Resistencia a la fractura

Los ensayos de resistencia a la fractura se realizan para cuantificar la resistencia de un material a fallar por agrietamiento. Dichos ensayos dan como resultado una medida de dureza de fractura de un solo valor o una curva de resistencia. Las curvas de resistencia son gráficos en los que los parámetros de la tenacidad a la fractura (K, J, etc.) se comparan con los parámetros que caracterizan la propagación de la grieta. La curva de resistencia o la tenacidad de fractura de valor único se obtiene en función del mecanismo y la estabilidad de la fractura. La resistencia a la fractura es una propiedad mecánica crítica para las aplicaciones de ingeniería. Existen varios tipos de ensayos utilizados para medir la resistencia a la fractura de los materiales, que generalmente utilizan una probeta entallada en una de las diversas configuraciones. Un método de ensayo estandarizado muy utilizado es el ensayo de impacto Charpy, en el que una muestra con una muesca en V o en U se somete a un impacto desde detrás de la muesca. También se utilizan ampliamente los ensayos de desplazamiento de grietas, como los ensayos de flexión de vigas de tres puntos con grietas finas prefijadas en las muestras de ensayo antes de aplicar la carga.

Requisitos de los ensayosEditar

Elección de la probetaEditar

La norma E1820 de la ASTM para la medición de la tenacidad a la fractura recomienda tres tipos de probeta para los ensayos de tenacidad a la fractura, la probeta de flexión de un solo borde, la probeta de tracción compacta y la probeta de tracción compacta en forma de disco. Cada configuración de la probeta se caracteriza por tres dimensiones, a saber, la longitud de la grieta (a), el espesor (B) y la anchura (W). Los valores de estas dimensiones vienen determinados por la demanda del ensayo concreto que se realiza sobre la probeta. La gran mayoría de los ensayos se realizan en configuración compacta o SENB. Para las mismas dimensiones características, la configuración compacta requiere una menor cantidad de material en comparación con la SENB.

Orientación del materialEditar

La orientación de la fractura es importante debido a la naturaleza no isotrópica inherente a la mayoría de los materiales de ingeniería. Debido a esto, puede haber planos de debilidad dentro del material, y el crecimiento de la grieta a lo largo de este plano puede ser más fácil en comparación con otra dirección. Debido a esta importancia, la ASTM ha ideado una forma estandarizada de informar sobre la orientación de la grieta con respecto al eje de forjado. Las letras L, T y S se utilizan para denotar las direcciones longitudinal, transversal y transversal corta, donde la dirección longitudinal coincide con el eje de forjado. La orientación se define con dos letras, siendo la primera la dirección del esfuerzo principal de tracción y la segunda la dirección de propagación de la grieta. En general, el límite inferior de la tenacidad de un material se obtiene en la orientación en la que la grieta crece en la dirección del eje de forja.

Pre-fisuraciónEditar

Para obtener resultados precisos, se requiere una grieta afilada antes del ensayo. Las muescas y ranuras mecanizadas no cumplen este criterio. La forma más eficaz de introducir una grieta suficientemente afilada es aplicando una carga cíclica para hacer crecer una grieta de fatiga a partir de una ranura. Las grietas por fatiga se inician en la punta de la ranura y se deja que se extiendan hasta que la longitud de la grieta alcance su valor deseado.

La carga cíclica se controla cuidadosamente para no afectar a 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 la norma ASTM E399, la intensidad máxima de la tensión Kmax no debe ser mayor que 0,6 K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}.

durante la fase inicial y menos de 0,8 K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}

cuando la grieta se acerca a su tamaño final.

En algunos casos se mecanizan ranuras en los lados de una probeta de resistencia a la fractura de manera que el espesor de la probeta se reduce a un mínimo del 80% del espesor original a lo largo de la trayectoria prevista de las extensiones de la grieta. El motivo es mantener un frente de grieta recto durante el ensayo de la curva R.

A continuación se describen los cuatro principales ensayos normalizados, siendo los ensayos KIc y KR válidos para la mecánica de fractura lineal-elástica (LEFM), mientras que los ensayos J y JR son válidos para la mecánica de fractura elástico-plástica (EPFM)

Determinación de la tenacidad a la fractura por deformación planaEditar

Cuando un material se comporta de forma linealmente elástica antes del fallo, de tal manera que la zona plástica es pequeña en comparación con la dimensión de la probeta, un valor crítico del factor de intensidad de tensión del modo I puede ser un parámetro de fractura apropiado. Este método proporciona una medida cuantitativa de la resistencia a la fractura en términos del factor crítico de intensidad de la tensión en el plano. El ensayo debe ser validado una vez completado para asegurar que los resultados son significativos. El tamaño de la probeta es fijo, y debe ser lo suficientemente grande como para garantizar las condiciones de deformación plana en la punta de la grieta.

El grosor de la probeta afecta al grado de restricción en la punta de la grieta, que a su vez afecta al valor de la tenacidad a la fracturaLa tenacidad a la fractura disminuye con el aumento del tamaño de la probeta hasta que se alcanza una meseta. Los requisitos de tamaño de la probeta de la norma ASTM E 399 tienen por objeto garantizar que K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}

las mediciones correspondan a la meseta de deformación plana asegurando que la probeta se fracture en condiciones elásticas nominalmente lineales. Es decir, la zona plástica debe ser pequeña en comparación con la sección transversal de la probeta. La versión actual de la norma E 399 permite cuatro configuraciones de probetas: las compactas, las SE(B), las que tienen forma de arco y las que tienen forma de disco. Probetas para K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}

suelen fabricarse con una anchura W igual al doble del grosor B. Se someten a fatiga para que la relación longitud/anchura de la grieta (a /W) se sitúe entre 0,45 y 0,55. Así, el diseño de la muestra es tal que todas las dimensiones clave, a, B y W-a, son aproximadamente iguales. Este diseño da lugar a un uso eficiente del material, ya que la norma exige que cada una de estas dimensiones sea grande en comparación con la zona plástica. Ensayo de resistencia a la fractura por deformación plana

Cuando se realiza un ensayo de resistencia a la fractura, las configuraciones más comunes de las probetas son el doblado con muesca en un solo borde (SENB o doblado en tres puntos), y las probetas de tensión compacta (CT). Los ensayos han demostrado que las condiciones de deformación plana generalmente prevalecen cuando:

B , a ≥ 2,5 ( K I C σ YS ) 2 {\displaystyle B,a\geq 2,5\left({\frac {K_{IC}}{{sigma _{text{YS}}}}\right)^{2}}

donde B {{displaystyle B}}

es el espesor mínimo necesario, K Ic {{displaystyle K_{text{Ic}}

la resistencia a la fractura del material y σ YS {{displaystyle \\\text{YS}}

es el límite elástico del material.

El ensayo se realiza cargando constantemente a una velocidad tal que KI aumenta de 0,55 a 2,75 (MPa m {{displaystyle {\sqrt {m}}

)/s. Durante el ensayo, se registra la carga y el desplazamiento de apertura de la boca de la grieta (CMOD) y se continúa el ensayo hasta alcanzar la carga máxima. La carga crítica <PQ se calcula a través del gráfico de carga vs CMOD. La tenacidad provisional KQ viene dada por K Q = P Q W B f ( a / W , . . . ) {{displaystyle K_{Q}={{frac {P_{Q}}{{sqrt {W}}B}f(a/W,…)}

.

El factor geométrico f ( a / W , . . . ) {\displaystyle f(a/W,…)}

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 ensayo compacta se puede encontrar aquí. Este valor de tenacidad provisional se reconoce como válido cuando se cumplen los siguientes requisitos: m i n ( B , a ) > 2,5 ( K Q σ YS ) 2 {\displaystyle min(B,a)>2,5\left({\frac {K_{Q}}{sigma _{text{YS}}}}\right)^{2}}

y P m a x ≤ 1,1 P Q {\displaystyle P_{max}\leq 1,1P_{Q}}

Cuando se ensaya un material de tenacidad a la fractura desconocida, se ensaya una probeta de todo el espesor de la sección del material o se dimensiona la probeta basándose en una predicción de la tenacidad a la fractura. Si el valor de la resistencia a la fractura resultante del ensayo no satisface el requisito de la ecuación anterior, el ensayo debe repetirse utilizando una probeta más gruesa. Además de este cálculo del espesor, las especificaciones del ensayo tienen otros requisitos que deben cumplirse (como el tamaño de los labios de cizallamiento) antes de que pueda decirse que un ensayo ha dado lugar a un valor KIC.

Cuando un ensayo no cumple con el espesor y otros requisitos de deformación lisa, el valor de resistencia a la fractura producido recibe la designación Kc. A veces, no es posible producir una probeta que cumpla con el requisito de espesor. Por ejemplo, cuando se ensaya una placa relativamente delgada con alta tenacidad, podría no ser posible producir una probeta más gruesa con condiciones de deformación plana en la punta de la grieta.

Determinación de la curva R, K-REdit

La probeta 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 dúctil de la grieta). Este gráfico de la resistencia a la fractura frente a la longitud de la grieta se denomina curva de resistencia (R). La norma ASTM E561 describe un procedimiento para determinar las curvas de resistencia frente al crecimiento de la grieta en los materiales. Esta norma no tiene una restricción sobre el espesor mínimo del material y, por lo tanto, puede utilizarse para láminas finas, aunque deben cumplirse los requisitos de la LEFM para que el ensayo sea válido. Los criterios de la LEFM establecen esencialmente que la dimensión en el plano tiene que ser grande en comparación con la zona plástica. Existe un concepto erróneo 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 de tensión plana y muestra una tenacidad de fractura de un solo valor, mientras que la sección más delgada falla por fractura de 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 grosor de la sección cambia la morfología de la fractura desde el desgarro dúctil hasta la escisión de la sección fina a la gruesa, en cuyo caso el grosor por sí solo dicta la pendiente de la curva R. Hay casos en los que incluso la fractura por deformación plana se produce en el aumento de la curva R debido a que el modo de fallo es la «coalescencia de microvoides».

La forma más precisa de evaluar la curva K-R es teniendo en cuenta la presencia de plasticidad en función del tamaño relativo de la zona plástica. Para el caso de plasticidad despreciable, se obtiene la curva de carga vs. desplazamiento a partir 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 probeta se descarga en un punto determinado, que puede darse como la relación entre el desplazamiento y la carga para la LEFM. La conformidad 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 una longitud de grieta efectiva. La norma ASTM sugiere dos enfoques alternativos. El primer método se denomina corrección de la zona plástica de Irwin. El enfoque de Irwin describe la longitud efectiva de grieta a eff {{displaystyle a_{text{eff}}.

para ser a eff = a + 1 2 π ( K σ Y S ) 2 {{displaystyle a_{text{eff}}=a+{\frac {1}{2\pi }}left({\frac {K}{sigma _{YS}}\right)^{2}.

El enfoque de Irwin conduce a una solución iterativa ya que K es en sí mismo una función de la longitud de la grieta.

El otro método, a saber, el método de la secante, utiliza la ecuación de conformidad-longitud de la grieta dada por la norma ASTM para calcular la longitud efectiva de la grieta a partir de una conformidad efectiva. La conformidad en cualquier punto de la curva de carga frente al desplazamiento es esencialmente el recíproco de la pendiente de la curva que se produce si la probeta se descarga en ese punto. Ahora la curva de descarga vuelve al origen para el material elástico lineal pero no para el material plástico elástico ya que hay una deformación permanente. La conformidad efectiva en un punto para el caso del plástico elástico se toma como la pendiente de la línea que une el punto y el origen (es decir, la conformidad si el material fuera elástico). Esta compliance efectiva se utiliza para obtener un crecimiento efectivo de la grieta y el resto del cálculo sigue la ecuación

K I = P W B f ( a eff / W , . . . ) {{displaystyle K_{I}={{frac {P}{{cuadrado {W}}B}f(a_{text{eff}}/W,…)}

La elección de la corrección de la plasticidad depende del tamaño de la zona plástica. La norma ASTM que cubre la curva de resistencia sugiere utilizar el método de Irwin es aceptable para una zona plástica pequeña y recomienda utilizar el método Secant 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 de la grieta permitida, la independencia del tamaño de la curva de resistencia no está garantizada. Pocos estudios muestran que la dependencia del tamaño se detecta menos en los datos experimentales para el método Secant.

Determinación de JICEdit

La tasa de liberación de energía de deformación por unidad de superficie de fractura se calcula por el método J-integral que es una integral de la trayectoria del 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 la tenacidad J significa la resistencia del material en términos de la cantidad de energía de tensión necesaria para que crezca una grieta. El valor de la tenacidad JIC se mide para materiales elástico-plásticos. Ahora el valor JIC se determina como la tenacidad cerca del inicio de la extensión de la grieta dúctil (el efecto del endurecimiento por deformación no es importante). El ensayo se realiza con una carga múltiple de cada espécimen a varios niveles y con una descarga. Así se obtiene la conformidad 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 E 1820 de la ASTM, que cubre el ensayo de la integral J. Otra forma de medir el crecimiento de la grieta es marcar la probeta con el tintado térmico o el agrietamiento por fatiga. La probeta se rompe finalmente y la extensión de la grieta se mide con la ayuda de las marcas.

El ensayo así realizado arroja varias curvas de Carga vs Desplazamiento de Apertura de la Boca de la Grieta (CMOD), que se utilizan para calcular J como sigue:-

J = J e l + J p l {\displaystyle J=J_{el}+J_{pl}}

La J elástica lineal se calcula utilizando

J e l = K 2 ( 1 – ν 2 ) E {{displaystyle J_{el}={\frac {K^{2}\left(1-\nu ^{2}\right)}}

y K se determina a partir de K I = P W B B N f ( a / W , . . . ) {\displaystyle K_{I}={\frac {P}{cuadrado} {WBB_{N}}}}f(a/W,…)}

donde BN es el espesor neto para la probeta con ranura lateral e igual a B para la probeta sin ranura lateral

El plástico elástico J se calcula utilizando

J p l = η A p l B N b o {{displaystyle J_{pl}={frac {\eta A_{pl}}{B_{N}b_{o}}}}

Donde η {\displaystyle \eta }

=2 para la probeta SENB

bo es la longitud inicial del ligamento dada por la diferencia entre la anchura y la longitud inicial de la grieta

APl es el área plástica bajo la curva carga-desplazamiento.

Se utiliza una técnica de reducción de datos especializada para obtener un JQ provisional. El valor se acepta si se cumple el siguiente criterio

min ( B , b o ) ≥ 25 J Q σ YS {\displaystyle \min(B,b_{o})\geq {\frac {25J_{Q}}{sigma _{text{YS}}}}}

Determinación de la resistencia al desgarro (ensayo de desgarro de Kahn)Edit

El ensayo de desgarro (por ejemplo, el ensayo de desgarro de Kahn) proporciona una medida semicuantitativa de la tenacidad en términos de resistencia al desgarro. Este tipo de ensayo requiere una muestra más pequeña y, por lo tanto, puede utilizarse para una gama más amplia de formas de productos. El ensayo de desgarro también puede utilizarse para aleaciones de aluminio muy dúctiles (por ejemplo, 1100, 3003), en las que no se aplica la mecánica de fractura elástica lineal.

Métodos de ensayo estándarEditar

Varias organizaciones publican normas relacionadas con las mediciones de la tenacidad a la fractura, a saber, ASTM, BSI, ISO, JSME.

• ASTM C1161 Método de ensayo para la resistencia a la flexión de cerámicas avanzadas a temperatura ambiente
• ASTM E399 Método de ensayo para la tenacidad a la fractura en plano de materiales metálicos
• ASTM E740 Práctica para el ensayo de fractura con probetas de tensión de superficie.
• ASTM E1820 Método de ensayo estándar para la medición de la tenacidad a la fractura
• ASTM E1823 Terminología relativa a los ensayos de fatiga y fractura
• ISO 12135 Materiales metálicos – Método de ensayo unificado para la determinación de la tenacidad a la fractura cuasiestática
• ISO 28079:2009, el método Palmqvist, utilizado para determinar la tenacidad a la fractura para carburos cementados.