En las ciencias de la Tierra , la ductilidad se refiere a la capacidad de una roca de deformarse ante grandes tensiones sin fracturarse macroscópicamente. [1] Este comportamiento puede ocurrir en sedimentos no litificados o poco litificados , en materiales débiles como la halita o a mayores profundidades en todos los tipos de rocas donde las temperaturas más altas promueven la plasticidad cristalina y las presiones de confinamiento más altas suprimen la fractura frágil. Además, cuando un material se comporta de manera dúctil, exhibe una relación lineal de tensión frente a deformación más allá del límite elástico. [1]
La deformación dúctil se caracteriza típicamente por una deformación difusa (es decir, que carece de un plano de falla discreto ) y en un gráfico de tensión-deformación está acompañada por un deslizamiento en estado estable en el momento de la falla, en comparación con la caída repentina de la tensión observada en los experimentos durante la falla frágil . [1]
La zona de transición frágil-dúctil se caracteriza por un cambio en el modo de falla de la roca, a una profundidad promedio aproximada de 10 a 15 km (~ 6,2 a 9,3 millas) en la corteza continental , por debajo de la cual la roca tiene menos probabilidades de fracturarse y más probabilidades de deformarse de manera dúctil. La zona existe porque a medida que aumenta la profundidad, la presión de confinamiento aumenta, y la resistencia frágil aumenta con la presión de confinamiento, mientras que la resistencia dúctil disminuye con el aumento de la temperatura. La zona de transición se produce en el punto donde la resistencia frágil es igual a la resistencia dúctil. [1] En el hielo glacial, esta zona se encuentra aproximadamente a 30 m (100 pies) de profundidad.
Sin embargo, no todos los materiales se adaptan a esta transición. Es posible y no es raro que el material que se encuentra por encima de la zona de transición se deforme de manera dúctil y que el que se encuentra por debajo se deforme de manera frágil. La profundidad del material sí ejerce una influencia en el modo de deformación, pero otras sustancias, como los suelos sueltos en la corteza superior, las rocas maleables, los desechos biológicos y más, son solo algunos ejemplos de lo que no se deforma de acuerdo con la zona de transición. [1] [2]
El tipo de proceso de deformación dominante también tiene un gran impacto en los tipos de rocas y estructuras que se encuentran a ciertas profundidades dentro de la corteza terrestre. Como es evidente en la Fig. 1.1, se encuentran diferentes formaciones geológicas y rocas de acuerdo con el proceso de deformación dominante. La gouge y la brecha se forman en el régimen frágil más superior, mientras que la cataclasita y la pseudotaquilita se forman en las partes inferiores del régimen frágil, bordeando la zona de transición. La milonita se forma en el régimen más dúctil a mayores profundidades, mientras que la blastominonita se forma mucho más allá de la zona de transición y bien dentro del régimen dúctil, incluso más profundamente en la corteza.
La ductilidad es una propiedad de los materiales que se puede expresar de diversas maneras. Matemáticamente, se expresa comúnmente como una cantidad total de elongación o una cantidad total del cambio en el área de la sección transversal de una roca específica hasta que se observa un comportamiento frágil macroscópico, como la fracturación. Para una medición precisa, esto debe realizarse bajo varias condiciones controladas, que incluyen, entre otras, presión , temperatura , contenido de humedad , tamaño de la muestra, etc., ya que todas pueden afectar la ductilidad medida. Es importante comprender que incluso el mismo tipo de roca o mineral puede exhibir diferentes comportamientos y grados de ductilidad debido a heterogeneidades internas, diferencias de pequeña escala entre cada muestra individual. Las dos cantidades se expresan en forma de proporción o porcentaje. [3]
% Elongación de una roca = [3]
Dónde:
= Longitud inicial de la roca
= Longitud final de la roca
% Cambio en el área de una roca = [3]
Dónde:
= Área inicial
= Área final
Para cada uno de estos métodos de cuantificación, se deben tomar medidas tanto de las dimensiones iniciales como finales de la muestra de roca. Para el alargamiento, la medida es una longitud inicial y final unidimensional, la primera medida antes de aplicar cualquier esfuerzo y la segunda midiendo la longitud de la muestra después de que se produce la fractura. Para el área, es muy preferible utilizar una roca que haya sido cortada en forma cilíndrica antes de aplicar el esfuerzo para poder tomar el área de la sección transversal de la muestra.
Área de la sección transversal de un cilindro = Área de un círculo =
Utilizando esto, las áreas inicial y final de la muestra se pueden utilizar para cuantificar el % de cambio en el área de la roca.
Se ha demostrado que cualquier material puede deformarse de forma dúctil o frágil, en la que el tipo de deformación está determinado tanto por las condiciones externas que rodean la roca como por las condiciones internas de la muestra. Las condiciones externas incluyen la temperatura, la presión de confinamiento, la presencia de fluidos, etc., mientras que las condiciones internas incluyen la disposición de la red cristalina, la composición química de la muestra de roca, el tamaño del grano del material, etc. [1]
El comportamiento deformativo dúctil se puede agrupar en tres categorías: deformación elástica, viscosa y cristal-plástica.
Deformación elástica
La deformación elástica es una deformación que presenta una relación lineal de tensión-deformación (cuantificada por el módulo de Young) y se deriva de la ley de Hooke de fuerzas elásticas (véase la figura 1.2). En la deformación elástica, los objetos no muestran una deformación permanente después de que se haya eliminado la tensión del sistema y vuelvan a su estado original. [1]
Dónde:
= Estrés (en pascales)
= Módulo de Young (en pascales)
= Tensión (sin unidad)
Deformación viscosa
La deformación viscosa se produce cuando las rocas se comportan y se deforman más como un fluido que como un sólido. Esto suele ocurrir bajo grandes cantidades de presión y a temperaturas muy altas. En la deformación viscosa, la tensión es proporcional a la velocidad de deformación y cada muestra de roca tiene su propia propiedad material llamada viscosidad . A diferencia de la deformación elástica, la deformación viscosa es permanente incluso después de que se haya eliminado la tensión. [1]
Dónde:
= Estrés (en pascales)
= Viscosidad (En Pascales * Segundos)
= Tasa de deformación (en 1/segundo)
Deformación cristal-plástica
La deformación cristal-plástica se produce a escala atómica y está regida por su propio conjunto de mecanismos específicos que deforman los cristales mediante los movimientos de los átomos y los planos atómicos a través de la red cristalina. Al igual que la deformación viscosa, también es una forma permanente de deformación. Los mecanismos de deformación cristal-plástica incluyen la solución de presión , el deslizamiento por dislocación y el deslizamiento por difusión . [1]
Además de las rocas, también se puede evaluar la ductilidad de los materiales biológicos como la madera, la madera aserrada, los huesos, etc., ya que muchos se comportan de la misma manera y poseen las mismas características que los materiales abióticos de la Tierra. Esta evaluación se realizó en el experimento de Hiroshi Yoshihara, "Análisis de plasticidad de la deformación en la dirección tangencial de madera maciza sometida a una carga de compresión en la dirección longitudinal". [2] El estudio tuvo como objetivo analizar la reología del comportamiento de dos muestras de madera, la pícea de Sitka y el abedul japonés. En el pasado, se demostró que la madera maciza, cuando se somete a tensiones de compresión, inicialmente tiene un diagrama de tensión-deformación lineal (indicativo de deformación elástica) y luego, bajo una carga mayor, demuestra un diagrama no lineal indicativo de objetos dúctiles. [2] Para analizar la reología, la tensión se restringió a la compresión uniaxial en la dirección longitudinal y el comportamiento post-lineal se analizó utilizando la teoría de la plasticidad. [2] Los controles incluyeron el contenido de humedad en la madera, la ausencia de defectos como nudos o distorsiones de grano, la temperatura a 20 C, la humedad relativa al 65% y el tamaño de las formas cortadas de las muestras de madera. [2]
Los resultados obtenidos del experimento mostraron una relación lineal entre la tensión y la deformación durante la deformación elástica, pero también una relación no lineal inesperada entre la tensión y la deformación de la madera después de alcanzar el límite elástico, desviándose del modelo de la teoría de la plasticidad. Se sugirieron múltiples razones para explicar esto. En primer lugar, dado que la madera es un material biológico, se sugirió que bajo una gran tensión en el experimento, el aplastamiento de las células dentro de la muestra podría haber sido una causa de desviación del comportamiento perfectamente plástico. Con una mayor destrucción del material celular, se plantea la hipótesis de que la relación tensión-deformación se vuelve cada vez más no lineal y no ideal con una mayor tensión. Además, debido a que las muestras eran materiales no homogéneos (no uniformes), se asumió que podría haberse producido alguna flexión o distorsión en las muestras que podría haber desviado la tensión de ser perfectamente uniaxial. Esto también puede haber sido inducido por otros factores como irregularidades en el perfil de densidad celular y corte de muestra distorsionado. [2]
Las conclusiones de la investigación mostraron con precisión que, si bien los materiales biológicos pueden comportarse como rocas en proceso de deformación, hay muchos otros factores y variables que deben considerarse, lo que dificulta la estandarización de la ductilidad y las propiedades materiales de una sustancia biológica. [2]
La demanda de ductilidad máxima es una cantidad que se utiliza particularmente en los campos de la arquitectura, la ingeniería geológica y la ingeniería mecánica. Se define como la cantidad de deformación dúctil que un material debe ser capaz de soportar (cuando se expone a una tensión) sin fractura frágil o falla. [4] Esta cantidad es particularmente útil en el análisis de fallas de estructuras en respuesta a terremotos y ondas sísmicas. [4]
Se ha demostrado que las réplicas de los terremotos pueden aumentar la demanda máxima de ductilidad con respecto a los terremotos principales hasta en un 10%. [4]
