ingeniería

TEMA 6

Capítulo 6
Mecánica de la Fractura y
Tenacidad

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6. Mecánica de la fractura y tenacidad
1.
2.
3.
4.
5.

TEMA 6

Introducción
Fractura frágil
Fractura dúctil
Tenacidad en materiales ingenieriles
Fatiga

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1

TEMA 6

Fractura y Tenacidad
La mayoría de los materiales
estructurales presentan un
comportamiento mixto:
Deforman elásticamente por
debajo dellímite elástico

Stress

YS

Energía plástica

Deformación elástica + plástica
por encima del límite elástico

Recuperación
elástica

Strain

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Fractura y tenacidad

TEMA 6

Algunos materiales reaccionan a la aplicación de
cargas creando nuevas superficies
Rompen

Free surface

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2

Fractura y tenacidad

TEMA 6

Diferentes formas de reacción a las cargas(energía):
– Respuesta elástica
Rigidez
(reversible)
– Respuesta plástica
Dureza
(disipando energía)
– Fractura (creando nuevas
Tenacidad
superficies)
Tenacidad es la capacidad de los materiales para absorber
energía antes de romper
Materiales tenaces: se deforman plásticamente (la mayoría de los metales)
Materiales frágiles: sin o casi sin deformación plástica (cerámicas, vidrio)

Gc:Energía de fractura (J/m2)

Fractura y tenacidad

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TEMA 6

• La fractura (propagación de grietas ocurre fundamentalmente
a tracción)
• La propagación de grietas consume energía
– Creando nuevas superficies
– Deformando plásticamente el material bajo tensión
• La propagación de grietas libera energía elástica (las
superficies libres no transmiten cargas).
• La energía para lapropagación proviene de la relajación
elástica.
• Se deben alcanzar tensiones suficientemente altas en la punta
de la grieta para romper los enlaces.

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TEMA 6

2. Fractura frágil

2.1. Tensión ideal
• La fractura frágil se da a lo largo de los planos cristalinos, cuando la
tensión aplicada es suficiente para romper los enlaces.

Tensión como función del desplazamiento x=(r-r0)2πσ *
 2πx   dσ 
, 
 =
λ
 λ   dx  x =0

σ = σ sin 
*

1
 dσ   dε 
 dσ 
   = E⋅
 =

r0
 dx  x =0  dε  x =0  dx  x =0

σ =
*

2. Fractura frágil

λE
E
≈
2πr0
2π

(1)
(2)

(3)
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TEMA 6

2.1. Tension ideal
• El valor que se obtiene para σ* con la ecuación (3) es aprox. E/10,
es decir, 5~50 GPa en metales y cerámicas y 0.1~1 GPa enpolímeros. Sin embargo:
– Los valores medidos de la tensión de fractura van de ~10 MPa a unos
pocos GPa, es decir, los valores reales son del orden del ~1% de la
tensión ideal.

• Esto ocurre porque la tensión de fractura depende de la presencia
de defectos en el material. El material se rompe:
– Nucleando (iniciando) grietas en defectos ya existentes
– Propagándolas y creando nuevassuperficies libres. Para este proceso se
consume energía.
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TEMA 6

2. Fractura frágil

2.2. La importancia de los defectos preexistentes en el material
• A.A. Griffith (1920):
– Midió la resistencia a fractura de fibras de vidrio y encontró que su
resistencia variaba de forma inversamente proporcional a su diámetro.
– Propuso que la fractura se inicia en defectos preexistentes en elmaterial, cuto tamaño es proporcional al diámetro de la fibra

Surface of the fibre

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TEMA 6

2. Fractura frágil

2.2. La importancia de los defectos preexistentes en el material
• La tensión de fractura σf no sólo depende del material sino también
del tamaño de los defectos (tamaño de la muestra ensayada)
– Whiskers (filamentos muy finos, casi sin defectos): tienen altísimasresistencias a fractura (muy cercanas a la ideal)

Material

σf (GPa)

E

E/σf

Fibra SiO2

24.1

97

4

Whisker Fe

13.1

295

23

Whisker Si

6.5

166

26

10

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TEMA 6

2. Fractura frágil

2.3. Concentración de tensiones
• Las esquinas, los defectos y las grietas concentran las tensiones
σ
w

≠

σ
w

• Inglis (1913) calculó las tensiones en...