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Fractura frágil y dúctil
8 Fractura frágil frágil y dúctil Como se expuso en el capítulo 1, los mecanismos de fractura suelen clasificarse en frágiles o dúctiles según la deformación plástica que acompaña a la rotura: una gran cantidad de deformación plástica suele estar asociada con la fractura dúctil, mientras que lo opuesto es sinónimo de fractura frágil. En el caso de los metales la fractura ocurre comúnmente por uno de los siguientes mecanismos: a) b) c)
Fractura dúctil Descohesión transgranular (clivaje) Fractura intergranular
En la figura 8.1 se muestran de forma esquemática estos mecanismos. En todos los casos, el proceso de fractura puede ser dividido en varias etapas: nucleación de microfisuras o de cavidades, crecimiento a nivel microestructural de las cavidades o de las microfisuras, coalescencia y localización de la deformación, y crecimiento de las microfisuras hasta la rotura final.
Fig. 8.1 Principales mecanismos de fractura de los metales: a) Fractura dúctil. b) Clivaje. c) Fractura intergranular
Los mecanismos implícitos a la rotura frágil serán descritos y analizados en detalle a continuación, en el apartado 8.1. La fractura dúctil, que generalmente ocurre por nucleación, crecimiento y coalescencia de cavidades hasta formar una grieta que se propaga, será considerada más adelante, en el apartado 8.2.
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Fractura de materiales
8.1 Fractura frágil Existe un gran número de materiales que a temperaturas altas o velocidades de deformación pequeñas se deforman plástica o visco-plásticamente, pero que a bajas temperaturas o velocidades de deformación elevadas muestran fractura frágil. Este comportamiento es exhibido por metales con estructura cristalina BCC, polímeros en estado vítreo, vidrios y sales iónicas. En el caso de los metales BCC, por ejemplo, se encuentra que el límite elástico aumenta rápidamente al disminuir la temperatura, lo cual coincide con una transición en la fractura de dúctil a frágil. Este comportamiento suele ser descrito de forma tradicional por medio de la variación de la energía absorbida en el ensayo de resiliencia (Fig. 8.2). Para temperaturas superiores a la temperatura de transición, T R, la rotura se produce fundamentalmente por coalescencia de cavidades y la energía absorbida es elevada. Por el contrario, a temperaturas inferiores a T R, la fractura viene dada por un mecanismo frágil (descohesión transgranular, usualmente denominado clivaje, o bien fractura intergranular) y la energía absorbida es pequeña.
Fig. 8.2 Energía de fractura por impacto para un acero al carbono
La descohesión transgranular en los materiales cristalinos ocurre a lo largo de planos cristalográficos bien definidos (Fig. 8.3). Este modo de deformación es favorecido en materiales que presentan límites elásticos elevados, de manera que es difícil producir deformación plástica que reduciría las tensiones delante de las microfisuras responsables del inicio de la fractura. Existen varios mecanismos que conducen a la formación de microfisuras bajo la acción de una carga aplicada. En primer lugar, las microfisuras se pueden generar como consecuencia de un apilamiento de dislocaciones frente a una barrera microestructural, como por ejemplo un borde de grano. Las dislocaciones en la punta del apilamiento están empaquetadas de manera muy densa y esto produce una alta concentración de esfuerzos, de manera que puede llegar a formarse una microfisura en la barrera, o bien nuclearla en el grano vecino. Si el obstáculo es una partícula, por ejemplo un carburo
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