La ductilidad se refiere a la capacidad de un material para soportar una deformación plástica significativa antes de fracturarse. La deformación plástica es la distorsión permanente de un material bajo tensión aplicada, a diferencia de la deformación elástica, que es reversible al eliminar la tensión. La ductilidad es un indicador crítico del desempeño mecánico, particularmente en aplicaciones que requieren que los materiales se doblen, estiren o deformen de otras maneras sin romperse. El grado de ductilidad se puede evaluar cuantitativamente utilizando el porcentaje de elongación en la rotura, que se obtiene mediante la ecuación:
donde es la longitud del material después de la fractura y es la longitud original antes de la prueba. [1] [2] Esta fórmula ayuda a cuantificar cuánto puede estirarse un material bajo tensión de tracción antes de fallar, lo que proporciona información clave sobre su comportamiento dúctil. La ductilidad es una consideración importante en ingeniería y fabricación. Define la idoneidad de un material para ciertas operaciones de fabricación (como el trabajo en frío ) y su capacidad para absorber la sobrecarga mecánica. [3] Algunos metales que generalmente se describen como dúctiles incluyen oro y cobre , mientras que el platino es el más dúctil de todos los metales en forma pura. [4] Sin embargo, no todos los metales experimentan falla dúctil, ya que algunos pueden caracterizarse con falla frágil como el hierro fundido . Los polímeros generalmente pueden verse como materiales dúctiles, ya que normalmente permiten la deformación plástica. [5]
Los materiales inorgánicos, que incluyen una amplia variedad de cerámicas y semiconductores, se caracterizan generalmente por su fragilidad. Esta fragilidad se debe principalmente a sus fuertes enlaces iónicos o covalentes, que mantienen a los átomos en una disposición rígida y densa. Esta estructura reticular rígida restringe el movimiento de los átomos o las dislocaciones, esenciales para la deformación plástica. La diferencia significativa en ductilidad observada entre los metales y los semiconductores o aislantes inorgánicos se puede rastrear hasta las características inherentes de cada material, incluida la naturaleza de sus defectos, como las dislocaciones, y sus propiedades específicas de unión química. En consecuencia, a diferencia de los metales dúctiles y algunos materiales orgánicos con ductilidad (% EL) de 1,2% a más de 1200%, [1] los semiconductores inorgánicos frágiles y los aislantes cerámicos suelen mostrar una ductilidad mucho menor a temperatura ambiente. [6] [7]
La maleabilidad , una propiedad mecánica similar, se caracteriza por la capacidad de un material de deformarse plásticamente sin fallar bajo tensión de compresión . [8] [9] Históricamente, los materiales se consideraban maleables si se podían moldear mediante martillado o laminado. [10] El plomo es un ejemplo de un material que es relativamente maleable pero no dúctil. [4] [11]
La ductilidad es especialmente importante en la metalurgia , ya que los materiales que se agrietan, rompen o se quiebran bajo tensión no se pueden manipular mediante procesos de conformado de metales como el martillado , el laminado , el trefilado o la extrusión . Los materiales maleables se pueden conformar en frío mediante estampación o prensado , mientras que los materiales frágiles se pueden fundir o termoformar .
Los altos grados de ductilidad se producen debido a los enlaces metálicos , que se encuentran predominantemente en los metales; esto conduce 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 de metal 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. Aumentar los niveles de carbono disminuye la ductilidad. Muchos plásticos y sólidos amorfos , como la plastilina , también son maleables. El metal más dúctil es el platino y el más maleable es el oro . [13] [14] Cuando se estiran mucho, estos metales se distorsionan mediante la formación, reorientación y migración de dislocaciones y maclas cristalinas sin endurecimiento perceptible. [15]
Las cantidades que se utilizan habitualmente para definir la ductilidad en una prueba de tensión son el alargamiento relativo (en porcentaje, a veces denominado ) y la reducción del área (a veces denominada ) en la fractura. [16] La deformación por 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 la fractura, se puede escribir como: [17] [18] [19]
La reducción porcentual del área se puede escribir como: [18] [19]
donde el área de preocupación es el área de la sección transversal del calibre de la muestra.
Según el diseño de ingeniería mecánica de Shigley, [3] significativo denota aproximadamente un 5,0 por ciento de alargamiento.
Un punto importante en relación con el valor de la ductilidad (deformación nominal en el momento de la rotura) en un ensayo de tracción es que suele mostrar una dependencia de las dimensiones de la muestra. Sin embargo, un parámetro universal no debería mostrar tal dependencia (y, de hecho, no existe dependencia para propiedades como la rigidez, la tensión de fluencia y la resistencia máxima a la tracción). Esto ocurre porque la deformación medida (desplazamiento) en la fractura suele incorporar contribuciones tanto de la deformación uniforme que se produce hasta el inicio de la estrangulación 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 calibrada, siendo mayor cuando la relación es baja. Se trata de un efecto geométrico simple, que se ha identificado claramente. Se han realizado estudios experimentales [20] y exploraciones teóricas [21] [22] [23] [24] del efecto, en su mayoría basados en el modelado del método de elementos finitos (FEM). Sin embargo, no es universalmente apreciado y, dado que el rango de dimensiones de muestra de uso común es bastante amplio, puede conducir a variaciones altamente significativas (por factores de hasta 2 o 3) en los valores de ductilidad obtenidos para el mismo material en diferentes pruebas.
Una representación más significativa de la ductilidad se obtendría identificando la deformación al inicio de la estrangulación, que debería ser independiente de las dimensiones de la muestra. Este punto puede ser difícil de identificar en una curva de tensión-deformación (nominal), porque el pico (que representa el inicio de la estrangulación) suele ser relativamente plano. Además, algunos materiales (frágiles) se fracturan antes del inicio de la estrangulación, de modo que no hay pico. En la práctica, para muchos propósitos es preferible realizar un tipo diferente de prueba, diseñada para evaluar la tenacidad (energía absorbida durante la fractura), en lugar de utilizar los valores de ductilidad obtenidos en pruebas de tracción.
En un sentido absoluto, los valores de "ductilidad" son, por lo tanto, virtualmente insignificantes. La deformación real (verdadera) en el cuello en el punto de fractura no guarda relación directa con el número bruto obtenido a partir de la curva nominal de tensión-deformación; la deformación real en el cuello es a menudo considerablemente mayor. Además, la tensión real en el punto de fractura suele ser mayor que el valor aparente según el gráfico. La carga suele caer mientras se desarrolla el cuello, pero el área seccional en el cuello también cae (de manera más pronunciada), por lo que la tensión real allí aumenta. No hay una forma sencilla de estimar este valor, ya que depende de la geometría del cuello. Si bien la deformación real en la fractura es un indicador genuino de "ductilidad", no se puede obtener fácilmente a partir de una prueba de tracción convencional.
La reducción de área (RA) se define como la disminución del área de la sección en el cuello (generalmente obtenida midiendo el diámetro en uno o ambos extremos fracturados), dividida por el área de la sección 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 en reconocimiento del hecho de que este último depende de la relación de aspecto de la longitud calibrada, aunque esta dependencia está lejos de ser universalmente apreciada). Hay algo de cierto en este argumento, pero la RA aún está lejos de ser un parámetro genuinamente significativo. Una objeción es que no es fácil de medir con precisión, particularmente con muestras que no son de sección circular. Más fundamentalmente, se ve afectada 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 deformación real a menudo se está volviendo muy alta y el comportamiento es de importancia limitada en términos de una definición significativa de resistencia (o tenacidad). Se ha realizado nuevamente un estudio extenso de esta cuestión. [25] [26] [27]
Los metales pueden sufrir dos tipos diferentes de fracturas: fractura frágil o fractura dúctil. La propagación de la falla ocurre más rápidamente en materiales frágiles debido a la capacidad de los materiales dúctiles de sufrir deformación plástica. Por lo tanto, los materiales dúctiles pueden soportar más tensión debido a su capacidad de absorber más energía antes de la falla que los materiales frágiles. La deformación plástica da como resultado que el material siga una modificación de la ecuación de Griffith, donde la tensión crítica de fractura aumenta debido al trabajo plástico requerido para extender la grieta que se suma al trabajo necesario para formar la grieta, trabajo que corresponde al aumento de la energía superficial que resulta de la formación de una superficie de grieta adicional. [28] La deformación plástica de los metales dúctiles es importante ya que puede ser un signo de la falla potencial del metal. Sin embargo, el punto en el que el material exhibe un comportamiento dúctil frente a un comportamiento frágil no solo 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 cargas. 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 de la DBTT, el material no podrá deformarse plásticamente y la velocidad de propagación de grietas aumenta rápidamente, lo que lleva a que el material experimente una falla frágil rápidamente. Además, la DBTT es importante ya que, una vez que un material se enfría por debajo de la DBTT, tiene una tendencia mucho mayor a romperse con el impacto en lugar de doblarse o deformarse ( fragilización a baja temperatura ). Por lo tanto, la DBTT indica la temperatura a la que, 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 garantiza que se inhiban las grietas repentinas para evitar fallas en el cuerpo metálico. Se ha determinado que cuanto más sistemas de deslizamiento tiene un material, más amplio es el rango de temperaturas en el que se exhibe un comportamiento dúctil. Esto se debe a que los sistemas de deslizamiento permiten un mayor movimiento de las dislocaciones cuando se aplica una tensión al material. Por lo tanto, en materiales con una menor cantidad de sistemas de deslizamiento, las dislocaciones a menudo quedan atrapadas por obstáculos que conducen al endurecimiento por deformación, lo que aumenta la resistencia de los materiales y los hace más frágiles. 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 solo a altas temperaturas y las estructuras HCP (hexagonales más compactas) a menudo son frágiles en amplios rangos de temperaturas. Esto hace que cada una de estas estructuras tenga un rendimiento diferente a medida que se acercan al fallo (fatiga, sobrecarga y agrietamiento por tensión) a distintas temperaturas, y demuestra la importancia de la DBTT a la hora de seleccionar el material correcto para una aplicación específica. Por ejemplo, el zamak 3 muestra una buena ductilidad a temperatura ambiente, pero se rompe cuando se impacta a temperaturas bajo cero. La DBTT es una consideración muy importante a la hora de seleccionar materiales que están sujetos a tensiones mecánicas. Un fenómeno similar, la temperatura de transición vítrea , ocurre con los vidrios y polímeros, aunque el mecanismo es diferente en estos materiales amorfos . La DBTT también depende del tamaño de los granos dentro del metal, ya que normalmente un tamaño de grano más pequeño conduce a un aumento de la resistencia a la tracción, lo que resulta en un aumento de la ductilidad y una disminución de la DBTT. Este aumento de la resistencia a la tracción se debe a que los tamaños de grano más pequeños dan como resultado el endurecimiento del límite de grano que se produce 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 la DBTT por completo, de modo que nunca se produzca una fractura frágil en el acero ferrítico (ya que la DBTT requerida estaría por debajo del cero absoluto). [29]
En algunos materiales, la transición es más pronunciada que en otros y, por lo general, requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en materiales con una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc), la DBTT es fácilmente aparente, ya que el movimiento de las dislocaciones de tornillo es muy sensible a la temperatura porque la reorganización del núcleo de dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede ser problemático para aceros con un alto contenido de ferrita . Esto resultó en un agrietamiento grave del casco de los barcos Liberty en aguas más frías durante la Segunda Guerra Mundial , lo que provocó muchos hundimientos. La DBTT también puede verse influenciada por factores externos como la radiación de neutrones , que conduce a un aumento de los defectos internos de la red y una disminución correspondiente de la ductilidad y un aumento de la DBTT.
El método más preciso para medir la DBTT de un material es mediante la prueba de fractura . Normalmente, se realiza una prueba de flexión de cuatro puntos a un rango de temperaturas en barras pre-agrietadas de material pulido. Normalmente se utilizan dos pruebas de fractura para determinar la DBTT de metales específicos: la prueba Charpy V-Notch y la prueba Izod. La prueba Charpy V-notch determina la capacidad de absorción de energía de impacto o 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 hace que el péndulo rompa la muestra. La DBTT se determina repitiendo esta prueba en una variedad de temperaturas y notando cuándo la fractura resultante cambia a un comportamiento frágil que ocurre cuando la energía absorbida disminuye drásticamente. La prueba Izod es esencialmente la misma que la prueba Charpy, con el único factor diferenciador siendo la ubicación de la muestra; en la primera, la muestra se coloca verticalmente, mientras que en la segunda, la muestra se coloca horizontalmente con respecto a la parte inferior de la base. [30]
En los experimentos realizados a temperaturas más altas, la actividad de dislocación [ aclaración necesaria ] aumenta. A una temperatura determinada, las dislocaciones protegen [ aclaración necesaria ] 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 para la 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 por dislocación para evitar la fractura frágil y se eleva la temperatura de transición. [ cita requerida ]
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