Ensayo de charpy

Fractura Frágil
Existe un gran número de materiales que a temperaturas altas o velocidades de deformación pequeñas se deforman plástica o visco-plásticamente, pero que a bajas temperaturas o velocidades de deformación elevadas muestran fractura frágil. Este comportamiento es exhibido por metales con estructura cristalina BCC, polímeros en estado vítreo, vidrios y sales iónicas.
En los casos delos metales BCC por ejemplo, se encuentra que el límite elástico aumenta rápidamente al disminuir la temperatura, lo cual coincide con una transición en la fractura de dúctil a frágil. Este comportamiento suele ser descrito de forma tradicional por medio de la variación de la energía absorbida en el ensayo de resilencia. Para temperaturas superiores a la temperatura de transición. TR, la rotura seproduce generalmente por coalescencia de cavidades y la energía absorbida es elevada. Por el contrario, a temperaturas inferiores a TR, la fractura viene dada por mecanismo frágil (descohesión transgranular, usualmente denominado clivaje, o bien fractura intergranular) y la energía absorbida es pequeña.

Fig. 1.- Energía de fractura por impacto para un acero al carbono

La descohesióntransgranular en los materiales cristalinos ocurre a lo largo de planos cristalográficos bien definidos. Este modo de deformación es favorecido en materiales que presentan límites elásticos elevados, de manera que es difícil producir deformación plástica que reduciría las tensiones delante de las microfisuras responsables del inicio de la fractura.
Existen varios mecanismos que conducen a la formaciónde microfisuras bajo la acción de una carga aplicada. En primer lugar, las microfisuras se pueden generar como consecuencia de un apilamiento de dislocaciones frente a una barrera microestructural, como por ejemplo un borde de grano. Las dislocaciones en la punta del apilamiento están empaquetadas de manera muy densa y esto produce una alta concentración de esfuerzos, de manera que puede llegar aformarse una microfisura en la barrera, o bien nuclearla en el grano vecino. Si el obstáculo es una partícula, por ejemplo un carburo en el caso de los aceros, la alta concentración de tensiones en la punta del apilamiento puede provocar incluso la rotura de la partícula. Finalmente, también es posible que las microfisuras se formen en la intersección de maclas de deformación.

Fig. 2.-Descohesión a través de un plano de la red.

Las microfisuras se propagarán para poder producir la rotura del material siempre y cuando la disminución de energía mecánica que acompaña a la extensión de éstas sea suficiente para compensar la energía adicional que conlleva, tanto la creación de nuevas superficies como la deformación plástica asociada a la fractura. Por consiguiente, todos aquellosparámetros que disminuyan la energía adscrita a las superficies y al trabajo de deformación plástica aumentarán la tendencia a la fractura frágil y provocarán un aumento de la temperatura de transición. Entre estos parámetros cabe citar: tamaño de grano o partículas frágiles grandes, límites elásticos elevados, altas velocidades de deformación, irradiación por neutrones, niveles de impurezas intersticialeselevadas y estados triaxiales de tensiones, tal como ocurre en las entallas.
La temperatura de transición dúctil-frágil puede analizarse mediante el diagrama de Davidenkov, en el cual se representan dos parámetros en función de la temperatura: el límite elástico, que disminuye al aumentar la temperatura, y la tensión crítica para la descohesión transgranular, oc, que es constante.

Fig. 3.-Diagrama de Davidenkov.
La intersección de estas curvas determinan la temperatura de transicíon (TR). Por debajo de esta temperatura, al aumentar la tensión se alcanza antes el valor crítico de clivaje, oc, que es el límite elástico y, por consiguiente, se produce fractura frágil. Por encima de TR, el límite elástico es sobrepasado antes y se tiene fractura dúctil. Si la curva que representa ou...