Resistencia a la fractura: Aumento de la resistencia de los materiales

La tenacidad a la fractura

Latenacidad a la frac tura es una propiedad crítica de la ciencia de los materiales que describe la capacidad de un material para resistir el crecimiento de grietas. Es necesaria para predecir el fallo bajo tensión en estructuras y evitar fallos catastróficos en estructuras de ingeniería.

Factores críticos que influyen en la tenacidad a la fractura

- Ductilidad: Los materiales que pueden sufrir deformación plástica (como los metales) tienden a poseer una mayor tenacidad a la fractura.

- Microestructura: El tamaño del grano, la composición de las fases y los defectos pueden afectar a la tenacidad a la fractura. Los materiales con estructura de grano fino tienden a ser más duros.

- La temperatura: La tenacidad a la fractura depende de la temperatura. Algunos materiales se vuelven más resistentes a bajas temperaturas (por ejemplo, los metales se fracturan por fragilidad a temperaturas muy bajas (criogénicas)).

- Procesamiento y refuerzo: El proceso de fabricación (por ejemplo, fundición, forja, sinterización) y el refuerzo (por ejemplo, fibras, estabilizadores) pueden mejorar la tenacidad a la fractura.

Dureza a la fractura y variación de materiales

La tenacidad a la fractura varía mucho de un material a otro debido a las diferencias de composición, microestructura y procesamiento. Esta es la forma en que la tenacidad a la fractura puede variar entre materiales:

1. Metales

Los metales tienen una alta tenacidad a la fractura en comparación con la cerámica y los polímeros. La capacidad de los metales para deformarse plásticamente (ductilidad) es uno de los factores que contribuyen a su tenacidad. Algunos ejemplos:

-Acero: Los aceros al carbono pueden tener una tenacidad a la fractura de 50-150 MPa-m½, mientras que las aleaciones más resistentes, como los aceros de alta resistencia y baja aleación, pueden tener una tenacidad a la fractura superior a 200 MPa-m½.

-Aleaciones de aluminio: Típicamente tienen menor tenacidad a la fractura (30-60 MPa-m½) en comparación con los aceros, pero el peso ligero y la resistencia a la corrosión del aluminio lo hacen muy adecuado para aplicaciones específicas.

2. Polímeros

Los polímeros son menos resistentes a la fractura que los metales, pero pueden diseñarse para aplicaciones específicas.

- Termoplásticos: Suelen tener una mayor resistencia a la fractura debido a su capacidad para deformarse bajo carga. Por ejemplo, el policarbonato puede presentar valores de 30-70 MPa-m½.

- Termoestables: Tienden a ser más frágiles y a tener una menor tenacidad a la fractura. Los epoxis, por ejemplo, podrían revelar valores tan bajos como 20 MPa-m½ a menos que estén reforzados.

3. Cerámicas

Los materiales cerámicos suelen ser frágiles, es decir, poseen una baja tenacidad a la fractura, aunque sus propiedades pueden variar mucho en función de su composición y procesamiento.

- Alúmina: ampliamente utilizada como cerámica de ingeniería, la alúmina tiene una tenacidad a la fractura de 3-5 MPa-m½.

- Circonio: También llamada cerámica de alta resistencia a la fractura, la circonia puede tener una resistencia a la fractura de entre 5 y 15 MPa-m½, especialmente cuando está estabilizada con itria.

- Nitruro de silicio: Cerámica que puede ser sometida a abrasión, ampliamente utilizada en la industria y en aplicaciones aeroespaciales, se sabe que el nitruro de silicio tiene valores de entre 5 y 7 MPa-m½ para su tenacidad a la fractura.

4. Materiales compuestos

Los materiales compuestos, es decir, los compuestos de matriz cerámica o los polímeros reforzados con fibras, pueden tener rangos extremadamente amplios de valores de tenacidad a la fractura en función de los materiales de la matriz y del refuerzo.

- Materiales compuestos reforzados con fibra: La tenacidad a la fractura de un compuesto de fibra de carbono, por ejemplo, puede oscilar entre 20 y 100 MPa-m½ en función de la orientación y el tipo de fibra.

- Materiales compuestos de matriz cerámica: Estos poseen la resistencia a altas temperaturas de la cerámica junto con la mayor tenacidad de las fibras de refuerzo para ofrecer una tenacidad a la fractura en el rango de 10 a 30 MPa-m½.

5. Vidrio

El vidrio suele ser frágil, con una tenacidad a la fractura muy baja en comparación con los metales y la cerámica. La tenacidad a la fractura de la mayoría de los materiales de vidrio será de alrededor de 0,5 a 1 MPa-m½, pero ciertos vidrios diseñados (por ejemplo, vidrio laminado o templado) tendrán valores ligeramente superiores.

6. Hormigón

El hormigón es un material compuesto con una tenacidad a la fractura relativamente baja, pero no inferior a la de los metales o los polímeros. La tenacidad a la fractura del hormigón suele oscilar entre 0,5 y 1,5 MPa-m½, pero puede incrementarse con la inclusión de fibras u otros aditivos.

Métodos de ensayo de la tenacidad a la fractura

La tenacidad a la fractura debe evaluarse adecuadamente para los materiales. Se emplean varios métodos de ensayo normalizados:

Ensayo de impacto Charpy

Un péndulo golpea una probeta entallada, con la energía absorbida durante la fractura. Proporciona una medición rápida de la tenacidad, pero es menos preciso para un análisis detallado.

Ensayo de tracción compacta (CT)

Incluye carga de tracción en una probeta entallada, de modo que el parámetro de tenacidad a la fractura, como KICK_{IC}, puede medirse con precisión.

Ensayo de flexión con entalla de un solo borde (SENB)

Se dobla una probeta con entalla de un solo borde hasta que se rompe y proporciona datos sobre la resistencia del material al avance de la grieta.

Ensayo de flexión en tres puntos

Similar al ensayo SENB pero apoyado en tres puntos, este ensayo ayuda a determinar la tenacidad a la fractura en condiciones de carga de flexión.

Indentación instrumentada

Las complicadas técnicas de indentación permiten estimar la tenacidad a la fractura a partir de la reacción del material bajo deformación controlada.

Preguntas más frecuentes

¿Qué es la tenacidad a la fractura?

La tenacidad a la fractura es una medida de la capacidad de un material para resistir el crecimiento de grietas, manteniendo la integridad estructural bajo carga.

¿Por qué aumentar la resistencia a la fractura?

Aumentar la tenacidad a la fractura evita fallos inesperados del material, garantizando la seguridad y fiabilidad en diferentes aplicaciones.

¿Qué materiales suelen presentar una alta tenacidad a la fractura?

Las aleaciones de acero y titanio, así como algunos materiales compuestos, presentan una elevada tenacidad a la fractura.

¿Cómo influye la temperatura en la tenacidad a la fractura?

Los cambios de temperatura pueden alterar la tenacidad de un material, que suele disminuir a baja temperatura y aumentar a alta temperatura.

¿En qué se diferencia la tenacidad a la fractura de la dureza?

La tenacidad a la fractura evalúa la resistencia al crecimiento de grietas, mientras que la dureza evalúa la resistencia a la deformación superficial y a la indentación.