ASTM E399: Evaluación de la tenacidad en metales y aleaciones

¿Qué es la tenacidad a la fractura?

Latenacidad a la fractura se refiere a la capacidad de un material para resistir la extensión de grietas preexistentes. A diferencia de la resistencia a la tracción simple, que determina la fuerza necesaria para deformar un material, la tenacidad a la fractura se refiere a la respuesta del material cuando éste ya contiene un defecto o una grieta.

En la práctica, una elevada tenacidad a la fractura permite a los metales y aleaciones resistir las tensiones de funcionamiento sin que se produzcan fallos de naturaleza catastrófica. Esta propiedad es especialmente importante en aplicaciones estructurales en las que un fallo tendría consecuencias importantes, como en aviones, puentes o recipientes a presión. Por otro lado, una baja tenacidad a la fractura hace que los materiales sean propensos a la fractura frágil, que puede producirse repentinamente y con poca o ninguna deformación previa.

Qué es ASTM E399

Propósito y objetivos

Lanorma ASTM E3 99 tiene por objeto determinar la tenacidad a la fractura por deformación interplanar (K_IC) de los metales. Las condiciones de deformación plana se consiguen utilizando probetas gruesas de tal forma que en la punta de la grieta exista la condición de tensión controlada y no la condición de flexión controlada. La norma proporciona resultados reproducibles y comparables necesarios para el diseño, la selección de materiales y el control de calidad.

Procedimiento de ensayo

La prueba ASTM E399 requiere algunos pasos críticos para alcanzar la reproducibilidad y la precisión:

1. 1. Preparación de la muestra:

Las muestras se mecanizan a las dimensiones deseadas y se crea una pre-fisura por fatiga. Esto asegura la iniciación reproducible de la grieta y la distribución de la tensión con uniformidad.

2. 2. Carga:

La probeta se somete a carga en un dispositivo de ensayo mecánico y se somete a una carga controlada y creciente. El ensayo se lleva a cabo normalmente en condiciones de control del desplazamiento, de forma que la iniciación de la grieta pueda detectarse con precisión.

3. Medición y cálculo:

Cuando la grieta comienza a propagarse, se registra la carga crítica. La tenacidad a la fractura por deformación plana (K_IC) se calcula a partir de la carga aplicada y la geometría de la probeta utilizando ecuaciones estándar.

Aplicaciones en metales y aleaciones

La norma ASTM E399 tiene amplias aplicaciones en sectores metálicos en los que se requiere que los componentes metálicos resistan la propagación de grietas cuando se someten a tensión. Entre ellos se incluyen:

- Aeroespacial: Realización de ensayos de tenacidad a la fractura de álabes de turbina, fuselaje y material del tren de aterrizaje.

- Automoción: Pruebas de resistencia de bloques de motor, chasis y componentes de suspensión.

- Construcción e infraestructuras: Evitar que vigas de acero, tuberías y aleaciones estructurales pierdan su integridad bajo condiciones.

- Energía e industrias nucleares: Realización de ensayos de metales de reactores, recipientes a presión y tuberías para evitar fallos.

Con su suministro de datos precisos sobre la tenacidad a la fractura, la norma ASTM E399 hace posible que los ingenieros seleccionen correctamente las aleaciones adecuadas, realicen un diseño óptimo y garanticen la seguridad.

Factores que influyen en la tenacidad

Hay varios factores que influyen en la tenacidad a la fractura medida del metal y la aleación:

- Microestructura: Las dimensiones de la microestructura, como el tamaño del grano, la distribución de las fases y las inclusiones, pueden tener un enorme potencial para aumentar o disminuir la tenacidad. Los granos pequeños y equiaxiales aumentan la resistencia al crecimiento de grietas.

- Temperatura: Todos los metales se vuelven más frágiles a baja temperatura, lo que reduce los valores de K_IC. Las temperaturas más altas también ablandan los materiales, con una resistencia a la fisuración variable.

- Velocidad de carga: Las cargas aplicadas más rápidamente pueden reducir la tenacidad aparente, ya que los materiales tienen menos tiempo para deformarse plásticamente.

- Geometría de la probeta: El espesor y la longitud de las grietas influyen en las condiciones de deformación plana; los cambios pueden alterar los valores de K_IC medidos.

Es importante conocer estas variables para el análisis de los resultados de los ensayos y para el uso de los datos en el diseño de ingeniería real.

Preguntas más frecuentes

¿Para qué se utiliza la norma ASTM E399?

La norma ASTM E399 mide la tenacidad a la fractura en deformación plana de los materiales metálicos, es decir, su capacidad para resistir la extensión de las grietas.

¿Por qué es importante la tenacidad a la fractura en metales y aleaciones?

Determina la resistencia a la tensión del material sin que se produzca un fallo repentino, lo que garantiza la seguridad y fiabilidad de las aplicaciones de alto riesgo.

¿Cómo se realiza el ensayo ASTM E399?

Se realiza el preagrietamiento de las muestras, la carga controlada y la determinación de K_IC a partir de la carga crítica y la geometría de la probeta.

¿En qué industrias se utiliza habitualmente la norma ASTM E399?

Se aplica de forma generalizada en las industrias aeroespacial, automovilística, de la construcción, energética y nuclear allí donde la integridad estructural es una cuestión de máxima prioridad.

¿Cuáles son las variables que pueden afectar a los resultados de las pruebas?

La microestructura, la temperatura, la velocidad de carga y la geometría de la probeta afectan a los ensayos de tenacidad a la fractura.