Fractura dúctil

Fractura dúctil
Rafael Gómez Pardo
La fractura dúctil de un metal tiene lugar después de una intensa deformación plástica.
Si consideramos una probeta redonda y se aplica un esfuerzo a la probeta tal que exceda su
resistencia máxima a la tensión, y se mantiene suficiente tiempo, la probeta se fracturará. En
la práctica, las fracturas dúctiles son menos frecuentes que las frágiles, y su principal causa es
el exceso de carga aplicado a la pieza, que puede ocurrir como resultado de un diseño erróneo,
una fabricación inadecuada o un abuso (someter la pieza a niveles de carga por encima del
soportado).
Llegado a un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de
la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección diametral, momento a partir del
cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona.
Esta zona de sección reducida es la que se conoce con el nombre de estricción.
El alargamiento de rotura, εu(%), es el incremento de longitud producido en una
probeta de acero una vez finalizado el ensayo de tracción. Se determina juntando los dos
trozos de material ensayado generados tras la rotura y midiendo, sobre una longitud
previamente establecida, múltiplo del diámetro de la sección inicial, el aumento de longitud
que se ha producido, expresado en porcentaje. El valor de dicho múltiplo varía de unos países
a otros. En España se toma igual a 5 diámetros.
La ductilidad del acero aumenta con el incremento del alargamiento.
La reducción en área también se determina a partir de las mitades rotas de la muestra
bajo tensión, midiendo para ellos el área transversal mínima y con la fórmula:
A0=área transversal original
A1=área transversal final
El índice de tenacidad, Id, es un índice adimensional para cuantificar la ductilidad del
acero. Relaciona la energía total absorbida por el acero durante el ensayo de tracción hasta la
rotura, suma de la energía elástica y plástica, con la energía elástica, es decir:
siendo:
EE la energía elástica, en N/mm2
EP la energía plástica, en N/mm2
La ductilidad del acero aumenta con el incremento del índice de tenacidad.
La curva de tracción que se obtiene para una rotura dúctil es del tipo de la siguiente:
La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación.
Realmente, las tensiones no disminuyen hasta la rotura, que es lo que aparece representado en
la última parte de la curva, en el tramo descendiente, sino que lo que se representa es el
cociente de la fuerza aplicada (que siempre va creciendo) entre la sección inicial, y cuando se
produce la estricción la sección disminuye, con lo cual la curva ya no tiene los mismos
valores de referencia, efecto que no se tiene en cuenta en la representación gráfica.
Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas,
rompiéndose la probeta de forma brusca.
En un ensayo de tracción puede observarse que la fractura dúctil empieza con
nucleación, crecimiento y coalescencia de microvacíos en el centro del espécimen. Se forman
microvacíos cuando una tensión elevada causa la separación del material en los bordes de
grano o en las interfases entre metal e inclusiones. Conforme aumenta la tensión local, los
microvacíos crecen y se agrupan formando cavidades mayores. Finalmente el área de contacto
metal-metal es demasiado pequeña para soportar la carga y se produce la fractura.
La deformación por deslizamiento contribuye a la fractura dúctil de un metal. Se sabe
que el deslizamiento se produce cuando el esfuerzo cortante resultante alcanza un valor
crítico. Estos esfuerzos son más elevados según planos que forman un ángulo de 45º en
relación con la tracción aplicada.
Estos dos aspectos de la fractura dúctil le dan a la superficie de rotura unas
características especiales. En secciones gruesas de metal, son de esperar evidencias de
estricción, una porción importante de la superficie de fractura aplanada, ya que ahí primero
empezaron los microvacíos a nuclearse y a agruparse, y un pequeño labio de corte, donde la
superficie de fractura forma un ángulo de 45º con el esfuerzo aplicado. El labio de corte,
indicando que se produjo deslizamiento, le da a la fractura una apariencia de copa y cono. La
simple observación macroscópica de esta fractura puede ser suficiente para identificar el
modo de fractura dúctil.
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