¿Qué materiales de propiedades conocidas tienen la mejor resistencia a la fractura?

Introducción

La tenacidad a la fractura es un valor que indica la energía que puede absorber un material antes de fracturarse. Científicos e ingenieros se basan en esta cifra para elegir materiales para puentes, aviones y herramientas cotidianas. Vamos a hablar de varias categorías de materiales en términos sencillos y de cómo reaccionan cuando se produce una acumulación de tensiones.

Metales y aleaciones: Campeones de la tenacidad

Los metales tienen un largo historial de uso en el que la tenacidad a la fracturaes necesaria y extremadamente alta. Es probable que muestren una muy buena relación resistencia-ductilidad.

- Acero martensítico envejecido: Muestra una tenacidad a la fractura de 100-200 MPa√m. Es muy dúctil con alta resistencia y se emplea para piezas de alto rendimiento y componentes estructurales.

- Aceros de alta tenacidad: Estos aceros ofrecen alrededor de 80-150 MPa√m. Estos aceros son resistentes al crecimiento de grietas bajo un cuidadoso control de la microestructura y se emplean en aplicaciones en las que la fiabilidad es la clave.

- Aleaciones de Titanio (Titanio-6Aluminio-4Vanadio): Con valores de 55-110 MPa√m, estas aleaciones se utilizan ampliamente debido a su bajo peso y resistencia a la corrosión. Se utilizan mucho en la fabricación de aviones y en dispositivos médicos.

- Vidrios Metálicos: Estos tienen alrededor de 80-100 MPa√m. Poseen deformación localizada por cizallamiento como resultado de su carácter amorfo, lo que conduce a su inusual mezcla de resistencia y tenacidad.

Los metales son propensos a ser los mejores en tenacidad a la fractura porque sus átomos pueden reordenarse cuando se les somete a tensión. Este reordenamiento atenúa las grietas y distorsiona la energía antes de un fallo catastrófico.

Cerámica: Los más resistentes entre los materiales frágiles

Los materiales cerámicos son muy conocidos por su resistencia a altas temperaturas. Sin embargo, no son tan resistentes a la fractura como los metales. Los ingenieros han trabajado incansablemente para aumentar la resistencia de la cerámica.

- Zirconia estabilizada con itria (Y-TZP): Tiene una tenacidad a la fractura de 10-15 MPa√m. Utiliza el endurecimiento por transformación, en el que una alteración mínima de la estructura cristalina lo hace más resistente al crecimiento de grietas.

- Zirconia-Toughened Alumina (ZTA): Con valores de alrededor de 7-10 MPa√m, la ZTA representa una mejora de la alúmina pura con ventajas tanto de la circonia como de la alúmina juntas.

Las cerámicas simples, como el carburo de silicio, la alúmina simple e incluso el diamante, presentan valores más duros. El endurecimiento por transformación, la formación de puentes entre microfisuras y la inclusión de partículas de segunda fase que ralentizan o detienen el crecimiento de las fisuras son los métodos de endurecimiento más significativos en este caso.

Materiales compuestos: Resistencia direccional

Los materiales compuestos combinan dos o más materiales diferentes en uno solo. Esto puede transferir propiedades como la resistencia a la fractura a necesidades específicas.

- Materiales compuestos reforzados con fibra de carbono: Poseen valores de tenacidad a la fractura en torno a 20-40 MPa√men la dirección de las fibras. Su resistencia y ligereza son la razón de su uso en el sector aeroespacial y en equipos deportivos de alto rendimiento.

- Composites de aramida y composites reforzados con fibra de vidrio: Tienen un coste en torno a 10-20 MPa√m. Los paneles de automoción y los equipos de protección los utilizan debido a su razonable compromiso entre tenacidad y gasto económico.

- Composites híbridos: Con la explotación de las diferentes fibras, los composites híbridos ofrecen una tenacidad a medida. Los compuestos híbridos aprovechan las mejores características de cada material.

Los mecanismos por los que estos compuestos se vuelven resistentes al crecimiento de grietas incluyen la extracción de fibras, la formación de puentes y la desviación de grietas. Estos mecanismos ralentizan el avance de la grieta a medida que se desplaza por el material, mejorando la tenacidad en general.

Materiales superlativos/avanzados

No todos los materiales avanzados siguen las tendencias habituales de tenacidad.

- El diamante: Debido a su dureza, el diamante tiene una tenacidad a la fractura bastante baja, de aproximadamente 5 MPa√m. Esto significa que se astilla o se rompe en determinadas condiciones aunque sea muy duro en la superficie.

- Cerámicas y compuestos nanoestructurados: Se están probando experimentalmente para ver si pueden endurecerse. La estructura fina puede cerrar el paso a las grietas.

- Metales mejorados con grafeno o nanocompuestos metálicos: es probable que la investigación en ambos campos dé sus frutos. Estos materiales de nueva generación combinan metales con propiedades a nanoescala o grafeno. Los primeros indicios apuntan a una dureza y resistencia extraordinarias.

Los materiales de alto rendimiento siguen marcando pautas en cuanto a resistencia a la fractura. Su desarrollo puede conducir a diseños más seguros y eficientes en el futuro.

Conclusión

Los materiales con alta tenacidad a la fractura están en el centro de una gran mayoría de aplicaciones de ingeniería. Los metales y las aleaciones son los líderes en tenacidad debido a su capacidad para deformarse ligeramente cuando se someten a carga, embotando las puntas de las grietas antes de su extensión. Actualmente, las cerámicas, aunque tradicionalmente frágiles, mejoran mediante mecanismos de endurecimiento. Los compuestos aportan tenacidad direccional y los materiales avanzados son prometedores en el horizonte. Cada grupo tiene sus méritos y sus inconvenientes. Para más comparaciones y listas de materiales, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

F: ¿Qué mide la tenacidad a la fractura?

P: Es una medida de cuánta energía puede soportar un material antes de agrietarse.

F: ¿Por qué se utilizan metales en aplicaciones de alta tenacidad?

P: Los metales tienen la capacidad de deformarse en la punta de la grieta, inhibiendo su crecimiento.

F: ¿Pueden utilizarse los materiales cerámicos en entornos de alta tensión?

P: Sí, aunque emplean mecanismos como el endurecimiento por transformación para aumentar la resistencia.