En la ciencia de los materiales , la tenacidad a la fractura es el factor crítico de intensidad de la tensión de una grieta aguda donde la propagación de la grieta de repente se vuelve rápida e ilimitada. El espesor de un componente afecta las condiciones de restricción en la punta de una grieta con componentes delgados que tienen condiciones de tensión plana y componentes gruesos que tienen condiciones de deformación plana . Las condiciones de deformación plana dan el valor más bajo de tenacidad a la fractura, que es una propiedad del material . El valor crítico del factor de intensidad de tensión en la carga de modo I medido en condiciones de deformación plana se conoce como tenacidad a la fractura por deformación plana , denotada . [1] Cuando una prueba no cumple con el espesor y otros requisitos de prueba establecidos para garantizar condiciones de deformación plana, el valor de tenacidad a la fractura producido recibe la designación . La tenacidad a la fractura es una forma cuantitativa de expresar la resistencia de un material a la propagación de grietas y los valores estándar para un material determinado generalmente están disponibles.
La propagación lenta y autosostenida de grietas, conocida como fisuración por corrosión bajo tensión , puede ocurrir en un ambiente corrosivo por encima y por debajo del umbral . También pueden ocurrir pequeños incrementos en la extensión de la grieta durante el crecimiento de la grieta por fatiga , que después de ciclos de carga repetidos, puede hacer que la grieta crezca gradualmente hasta que se produzca la falla final al exceder la tenacidad a la fractura.
La tenacidad a la fractura varía aproximadamente 4 órdenes de magnitud entre los materiales. Los metales tienen los valores más altos de tenacidad a la fractura. Las grietas no pueden propagarse fácilmente en materiales resistentes, lo que hace que los metales sean muy resistentes al agrietamiento bajo tensión y le da a su curva tensión-deformación una gran zona de flujo plástico. Las cerámicas tienen una menor tenacidad a la fractura, pero muestran una mejora excepcional en la fractura por tensión que se atribuye a su aumento de resistencia de 1,5 órdenes de magnitud, en relación con los metales. La tenacidad a la fractura de los compuestos, obtenidos combinando cerámicas de ingeniería con polímeros de ingeniería, excede con creces la tenacidad a la fractura individual de los materiales constituyentes. [ cita necesaria ]
Los mecanismos de endurecimiento intrínsecos son procesos que actúan antes de la punta de la grieta para aumentar la tenacidad del material. Estos tenderán a estar relacionados con la estructura y la unión del material base, así como con las características microestructurales y los aditivos del mismo. Ejemplos de mecanismos incluyen:
Cualquier alteración del material base que aumente su ductilidad también puede considerarse endurecimiento intrínseco. [7]
La presencia de granos en un material también puede afectar su dureza al afectar la forma en que se propagan las grietas. Delante de una grieta puede aparecer una zona plástica a medida que el material cede. Más allá de esa región, el material permanece elástico. Las condiciones para la fractura son más favorables en el límite entre esta zona plástica y elástica y, por lo tanto, las grietas a menudo se inician por la escisión de un grano en ese lugar.
A bajas temperaturas, donde el material puede volverse completamente quebradizo, como en un metal cúbico centrado en el cuerpo (BCC), la zona plástica se contrae y solo existe la zona elástica. En este estado, la grieta se propagará por sucesivas escisiones de los granos. A estas bajas temperaturas, el límite elástico es alto, pero la deformación de fractura y el radio de curvatura de la punta de la grieta son bajos, lo que conduce a una baja tenacidad. [8]
A temperaturas más altas, el límite elástico disminuye y conduce a la formación de la zona plástica. Es probable que la escisión se inicie en el límite de la zona elástico-plástica y luego se una nuevamente a la punta de la grieta principal. Suele ser una mezcla de escisiones de granos y fracturas dúctiles de granos conocidas como enlaces fibrosos. El porcentaje de enlaces fibrosos aumenta a medida que aumenta la temperatura hasta que el enlace es completamente fibroso. En este estado, aunque el límite elástico es menor, la presencia de fractura dúctil y un mayor radio de curvatura de la punta de la grieta dan como resultado una mayor tenacidad. [8]
Las inclusiones en un material, como partículas de segunda fase, pueden actuar de manera similar a los granos quebradizos que pueden afectar la propagación de grietas. La fractura o decohesión en la inclusión puede ser causada por la tensión externa aplicada o por las dislocaciones generadas por el requisito de que la inclusión mantenga la contigüidad con la matriz que la rodea. Al igual que en los granos, es más probable que la fractura ocurra en el límite de la zona plástico-elástica. Entonces la grieta puede volver a unirse a la grieta principal. Si la zona plástica es pequeña o la densidad de las inclusiones es pequeña, es más probable que la fractura se una directamente con la punta de la grieta principal. Si la zona plástica es grande, o la densidad de las inclusiones es alta, pueden ocurrir fracturas de inclusión adicionales dentro de la zona plástica y la unión se produce progresando desde la grieta hasta la inclusión de fractura más cercana dentro de la zona. [8]
El endurecimiento por transformación es un fenómeno por el cual un material sufre una o más transformaciones de fase martensítica (desplaciva, sin difusión) que resultan en un cambio casi instantáneo en el volumen de ese material. Esta transformación se desencadena por un cambio en el estado tensional del material, como un aumento de la tensión de tracción, y actúa en oposición a la tensión aplicada. Así, cuando el material se somete a tensión localmente, por ejemplo en la punta de una grieta en crecimiento, puede sufrir una transformación de fase que aumenta su volumen, reduciendo la tensión de tracción local y dificultando la progresión de la grieta a través del material. Este mecanismo se aprovecha para aumentar la tenacidad de los materiales cerámicos, sobre todo en el circonio estabilizado con itria para aplicaciones como cuchillos cerámicos y revestimientos de barrera térmica en álabes de turbinas de motores a reacción. [9]
Los mecanismos de endurecimiento extrínsecos son procesos que actúan detrás de la punta de la grieta para resistir su mayor apertura. Ejemplos incluyen
Los ensayos de tenacidad a la fractura se realizan para cuantificar la resistencia de un material a fallar por agrietamiento. Estas pruebas dan como resultado una medida de tenacidad a la fractura de un solo valor o una curva de resistencia . Las curvas de resistencia son trazados donde los parámetros de tenacidad a la fractura (K, J, etc.) se trazan frente a los parámetros que caracterizan la propagación de la grieta. La curva de resistencia o tenacidad a la fractura de valor único se obtiene en función del mecanismo y la estabilidad de la fractura. La tenacidad a la fractura es una propiedad mecánica crítica para aplicaciones de ingeniería. Hay varios tipos de pruebas que se utilizan para medir la tenacidad a la fractura de los materiales, que generalmente utilizan una muestra con muescas en una de varias configuraciones. Un método de prueba estandarizado ampliamente utilizado es la prueba de impacto Charpy , mediante la cual una muestra con una muesca en V o en U se somete a un impacto desde detrás de la muesca. También se utilizan ampliamente las pruebas de desplazamiento de grietas, como las pruebas de flexión de vigas en tres puntos con grietas delgadas preestablecidas en las muestras de prueba antes de aplicar la carga.
La norma ASTM E1820 para la medición de la tenacidad a la fractura [11] recomienda tres tipos de cupones para ensayos de tenacidad a la fractura, el cupón de flexión de un solo borde [SE(B)], el cupón de tensión compacto [C(T)] y el cupón en forma de disco. cupón de tensión compacto [DC(T)]. Cada configuración de muestra se caracteriza por tres dimensiones, a saber, la longitud de la grieta (a), el espesor (B) y el ancho (W). Los valores de estas dimensiones están determinados por la demanda de la prueba particular que se realiza en la muestra. La gran mayoría de las pruebas se llevan a cabo en configuraciones de prueba de flexión compactas o de tres puntos . Para las mismas dimensiones características, la configuración compacta requiere una menor cantidad de material en comparación con la prueba de flexión de tres puntos.
La orientación de la fractura es importante debido a la naturaleza no isotrópica inherente de la mayoría de los materiales de ingeniería. Debido a esto, puede haber planos de debilidad dentro del material y el crecimiento de grietas a lo largo de este plano puede ser más fácil en comparación con otras direcciones. Debido a esta importancia, ASTM ha ideado una forma estandarizada de informar la orientación de las grietas con respecto al eje de forja. [12] Las letras L, T y S se utilizan para indicar las direcciones longitudinal , transversal y transversal corta , donde la dirección longitudinal coincide con el eje de forjado. La orientación se define con dos letras, la primera es la dirección del esfuerzo de tracción principal y la segunda es la dirección de propagación de la grieta. En términos generales, el límite inferior de la tenacidad de un material se obtiene en la orientación donde la grieta crece en la dirección del eje de forjado.
Para obtener resultados precisos, se requiere una grieta fuerte antes de realizar la prueba. Las muescas y ranuras mecanizadas no cumplen este criterio. La forma más eficaz de introducir una grieta suficientemente aguda es aplicando una carga cíclica para hacer crecer una grieta por fatiga a partir de una ranura. Las grietas por fatiga se inician en la punta de la ranura y se permiten que se extiendan hasta que la longitud de la grieta alcance el valor deseado.
La carga cíclica se controla cuidadosamente para no afectar la tenacidad del material mediante el endurecimiento por deformación. Esto se hace eligiendo cargas cíclicas que produzcan una zona plástica mucho más pequeña en comparación con la zona plástica de la fractura principal. Por ejemplo, según ASTM E399, la intensidad máxima de tensión K max no debe ser mayor que 0,6 durante la etapa inicial y menor que 0,8 cuando la grieta se acerca a su tamaño final. [13]
En ciertos casos, se mecanizan ranuras en los lados de una muestra de resistencia a la fractura de modo que el espesor de la muestra se reduce a un mínimo del 80% del espesor original a lo largo de la trayectoria prevista de las extensiones de la grieta. [14] La razón es mantener un frente de grieta recto durante la prueba de curva R.
Las cuatro pruebas estandarizadas principales se describen a continuación con las pruebas K Ic y K R válidas para la mecánica de fractura elástico-lineal (LEFM) mientras que las pruebas J y JR válidas para la mecánica de fractura elástico-plástica (EPFM).
Al realizar una prueba de tenacidad a la fractura, las configuraciones de probetas de ensayo más comunes son las probetas con entalladura de borde único ( SENB o curvatura de tres puntos) y las probetas de tensión compacta (CT). Las pruebas han demostrado que las condiciones de deformación plana generalmente prevalecen cuando: [15]
donde es el espesor mínimo necesario, la tenacidad a la fractura del material y es el límite elástico del material.
La prueba se realiza cargando de manera constante a una velocidad tal que K I aumenta de 0,55 a 2,75 (MPa )/s. Durante la prueba, se registra la carga y el desplazamiento de apertura de la boca de la grieta (CMOD) y la prueba continúa hasta que se alcanza la carga máxima. La carga crítica P Q se calcula a partir del gráfico de carga frente a CMOD. Una tenacidad provisional K Q está dada como
El factor geométrico es una función adimensional de a/W y se da en forma polinómica en la norma E 399. El factor de geometría para la geometría de prueba compacta se puede encontrar aquí . [16] Este valor de tenacidad provisional se reconoce como válido cuando se cumplen los siguientes requisitos:
Cuando se prueba un material de tenacidad a la fractura desconocida, se prueba una muestra con el espesor total de la sección del material o se dimensiona la muestra basándose en una predicción de la tenacidad a la fractura. Si el valor de tenacidad a la fractura resultante del ensayo no satisface el requisito de la ecuación anterior, el ensayo debe repetirse utilizando una muestra más gruesa. Además de este cálculo del espesor, las especificaciones de la prueba tienen varios otros requisitos que deben cumplirse (como el tamaño de los labios de corte) antes de que se pueda decir que una prueba ha dado como resultado un valor K IC .
Cuando una prueba no cumple con el espesor y otros requisitos de deformación simple, el valor de tenacidad a la fractura producido recibe la designación Kc . A veces, no es posible producir una muestra que cumpla con el requisito de espesor. Por ejemplo, cuando se prueba una placa relativamente delgada con alta tenacidad, puede que no sea posible producir una muestra más gruesa con condiciones de deformación plana en la punta de la grieta.
La muestra que muestra un crecimiento estable de la grieta muestra una tendencia creciente en la tenacidad a la fractura a medida que aumenta la longitud de la grieta (extensión de la grieta dúctil). Esta gráfica de tenacidad a la fractura versus longitud de grieta se llama curva de resistencia (R). ASTM E561 describe un procedimiento para determinar las curvas de tenacidad versus crecimiento de grietas en materiales. [17] Esta norma no tiene restricciones sobre el espesor mínimo del material y, por lo tanto, puede usarse para láminas delgadas; sin embargo, se deben cumplir los requisitos de LEFM para que la prueba sea válida. Los criterios para LEFM esencialmente establecen que la dimensión en el plano debe ser grande en comparación con la zona plástica. Existe una idea errónea sobre el efecto del espesor en la forma de la curva R. Se insinúa que para el mismo material, la sección más gruesa falla por fractura por deformación plana y muestra una tenacidad a la fractura de un solo valor, la sección más delgada falla por fractura por tensión plana y muestra la curva R ascendente. Sin embargo, el principal factor que controla la pendiente de la curva R es la morfología de la fractura, no el espesor. En algunos materiales, el espesor de la sección cambia la morfología de la fractura desde un desgarro dúctil hasta una escisión de una sección delgada a una gruesa, en cuyo caso el espesor por sí solo dicta la pendiente de la curva R. Hay casos en los que incluso se produce una fractura por deformación plana en una curva R ascendente debido a que el modo de falla es la "coalescencia de microhuecos".
La forma más precisa de evaluar la curva KR es tener en cuenta la presencia de plasticidad según el tamaño relativo de la zona plástica. Para el caso de plasticidad insignificante, la curva carga versus desplazamiento se obtiene del ensayo y en cada punto se encuentra la conformidad. La conformidad es recíproca de la pendiente de la curva que se seguirá si la muestra se descarga en un punto determinado, que se puede dar como la relación entre desplazamiento y carga para LEFM. El cumplimiento se utiliza para determinar la longitud instantánea de la grieta a través de la relación dada en la norma ASTM.
La intensidad de la tensión debe corregirse calculando la longitud efectiva de la grieta. La norma ASTM sugiere dos enfoques alternativos. El primer método se denomina corrección de zona plástica de Irwin. El enfoque de Irwin describe la longitud efectiva de la grieta como [18]
El enfoque de Irwin conduce a una solución iterativa ya que K en sí es función de la longitud de la grieta.
El otro método, a saber, el método de la secante, utiliza la ecuación de longitud de grieta de cumplimiento dada por la norma ASTM para calcular la longitud efectiva de la grieta a partir de un cumplimiento efectivo. La conformidad en cualquier punto de la curva Carga vs Desplazamiento es esencialmente el recíproco de la pendiente de la curva que se produce si la muestra se descarga en ese punto. Ahora la curva de descarga vuelve al origen para material elástico lineal pero no para material plástico elástico ya que hay una deformación permanente. La elasticidad efectiva en un punto para la caja de plástico elástico se toma como la pendiente de la línea que une el punto y el origen (es decir, la elasticidad si el material fuera elástico). Este cumplimiento efectivo se utiliza para obtener un crecimiento efectivo de la grieta y el resto del cálculo sigue la ecuación
La elección de la corrección de plasticidad depende del tamaño de la zona plástica. La curva de resistencia de recubrimiento estándar de ASTM sugiere que el uso del método de Irwin es aceptable para zonas plásticas pequeñas y recomienda usar el método Secante cuando la plasticidad de la punta de la grieta es más prominente. Además, dado que la norma ASTM E 561 no contiene requisitos sobre el tamaño de la muestra o la extensión máxima permitida de la grieta, no se garantiza la independencia del tamaño de la curva de resistencia. Pocos estudios muestran que la dependencia del tamaño se detecta menos en los datos experimentales del método Secante.
La tasa de liberación de energía de deformación por unidad de superficie de fractura se calcula mediante el método de integral J, que es una integral de trayectoria de contorno alrededor de la punta de la grieta donde la trayectoria comienza y termina en cualquiera de las superficies de la grieta. El valor de tenacidad J significa la resistencia del material en términos de cantidad de energía de tensión necesaria para que crezca una grieta. El valor de tenacidad J IC se mide para materiales plásticos elásticos. Ahora el J IC de valor único se determina como la tenacidad cerca del inicio de la extensión de la grieta dúctil (el efecto del endurecimiento por deformación no es importante). La prueba se realiza con múltiples muestras cargando cada una de las muestras a varios niveles y descargando. Esto proporciona el cumplimiento de la apertura de la boca de la grieta que se utilizará para obtener la longitud de la grieta con la ayuda de las relaciones dadas en la norma ASTM E 1820, que cubre la prueba integral J. [19] Otra forma de medir el crecimiento de grietas es marcar la muestra con tinte térmico o agrietamiento por fatiga. Finalmente se rompe la muestra y se mide la extensión de la grieta con la ayuda de las marcas.
La prueba así realizada produce varias curvas de carga versus desplazamiento de apertura de la boca de grieta (CMOD), que se utilizan para calcular J de la siguiente manera:
El elástico lineal J se calcula usando
y K se determina a partir de donde B N es el espesor neto para la muestra con ranuras laterales e igual a B para la muestra sin ranuras laterales
El plástico elástico J se calcula usando
Donde =2 para muestra SENB
b o es la longitud inicial del ligamento dada por la diferencia entre el ancho y la longitud inicial de la grieta
A Pl es el área plástica bajo la curva carga-desplazamiento.
Se utiliza una técnica de reducción de datos especializada para obtener un J Q provisional . El valor se acepta si se cumple el siguiente criterio
La prueba de desgarro (p. ej. la prueba de desgarro de Kahn) proporciona una medida semicuantitativa de la tenacidad en términos de resistencia al desgarro. Este tipo de prueba requiere una muestra más pequeña y, por lo tanto, puede usarse para una gama más amplia de formas de productos. La prueba de desgarro también se puede utilizar para aleaciones de aluminio muy dúctiles (por ejemplo, 1100, 3003), donde no se aplica la mecánica de fractura elástica lineal.
Varias organizaciones publican normas relacionadas con las mediciones de tenacidad a la fractura, a saber, ASTM , BSI , ISO, JSME.
Muchas cerámicas con estructuras policristalinas desarrollan grandes grietas que se propagan a lo largo de los límites entre los granos, en lugar de a través de los propios cristales individuales, ya que la dureza de los límites de los granos es mucho menor que la de los cristales. La orientación de las facetas del límite de grano y la tensión residual hacen que la grieta avance de una manera compleja y tortuosa que es difícil de analizar. Calcular simplemente la energía superficial adicional asociada con el aumento del área superficial del límite de grano debido a esta tortuosidad no es exacto, ya que parte de la energía para crear la superficie de la grieta proviene de la tensión residual. [21]
Artículo principal: modelo Faber-Evans
Se ha desarrollado un modelo de mecánica de materiales, presentado por Katherine Faber y Anthony G. Evans , para predecir el aumento de la tenacidad a la fractura en cerámicas debido a la deflexión de las grietas alrededor de las partículas de la segunda fase que son propensas a microfisuras en una matriz. [22] El modelo tiene en cuenta la morfología de las partículas, la relación de aspecto, el espaciamiento y la fracción de volumen de la segunda fase, así como la reducción de la intensidad de la tensión local en la punta de la grieta cuando la grieta se desvía o el plano de la grieta se curva. La tortuosidad real de la grieta se obtiene mediante técnicas de imágenes, lo que permite introducir directamente en el modelo los ángulos de deflexión y de inclinación.
El aumento resultante en la tenacidad a la fractura se compara con el de una grieta plana a través de la matriz plana. La magnitud del endurecimiento está determinada por la deformación por desajuste causada por la incompatibilidad de la contracción térmica y la resistencia a la microfractura de la interfaz partícula/matriz. [23] Este endurecimiento se vuelve notable cuando hay una distribución de tamaño estrecha de partículas que tienen el tamaño apropiado. Los investigadores suelen aceptar los hallazgos del análisis de Faber, que sugieren que los efectos de la deflexión en materiales con granos aproximadamente equiaxiales pueden aumentar la tenacidad a la fractura en aproximadamente el doble del valor del límite del grano.
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