimensiones de las muestras de uso común es bastante amplio, puede dar lugar a variaciones muy significativas (por factores de hasta 2 o 3) en los valores de ductilidad obtenidos para un mismo material en diferentes ensayos. .
Se obtendría una representación más significativa de la ductilidad identificando la deformación al inicio del estrechamiento, que debería ser independiente de las dimensiones de la muestra. Este punto puede ser difícil de identificar en una curva tensión-deformación (nominal), porque el pico (que representa el inicio del estrechamiento) suele ser relativamente plano. Además, algunos materiales (frágiles) se fracturan antes del inicio del estrechamiento, de modo que no hay pico. En la práctica, para muchos propósitos es preferible realizar un tipo diferente de ensayo, diseñado para evaluar la tenacidad (energía absorbida durante la fractura), en lugar de utilizar valores de ductilidad obtenidos en ensayos de tracción.
Por lo tanto, en un sentido absoluto, los valores de "ductilidad" prácticamente no tienen sentido. La deformación real (verdadera) en el cuello en el punto de fractura no guarda relación directa con el número bruto obtenido de la curva tensión-deformación nominal; La verdadera tensión en el cuello suele ser considerablemente mayor. Además, la tensión real en el punto de fractura suele ser mayor que el valor aparente según el gráfico. La carga a menudo cae mientras se desarrolla el cuello, pero el área seccional del cuello también cae (más bruscamente), por lo que la verdadera tensión allí aumenta. No existe una forma sencilla de estimar este valor, ya que depende de la geometría del cuello. Si bien la deformación real en el momento de la fractura es un indicador genuino de "ductilidad", no puede obtenerse fácilmente mediante un ensayo de tracción convencional.
La reducción del área (RA) se define como la disminución del área seccional en el cuello (generalmente obtenida midiendo el diámetro en uno o ambos extremos fracturados), dividida por el área seccional original. A veces se afirma que este es un indicador más confiable de la "ductilidad" que el alargamiento en el momento de la falla (en parte porque se reconoce que este último depende de la relación de aspecto de la longitud del calibre, aunque esta dependencia está lejos de ser universal). apreciado). Hay algo en este argumento, pero el RA todavía está lejos de ser un parámetro genuinamente significativo. Una objeción es que no es fácil medir con precisión, particularmente con muestras que no tienen una sección circular. De manera más fundamental, se ve afectado tanto por la deformación plástica uniforme que tuvo lugar antes del estrechamiento como por el desarrollo del cuello. Además, es sensible a lo que sucede exactamente en las últimas etapas del estrechamiento, cuando la tensión real suele volverse muy alta y el comportamiento tiene una importancia limitada en términos de una definición significativa de fuerza (o dureza). Nuevamente se ha realizado un amplio estudio sobre esta cuestión. [23] [24] [25]
Los metales pueden sufrir dos tipos diferentes de fracturas: fractura frágil o fractura dúctil. La propagación de fallas ocurre más rápidamente en materiales frágiles debido a la capacidad de los materiales dúctiles de sufrir deformación plástica. Por lo tanto, los materiales dúctiles son capaces de soportar más tensión debido a su capacidad de absorber más energía antes de fallar que los materiales frágiles. La deformación plástica resulta en el material siguiendo una modificación de la ecuación de Griffith, donde la tensión de fractura crítica aumenta debido al trabajo plástico requerido para extender la grieta que se suma al trabajo necesario para formar la grieta, trabajo correspondiente al aumento de la energía superficial que Resulta de la formación de una superficie de grieta de adición. [26] La deformación plástica de los metales dúctiles es importante ya que puede ser un signo de la posible falla del metal. Sin embargo, el punto en el que el material exhibe un comportamiento dúctil frente a un comportamiento frágil no sólo depende del material en sí sino también de la temperatura a la que se aplica la tensión al material. La temperatura a la que el material cambia de frágil a dúctil o viceversa es crucial para el diseño de productos metálicos que soportan carga. La temperatura mínima a la que el metal pasa de un comportamiento frágil a un comportamiento dúctil, o de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil, se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT). Por debajo del DBTT, el material no podrá deformarse plásticamente y la velocidad de propagación de grietas aumenta rápidamente, lo que hace que el material sufra rápidamente una falla frágil. Además, el DBTT es importante ya que, una vez que un material se enfría por debajo del DBTT, tiene una tendencia mucho mayor a romperse con el impacto en lugar de doblarse o deformarse ( fragilización a baja temperatura ). Por lo tanto, el DBTT indica la temperatura a la cual, a medida que la temperatura disminuye, la capacidad de un material para deformarse de manera dúctil disminuye y, por lo tanto, la velocidad de propagación de grietas aumenta drásticamente. En otras palabras, los sólidos son muy frágiles a temperaturas muy bajas y su tenacidad se vuelve mucho mayor a temperaturas elevadas.
Para aplicaciones más generales, se prefiere tener un DBTT más bajo para garantizar que el material tenga un rango de ductilidad más amplio. Esto asegura que se inhiban las grietas repentinas para evitar fallas en el cuerpo metálico. Se ha determinado que cuantos más sistemas de deslizamiento tenga un material, más amplio será el rango de temperaturas en el que exhibirá su comportamiento dúctil. Esto se debe a que los sistemas de deslizamiento permiten un mayor movimiento de las dislocaciones cuando se aplica tensión al material. Por lo tanto, en materiales con una menor cantidad de sistemas de deslizamiento, las dislocaciones a menudo son bloqueadas por obstáculos que conducen al endurecimiento por deformación, lo que aumenta la resistencia del material y lo hace más frágil. Por esta razón, las estructuras FCC (cúbicas centradas en las caras) son dúctiles en un amplio rango de temperaturas, las estructuras BCC (cúbicas centradas en el cuerpo) son dúctiles sólo a altas temperaturas, y las estructuras HCP (empaquetadas hexagonales más cercanas) suelen ser frágiles en amplios rangos de temperaturas. . Esto lleva a que cada una de estas estructuras tenga diferentes desempeños a medida que se acercan a la falla (fatiga, sobrecarga y agrietamiento por tensión) bajo diversas temperaturas, y muestra la importancia del DBTT en la selección del material correcto para una aplicación específica. Por ejemplo, el zamak 3 presenta buena ductilidad a temperatura ambiente, pero se rompe cuando se impacta a temperaturas bajo cero. DBTT es una consideración muy importante en la selección de materiales que están sujetos a tensiones mecánicas. Un fenómeno similar, la temperatura de transición vítrea , ocurre con los vidrios y los polímeros, aunque el mecanismo es diferente en estos materiales amorfos . El DBTT también depende del tamaño de los granos dentro del metal, ya que normalmente un tamaño de grano más pequeño conduce a un aumento en la resistencia a la tracción, lo que resulta en un aumento de la ductilidad y una disminución del DBTT. Este aumento en la resistencia a la tracción se debe a los tamaños de grano más pequeños que resultan en el endurecimiento de los límites de grano que ocurre dentro del material, donde las dislocaciones requieren una tensión mayor para cruzar los límites de grano y continuar propagándose por todo el material. Se ha demostrado que al continuar refinando los granos de ferrita para reducir su tamaño, de 40 micrones a 1,3 micrones, es posible eliminar el DBTT por completo de modo que nunca se produzca una fractura frágil en el acero ferrítico (como sería el DBTT requerido). por debajo del cero absoluto). [27]
En algunos materiales, la transición es más pronunciada que en otros y normalmente requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en materiales con una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc), el DBTT es fácilmente evidente, ya que el movimiento de las dislocaciones del tornillo es muy sensible a la temperatura porque la reorganización del núcleo de la dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede resultar problemático para aceros con un alto contenido de ferrita . Esto provocó graves grietas en el casco de los barcos Liberty en aguas más frías durante la Segunda Guerra Mundial , lo que provocó muchos hundimientos. DBTT también puede verse influenciado por factores externos como la radiación de neutrones , lo que conduce a un aumento de los defectos internos de la red y la correspondiente disminución de la ductilidad y un aumento de DBTT.
El método más preciso para medir el DBTT de un material es mediante pruebas de fractura . Normalmente, la prueba de flexión en cuatro puntos a un rango de temperaturas se realiza en barras de material pulido previamente fisuradas. Normalmente se utilizan dos pruebas de fractura para determinar el DBTT de metales específicos: la prueba Charpy V-Notch y la prueba Izod. La prueba Charpy de muesca en V determina la capacidad de absorción de energía de impacto o la tenacidad de la muestra midiendo la diferencia de energía potencial resultante de la colisión entre una masa en un péndulo en caída libre y la muesca mecanizada en forma de V en la muestra, lo que resulta en la péndulo rompiendo la muestra. El DBTT se determina repitiendo esta prueba en una variedad de temperaturas y observando cuando la fractura resultante cambia a un comportamiento frágil que ocurre cuando la energía absorbida disminuye dramáticamente. La prueba de Izod es esencialmente la misma que la prueba de Charpy, siendo el único factor diferenciador la ubicación de la muestra; En el primero la muestra se coloca verticalmente, mientras que en el segundo la muestra se coloca horizontalmente con respecto al fondo de la base. [28]
Para experimentos realizados a temperaturas más altas, la actividad de dislocación [ se necesita aclaración ] aumenta. A una determinada temperatura, las dislocaciones protegen [ se necesita aclaración ] la punta de la grieta hasta tal punto que la tasa de deformación aplicada no es suficiente para que la intensidad de la tensión en la punta de la grieta alcance el valor crítico de fractura (K iC ). La temperatura a la que esto ocurre es la temperatura de transición dúctil-frágil. Si los experimentos se realizan a una tasa de deformación más alta, se requiere más protección contra la dislocación para evitar la fractura frágil y se eleva la temperatura de transición. [ cita necesaria ]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)