Temperatura de transición dúctil-frágil

Nota del editor: Los valores de DBTT que figuran en este artículo son rangos aproximados basados en la bibliografía más citada. Los valores reales dependen de factores como la composición química, el tratamiento térmico, el tamaño del grano y las condiciones de ensayo. Estos datos tienen únicamente carácter de referencia general y no deben utilizarse para el diseño técnico sin contrastarlos con informes específicos de ensayos de materiales.

Descripción de la transición de dúctil a frágil

La temperatura de transición de dúctil a frágil marca el punto en el que los materiales pasan de un comportamiento dúctil a uno frágil, lo cual es crucial para la selección de materiales en ingeniería. Stanford Advanced Materials suministra una amplia gama de metales y aleaciones con propiedades mecánicas documentadas.

Comprender la transición de dúctil a frágil

La temperatura de transición de dúctil a frágil (DBTT) es una propiedad fundamental de los materiales, especialmente de los metales y las aleaciones. Indica la temperatura por debajo de la cual un material se comporta de manera frágil, fracturándose sin una deformación plástica significativa.

Importancia de la DBTT en la ciencia de los materiales

Comprender la DBTT es esencial para que los ingenieros puedan garantizar la fiabilidad y la seguridad de las estructuras y los componentes, en particular aquellos expuestos a condiciones de temperatura variables.

Determinación de la temperatura de transición

La determinación de la DBTT implica analizar la respuesta del material a la tensión a diferentes temperaturas. La transición se establece a menudo mediante métodos de ensayo estandarizados.

1. Ensayo de impacto Charpy con muesca en V: es el método más habitual para determinar la DBTT. Las probetas se someten a ensayo a una serie de temperaturas y se registra la energía de impacto absorbida. Al trazar un gráfico de la energía absorbida en función de la temperatura se obtiene una curva sigmoidea a partir de la cual se identifica la DBTT.
2. Ensayode tenacidad a la fractura (K_IC): Este método mide la resistencia del material a la propagación de grietas a diversas temperaturas. La temperatura de transición suele definirse en función de un valor umbral de tenacidad a la fractura.
3. Ensayo de desgarro por caída de peso (DWTT): Este ensayo evalúa la resistencia del material a la fractura frágil en condiciones de carga dinámica y se utiliza a menudo en la homologación del acero para tuberías.
4. Criterios de determinación: El DBTT no es un valor único fijo, sino que se define por convención. Entre los criterios habituales se incluyen: (a) la temperatura a la que la energía de impacto absorbida desciende hasta un nivel especificado (por ejemplo, 27 J para los aceros), o (b) la temperatura a la que la superficie de fractura presenta un 50 % de morfología frágil (clivaje) y un 50 % de morfología dúctil (fibrosa).

Curvas que ilustran la transición

La DBTT se representa habitualmente mediante curvas de tenacidad a la fractura en función de la temperatura, que muestran la relación entre la temperatura y la capacidad del material para absorber energía antes de fracturarse.

Nivel superior: La región de temperatura en el extremo de alta temperatura de la curva de transición, donde el material absorbe la máxima energía antes de la fractura y muestra un comportamiento totalmente dúctil (fractura por cizallamiento). La tenacidad es alta y relativamente estable.

Nivel inferior: La región de temperatura en el extremo de baja temperatura, donde el material absorbe una energía mínima y falla por clivaje frágil. La tenacidad es baja y relativamente insensible a la temperatura.

Rango de transición: El intervalo de temperaturas en el que el material pasa de un comportamiento de «estante inferior» a uno de «estante superior». Este rango se caracteriza típicamente por un fuerte aumento de la energía absorbida a medida que aumenta la temperatura. La DBTT se define convencionalmente como una única temperatura dentro de este rango, dependiendo del criterio específico utilizado.

Ejemplos de metales y aleaciones

Los distintos metales y aleaciones presentan diferentes DBTT en función de su composición y microestructura.

Aleaciones de acero

• Los aceros con bajo contenido en carbono (p. ej., A36) suelen tener DBTT más bajos, normalmente en el rango de -10 °C a +10 °C, debido a su microestructura de ferrita-perlita y a su menor dureza.
• Los aceros de carbono medio presentan DBTT intermedios, en el rango de 0 °C a +30 °C, lo que refleja su mayor resistencia en comparación con los grados de bajo carbono.
• Los aceros de alto contenido en carbono presentan las temperaturas de transición DBTT más elevadas entre los aceros al carbono (de +20 °C a +60 °C), ya que su dureza y su contenido en carburos favorecen la fractura frágil. El refinamiento del grano y la aleación con elementos como el níquel y el manganeso pueden reducir eficazmente la temperatura de transición DBTT del acero.

Aceros inoxidables

El comportamiento de la DBTT de los aceros inoxidables depende de su estructura cristalina. Los aceros inoxidables austeníticos (p. ej., 304, 316) poseen una estructura cúbica centrada en las caras (FCC) y no presentan una transición de dúctil a frágil hasta temperaturas criogénicas. Esto los convierte en el material de elección para aplicaciones a baja temperatura y criogénicas. Por el contrario, los aceros inoxidables ferríticos (p. ej., 430) tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y sí presentan un DBTT, normalmente en el intervalo de -10 °C a +10 °C, que varía en función del tamaño del grano y del historial de procesamiento.

Aleaciones de aluminio

El aluminio y sus aleaciones poseen una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) y no presentan una DBTT definida dentro de los rangos de temperatura habituales en ingeniería. De hecho, su ductilidad y tenacidad suelen mejorar a medida que desciende la temperatura, lo que los convierte en opciones excelentes para aplicaciones criogénicas, como los tanques de almacenamiento de gas natural licuado (GNL).

Aleaciones de titanio

El titanio y sus aleaciones presentan una DBTT que se ve fuertemente influenciada por elementos intersticiales como el oxígeno y el nitrógeno, así como por los elementos de aleación. El titanio puro comercial, con niveles muy bajos de impurezas intersticiales, suele presentar una DBTT en el rango de entre -50 °C y 0 °C. Sin embargo, un mayor contenido de oxígeno o nitrógeno puede elevar la DBTT de forma significativa, en algunos casos por encima de la temperatura ambiente. Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en aplicaciones aeroespaciales en las que se requiere un equilibrio entre resistencia mecánica, ductilidad y resistencia a la fatiga.

Cobre y aleaciones de cobre

El cobre, que tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC), no presenta una DBTT definida en condiciones normales de ingeniería. Su ductilidad se mantiene generalmente incluso a temperaturas criogénicas, lo que hace que las aleaciones de cobre sean adecuadas para aplicaciones a baja temperatura, como intercambiadores de calor y equipos criogénicos.

Tungsteno

El tungsteno, un metal con estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC), presenta una de las temperaturas de transición de deformación (DBTT) más altas entre los metales estructurales. En el caso del tungsteno puro, la DBTT suele oscilar entre +400 °C y +550 °C, dependiendo del tamaño del grano, la pureza y la deformación previa. Sin embargo, mediante aleación (por ejemplo, con renio) o modificación microestructural (por ejemplo, dopaje con potasio), la DBTT puede reducirse significativamente hasta situarse en el intervalo de +250 °C a +400 °C, lo que permite su uso en aplicaciones a alta temperatura, como los componentes expuestos al plasma en reactores de fusión.

Tabla de temperaturas de transición de dúctil a frágil

Nota sobre los polímeros: La tabla anterior no incluye los polímeros (por ejemplo, polietileno, policarbonato, PTFE, polipropileno). En el caso de los polímeros amorfos y semicristalinos, la fragilización a baja temperatura está relacionada con la temperatura de transición vítrea (Tg), y no con la temperatura de transición de dúctil a frágil. Los mecanismos subyacentes difieren fundamentalmente de los de los materiales metálicos, por lo que el concepto de DBTT no es directamente aplicable a los polímeros. Para obtener más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas frecuentes

¿Qué es la temperatura de transición de dúctil a frágil?
La DBTT es la temperatura por debajo de la cual un material (normalmente metales con estructura cúbica centrada en el cuerpo o hexagonal compacta) pasa de un comportamiento dúctil a uno frágil, fracturándose predominantemente por clivaje con poca o ninguna deformación plástica. No se trata de una constante universal del material, sino que depende de los métodos de ensayo, la geometría de la probeta y las condiciones de carga.

¿Por qué es importante la DBTT en ingeniería?
La DBTT ayuda a los ingenieros a seleccionar los materiales adecuados para aplicaciones sometidas a temperaturas variables, con el fin de garantizar la seguridad y la fiabilidad.

¿Cómo se mide la DBTT?
La DBTT se mide normalmente mediante el ensayo de impacto Charpy con muesca en V en un rango de temperaturas. La energía absorbida y el porcentaje de fractura frágil se representan gráficamente en función de la temperatura. A continuación, la DBTT se define utilizando un criterio específico, como la temperatura a la que la energía absorbida alcanza un valor umbral (por ejemplo, 27 J) o la temperatura a la que la superficie de fractura presenta un 50 % de fractura frágil.

¿Pueden los elementos de aleación afectar a la DBTT?
Sí, la adición de elementos de aleación puede aumentar o disminuir el DBTT, dependiendo de su efecto sobre la microestructura del material.

¿Qué metales tienen la DBTT más baja?
Los metales de estructura cúbica centrada en las caras (FCC), como el aluminio, el cobre, el níquel y los aceros inoxidables austeníticos, no presentan una DBTT definida dentro de los rangos de temperatura habituales en ingeniería. Mantienen la ductilidad hasta temperaturas criogénicas y, por lo tanto, se considera que tienen el DBTT «más bajo» o que carecen de él. Entre los metales de estructura cúbica por caras (BCC) que sí presentan un DBTT, los aceros de baja aleación con adiciones de níquel y estructuras de grano refinado pueden alcanzar DBTT muy bajos, a menudo por debajo de -60 °C.

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