Fractura Fragil Ductil Fatiga Load

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MECANICA DE LA FRACTURA

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MECANICA DE LA FRACTURA

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FRACTURA SIMPLE

• Separación de un cuerpo en dos o mas piezas en respuesta a una tensión aplicada estática (constante o cambia lentamente con el tiempo), y a temperaturas relativamente bajas comparadas a la temperatura de fusión del material.

• La tensión aplicada puede ser de tracción, compresión, cizalladura o torsión.

• Existen dos tipos de fractura: SIMPLE y FRAGIL

• Esta clasificación se basa en la capacidad

del material para experimentar deformación plástica con alta absorción de energía antes de la fractura.

FRACTURAS

Frágil Dúctil

Tens

ión

Deformación

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FRACTURAS

• La ductilidad se puede cuantificar en términos del porcentaje del alargamiento y de la reducción de área:

• En la ductilidad también es una función de la temperatura, velocidad de deformación y el estado de las tensiones.

• Cualquier proceso de fractura esta compuesto por dos etapas:

• Formación y• Propagación de una fisura – en respuesta a una tensión aplicada

• El modo de fractura dependerá del mecanismo de propagación de la grieta.

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FRACTURAS

• La fractura Dúctil se caracteriza por :

• Mucha deformación plástica en la vecindad de la grieta que avanza.

• El proceso es lento a medida que la grieta se extiende• Una grieta de este tipo se suele decir que es estable, o sea que

resiste a su extensión a menos que la tensión se incremente.

• Se pueden encontrar evidencias de deformación plástica apreciable en la superficie de la fractura

• La fractura Frágil se caracteriza por:

• Las grietas se extienden de forma rápida• Muy poca deformación plástica (inestables)• Una vez iniciada la grieta continua espontáneamente sin aumento

en la tensión aplicada.

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FRACTURA DUCTIL

(a) Fractura muy dúctil en la cual la probeta se estricciona hasta llegar a un punto.

(b) Fractura moderadamente dúctil después decierta estricción.

(c) Fractura frágil sin ninguna deformación plástica.

• A continuación se muestran esquemáticamente dos perfiles microscópicos de la fractura:

La configuración arriba mostrada se encuentra en metales muy blandos a temperatura ambiente (Ag y Pb) y en otros metales a temperatura elevada (polimeros y vidrios inorgánicos). Estos materiales son muy dúctiles y se rompen al reducirse la estriccion a un punto, presentándose la reducción de área virtualmente a 100%

La segunda figura es la mas común, fractura a tracción en materiales dúctiles, la fractura es precedida por una cantidad moderada de estriccion.

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FRACTURA FRAGIL

• El tipo mas común de fractura a tracción en materiales dúctiles se representa a continuación:

(a)Estricción inicial(b)Formación de pequeñas cavidades(c) La colescencia de cavidades forma una grieta(d) Propagación de la grieta(e) Fractura final por cizallamiento a un ángulo de 45° respecto a la dirección

de la tensión.

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FRACTURA DUCTIL

Fractura de copa y cono en aluminio Fractura frágil en Acero

• Con un examen microscópico se conocen mas a detalle los mecanismos de fractura (fractografia)

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a) Fractografia SEM mostrando cavidades b) Fractografia SEM mostrando cavidadescaracterísticas de fractura dúctil originada parabólicas características de la por cargas axiales fractura dúctil por cargas de

cizalladura.

FRACTURA DUCTIL

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FRACTURA DUCTIL

Superficie con fractura frágil mostrando crestas radiales en forma de abanico.La flecha indica el origen de la grieta

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Ocurre sin apreciable deformación plástica y por rápida propagación de la grieta

La superficie de fractura tiende a ser perpendicular a la dirección de tracción máxima (tensión principal máxima)

Los detalles característicos de esta fractura son los siguientes:

Cualquier signo de deformación plástica esta ausente Algunas piezas de acero forman marcas en forma de V cerca del

centro de la fractura las cuales apuntan hacia el lugar de iniciación. Otras superficies presentan líneas o crestas que irradian desde el

origen de la fractura simulando un abanico Para metales duros o de grano muy pequeño no se puede mostrar

una distribución de marcas de fracturas La fractura Frágil para materiales amorfos como vidrios cerámicos

producen superficies lisas y brillantes.

FRACTURA FRAGIL

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• La mayoría de los materiales cristalinos frágiles la propagación de la grieta se debe a la sucesiva y repetida rotura en los enlaces atómicos a lo largo de los planos cristalográficos (descohesion) o Fractura Transgranular.

• Si la propagación de la grieta ocurre a lo largo de los bordes del grano se le llama Intragranular.

Fractura Transgranular.Las grietas propagan cortando los

granos

Fractura Intergranular.Las grietas propagan a lo largo de la

fronterade grano.

FRACTURA FRAGIL

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Fracturas transgranular:Acero ensayado a 77 K

FRACTURA FRAGIL

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MECANICA DE LA FRACTURA

• La resistencia a la fractura de un material sólido esta en función de las fuerzas cohesivas existentes entre los átomos.

• La resistencia a la fractura experimental es entre 10 y 1000 veces menor a la teórica en la mayoría de los materiales.

• Griffith propuso que esta discrepancia se podía explicar por la presencia de grietas microscópicas las cuales existen en condiciones normales en la superficie y en el interior del material.

• Suponiendo que la grieta tiene forma elíptica y esta orientada con su eje mayor perpendicular a la tensión aplicada, se puede aproximar la tensión máxima en el extremo de la grieta:

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σ0 = Magnitud de la tensión nominal aplicadaρ t = Radio de la curvatura de la punta de la grietaa = Longitud de una grieta superficial (o mitad de la longitud de

una grieta interna)

A menudo el cociente es conocido como Factor de

Concentración de tensiones Kt

El cual es una media del grado con que una tensión externa es amplificada en el

extremo de una grieta pequeña.

Griffith propuso que en todos los materiales frágiles existen fisuras y defectos

Pequeños con gran variedad de tamaños, geometrías y orientaciones

FRACTURA

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La teoría de Griffith para la fractura frágil dice que durante la propagación de una grieta se produce la LIBERACION DE ENERGIA DE DEFORMACION ELASTICA, lo cual indica que parte de la energía es almacenada en el material cuando es deformado elásticamente.

Donde:E = Modulo de elasticidadγs = Energía superficial especifica

a = Mitad de la longitud de una grieta interna

FRACTURA

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FRACTURA

• En la década de los 50’s G.R Irwin propuso incorporar ambos términos γs

y γp en un único termino:

Llamada ENERGIA DISPONIBLE PARA LA FRACTURA

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FATIGA

Forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a tensiones dinámicas yfluctuantes (ejem: puentes, aviones, componentes de maquinas)

Bajo estas circunstancias, la fractura puede ocurrir a nivel de tensión sensiblementemenor que la resistencia a la tracción o el limite elástico correspondiente a una cargaelástica.

El termino FATIGA es utilizado debido a que este tipo de fractura normalmente ocurredespués de un periodo largo de tensiones repetidas o deformaciones cíclicas.

La fatiga es la causa aproximadamente del 90% de las roturas metálicas, es unafalla catastrófica, insidiosa y ocurre súbitamente sin aviso.

Este tipo de rotura tiene un aspecto frágil aun en metales que son normalmente dúctiles, no hay deformación plástica importante asociada a la rotura.

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FATIGA

Limite de Fatiga (Resistencia a la fatiga)

Las graficas S-N muestran que cuantomayor es la magnitud de la tensiónmenor es el numero de ciclos queel material es capaz de aguantar

antes de romperse.

Debajo del limite de fatiga la rotura noocurrirá, este limite representa el mayorvalor de la tensión fluctuante que no producirá la rotura en un numeroinfinito de ciclos.

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FATIGA

0 C0

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FATIGA

Iniciación y Propagación de la Grieta

El proceso de rotura por fatiga se caracteriza por 3 etapas distintas:

▪ Iniciación de la grieta▪ Propagación de la grieta▪ Rotura final

Esta ultima ocurre rápidamente una vez que la grieta alcanzo su tamaño critico

La vida a fatiga Nf es el numero total de ciclos hasta la fractura y esta considerada como:

Donde Ni es el numero de ciclos para iniciación de la grieta Y Nf para la propagación de la grieta

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FATIGA

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FATIGA

• La velocidad de la propagación de la grieta

• Bajo la influencia de tensiones cíclicas las grietas se forman y propagan de forma inevitable, produciendo la rotura.

• La vida de un componente estructural puede relacionarse con la velocidad de crecimiento de la grieta.

• Existen técnicas experimentales para medir la longitud de la grieta durante la aplicación de tensiones cíclicas, estas produce una grafica de la longitud de la grieta a frente al numero de ciclos N.

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• Donde

A y m son constantes para un determinado material, estos dependen de la frecuencia,

y cociente de tensiones.

∆K es el intervalo del factor de intensidad de tensiones en la punta de la grieta

o

FATIGA

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FATIGA

• Una de las metas del análisis de fracturas es el ser capaz de predecir la vida a fatiga para

algunos componentes, conociendo las condiciones de servicio y resultados de ensayos de laboratorio.

• De esta manera se desarrolla la siguiente formula:

• Los limites de la integral son el tamaño de la grieta inicial a0, la cual se mide con un

método no destructivo y la longitud critica de la grieta ac la cual se determina a partir de la tenacidad de la fractura.

• Sustituyendo ∆K tenemos:

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FATIGA

• Factores que afectan la vida a Fatiga

• Tensión media: Aumentando la tensión media conduce a una disminución de la vida a fatiga esto se observa en las graficas S-N.

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FATIGA

• Factores de Diseño: El diseño de un componente puede tener una influencia significativa en sus caracteristicas de fatiga, cualquier entalla o discontinuidad geometrica puede actuar como concentrador de tensiones y como lugar donde se genere la grieta de fatiga (acanaladuras, orificios, ranuras de chaveta, roscars y otros).

• Tratamientos superficiales: Durante las operaciones de mecanizado se producen pequeñas rayaduras y surcos en la superficie.

• Endurecimiento Superficial: Tecnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de aceros aleados.

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FATIGA

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Dudas…

Preguntas??

Bibliografía

Callister, William D. JrMaterial Science and Engineering. An Introduction7th Edition 2006