Mecánica de la fractura
La Mecánica de la Fractura empezó a desarrollarse durante la Primera Guerra Mundial por el ingeniero aeronáutico inglés Alan Arnold Griffith para explicar el fallo de materiales frágiles.
Por lo tanto la resistencia a tensión uniaxial, que se había usado extensamente para predecir la rotura del material, no podía ser una propiedad independiente del material.
Griffith sugirió que la baja resistencia a la fractura observada en los experimentos, al igual que la dependiente del tamaño, era debida a la presencia de pequeñas roturas microscópicas en la masa del material.
Con la aproximación se consigue: El fallo ocurre cuando la energía libre alcanza un valor pico en la longitud de grieta crítica, si se supera la energía libre decrece por el incremento de la longitud de la grieta, por ejemplo, causando la fractura.
Las razones para que ocurriera esto pueden ser: uno, que para los materiales estructurales actuales el nivel de energía necesaria para causar la fractura es de un orden mucho mayor que el correspondiente a la energía superficial y dos en los materiales estructurales siempre existen deformaciones inelásticas alrededor del frente de la grieta que hacían que la hipótesis de un medio elástico con tensiones en el infinito aplicadas sobre la fractura fuera muy poco realista.
Sin embargo, en los materiales dúctiles como el acero, se produce deformación plástica en los extremos de las grietas, que dan lugar a que disminuyan las tensiones antes de que se rompan los enlaces, por lo cual para estos materiales la energía superficial (
) calculada con la teoría de Griffith es demasiado alta y poco realista.
En 1957, un grupo bajo la guía de George Rankine Irwin[3] en el U.S.
Naval Research Laboratory, durante la Segunda Guerra Mundial, descubrió que la plasticidad tiene un papel importante en la fractura de materiales dúctiles.
En materiales dúctiles e incluso en materiales que parecen frágiles,[4] en el extremo de toda fisura se desarrolla una zona de plastificación.
Cuando la carga aplicada aumenta, la zona plástica crece en tamaño hasta que la fisura progresa descargándose el material a ambos lados de la fisura ya progresada.
Eso hace necesario añadir un término disipativo al balance de energía propuesto por Griffith para materiales frágiles.
En términos físicos, se puede decir que hacer crecer una fisura o grieta en un material dúctil requiere más energía adicional que la requerida en los materiales frágiles.
es el ángulo con respecto al plano de la grieta, y
Esta hipótesis sugiere que la energía necesaria para crear una unidad de superficie de fractura es una constante que sólo depende del material.
A este valor se le llama resistencia a la fractura y ahora es aceptado universalmente como una propiedad del material en la definición mecánica de la fractura lineal elástica.
Sin embargo, esta hipótesis es bastante restrictiva para ciertos tipos de fracturas en los aceros estructurales, aunque estos aceros pueden ser propensos a la rotura frágil, lo que ha llevado a una serie de fallos catastróficos.
Goo John McGuinness La mayoría de los materiales usados en ingeniería muestran un comportamiento no lineal e inelástico en condiciones de funcionamiento que implican grandes cargas.
Sin embargo, la curva R no fue ampliamente utilizado en aplicaciones hasta la década de 1970.
El parámetro de fallo elástico-plástico es designado J Ic y que convencionalmente se convierte en K Ic mediante la ecuación (3.1) del Apéndice de este artículo.
Los conocimientos en Mecánica de la Fractura son necesarios para predecir los siguientes problemas: Generalmente no toda la información está disponible y las hipótesis conservativas no son reales en muchos casos.
En la ausencia de sobrecarga se puede buscar si ha habido insuficiente tenacidad en el material (KIc) o una fisura excesiva no detectada durante la inspección.
En la actualidad los nuevos métodos de producción han dado lugar a investigaciones en fracturas superficiales e internas, especialmente en metales.
No todas las fracturas son inestables bajo determinadas condiciones de servicio.
La mecánica de la fractura es el análisis que intenta descubrir cuáles de esas fallas son seguras (es decir, que no crecerán) y cuál es el nivel de servicio máximo que le podemos exigir a la estructura.
El estudio de las fracturas es una ciencia relativamente nueva, en comparación con otras ciencias, pero tiene una alta demanda por los ingenieros que buscan que no haya fallos por rotura, que suelen ser los más llamativos para el público en general.
Si tenemos una placa agrietada la tensión plana se producirá en la superficie de la placa donde esté la grieta mientras que en el centro del espesor tendremos deformación plana si el espesor es lo suficientemente grande.
El subíndice "I" surge de que existan distintos modos de fractura además del I, estos son: Debemos percatarnos que la expresión
Por ello es necesario introducir un coeficiente adimensional, denominado Y, que caracterizará la geometría de la pieza a estudio.
Desde que los ingenieros comenzaron a usar KIc para caracterizar la dureza de la fractura, una relación ha sido usada para reducir JIc a esto: La forma de obtener la fórmula no se incluye aquí, por lo que se recomienda buscarlo en páginas externas.
