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Ductilidad

Ensayo de tracción de una aleación de Al-Mg-Si . El estrechamiento local y las superficies de fractura en forma de copa y cono son típicas de los metales dúctiles. Este ensayo d...

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Ensayo de tracción de una aleación de Al-Mg-Si . El estrechamiento local y las superficies de fractura en forma de copa y cono son típicas de los metales dúctiles.
Este ensayo de tracción de una fundición nodular demuestra una baja ductilidad.

La ductilidad es la capacidad de un material para soportar una deformación plástica significativa antes de la fractura cuando se somete a tensión , es decir, cuando el módulo elástico relevante es el de Young ; el equivalente para la deformación bajo compresión volumétrica , es decir, cuando se utiliza el módulo volumétrico , es la maleabilidad . [ 1 ] [ 2 ] Históricamente, los materiales se consideraban maleables si se podían moldear mediante martilleo o laminado. [ 3 ] El plomo es un ejemplo de un material que es sustancialmente más maleable que dúctil. [ 4 ] [ 5 ] La deformación plástica es la distorsión permanente de un material bajo tensión aplicada, a diferencia de la deformación elástica, que es reversible al eliminar la tensión. La ductilidad es un indicador crítico del rendimiento mecánico , particularmente en aplicaciones que requieren que los materiales se doblen, estiren o deformen de otras maneras sin romperse. El grado de ductilidad se puede evaluar cuantitativamente utilizando el porcentaje de elongación a la rotura, dado por la ecuación:

%miL=(lF−l0l0)×100%{\displaystyle \%\mathrm {EL} =\left({\frac {l_{\mathrm {f} }-l_{0}}{l_{0}}}\right)\times 100\%}

dóndelF{\displaystyle l_{\mathrm {f} }}es la longitud del material después de la fractura yl0{\displaystyle l_{0}}es la longitud original antes de la prueba. [ 6 ] [ 7 ] Esta fórmula ayuda a cuantificar cuánto puede estirarse un material bajo tensión antes de fallar, proporcionando información clave sobre su comportamiento dúctil. La ductilidad es una consideración importante en ingeniería y fabricación. Define la idoneidad de un material para ciertas operaciones de fabricación (como el trabajo en frío ) y su capacidad para absorber sobrecargas mecánicas como en un motor. [ 8 ] Algunos metales que generalmente se describen como dúctiles incluyen oro, plutonio, uranio y cobre , mientras que el platino es el más dúctil de todos los metales en forma pura. [ 4 ] Sin embargo, no todos los metales experimentan falla dúctil, ya que algunos experimentan falla frágil en su lugar, como el hierro fundido . Los polímeros generalmente pueden considerarse materiales dúctiles, ya que normalmente permiten la deformación plástica. [ 9 ]

Los materiales inorgánicos, incluyendo una amplia variedad de cerámicas y semiconductores, se caracterizan generalmente por su fragilidad . Esta fragilidad se debe principalmente a sus fuertes enlaces iónicos o covalentes, que mantienen los átomos en una disposición rígida y densamente empaquetada. Dicha estructura reticular rígida restringe el movimiento de los átomos o dislocaciones, esenciales para la deformación plástica. La diferencia significativa en la ductilidad observada entre metales y semiconductores o aislantes inorgánicos puede atribuirse a las características inherentes de cada material, incluyendo la naturaleza de sus defectos, como las dislocaciones, y sus propiedades específicas de enlace químico. En consecuencia, a diferencia de los metales dúctiles y algunos materiales orgánicos con una ductilidad (% EL) de 1,2% a más del 1200%, [ 6 ] los semiconductores inorgánicos frágiles y los aislantes cerámicos suelen mostrar una ductilidad mucho menor a temperatura ambiente . [ 10 ] [ 11 ]

Ciencias de los materiales

El oro es extremadamente dúctil. Se puede estirar hasta formar un hilo monoatómico y luego estirarlo aún más antes de que se rompa. [ 12 ]

La ductilidad es especialmente importante en el trabajo de metales , ya que los materiales que se agrietan, se rompen o se fracturan bajo tensión no pueden manipularse mediante procesos de conformado de metales como el martillado , el laminado , el trefilado o la extrusión . Los materiales maleables pueden conformarse en frío mediante estampado o prensado , mientras que los materiales frágiles pueden fundirse o termoformarse .

La alta ductilidad se debe a los enlaces metálicos , que se encuentran predominantemente en los metales; esto lleva a la percepción común de que los metales son dúctiles en general. En los enlaces metálicos, los electrones de la capa de valencia están deslocalizados y se comparten entre muchos átomos. Estos electrones deslocalizados permiten que los átomos metálicos se deslicen unos sobre otros sin estar sujetos a fuertes fuerzas repulsivas que causarían la fractura de otros materiales.

La ductilidad del acero varía según sus componentes de aleación. El aumento de los niveles de carbono disminuye la ductilidad. Muchos plásticos y sólidos amorfos , como la plastilina , también son maleables. El metal más dúctil y maleable es el oro. [ 13 ] [ 14 ] Cuando se estiran mucho, estos metales se deforman mediante la formación, reorientación y migración de dislocaciones y maclas cristalinas sin un endurecimiento apreciable. [ 15 ]

Cuantificación

Definiciones básicas

Las cantidades comúnmente utilizadas para definir la ductilidad en una prueba de tracción son el alargamiento relativo (en porcentaje, a veces denotado comoεF{\displaystyle \varepsilon _ {\mathrm {f} }}) y reducción de área (a veces denominada comoq{\displaystyle q}) en la fractura. [ 16 ] La deformación de fractura es la deformación de ingeniería a la que se fractura una muestra de ensayo durante un ensayo de tracción uniaxial . El porcentaje de elongación, o deformación de ingeniería en la fractura, se puede escribir como: [ 6 ] [ 17 ] [ 18 ]

%miL=longitud de calibre final - longitud de calibre iniciallongitud de calibre inicial=lF−l0l0⋅100%{\displaystyle \%\mathrm {EL} ={\frac {\text{longitud final del calibre - longitud inicial del calibre}}{\text{longitud inicial del calibre}}}={\frac {l_{\mathrm {f} }-l_{0}}{l_{0}}}\cdot 100\%}

La reducción porcentual del área se puede escribir como: [ 17 ] [ 18 ]

%RA=cambio en el áreaárea original=A0−AFA0⋅100%{\displaystyle \%\mathrm {RA} ={\frac {\text{cambio en el área}}{\text{área original}}}={\frac {A_{0}-A_{\mathrm {f} }}{A_{0}}}\cdot 100\%}

donde el área de interés es el área de la sección transversal del calibre de la muestra.

Según Shigley's Mechanical Engineering Design , [ 8 ] 'significativo' denota una elongación de aproximadamente el 5,0 por ciento.

Efecto de las dimensiones de la muestra

Un punto importante con respecto al valor de la ductilidad (deformación nominal en la rotura) en un ensayo de tracción es que suele presentar una dependencia de las dimensiones de la muestra. Sin embargo, un parámetro universal no debería presentar dicha dependencia (y, de hecho, no existe dependencia para propiedades como la rigidez, el límite elástico y la resistencia a la tracción máxima ). Esto se debe a que la deformación (desplazamiento) medida en la fractura suele incorporar contribuciones tanto de la deformación uniforme que ocurre hasta el inicio del estrechamiento como de la deformación posterior del cuello (durante la cual hay poca o ninguna deformación en el resto de la muestra). La importancia de la contribución del desarrollo del cuello depende de la "relación de aspecto" (longitud/diámetro) de la longitud de referencia, siendo mayor cuando la relación es baja. Este es un efecto geométrico simple, que ha sido claramente identificado. Se han realizado estudios experimentales [ 19 ] y exploraciones teóricas [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] del efecto, principalmente basados ​​en el modelado mediante el Método de Elementos Finitos (MEF). Sin embargo, no es algo que se aprecie universalmente y, dado que el rango de dimensiones de las muestras de uso común es bastante amplio, puede dar lugar a variaciones muy significativas (de hasta 2 o 3 veces) en los valores de ductilidad obtenidos para el mismo material en diferentes ensayos.

Una representación más precisa de la ductilidad se obtendría identificando la deformación al inicio del estrechamiento, la cual debería ser independiente de las dimensiones de la muestra. Este punto puede ser difícil de identificar en una curva de tensión-deformación (nominal), ya que el pico (que representa el inicio del estrechamiento) suele ser relativamente plano. Además, algunos materiales (frágiles) se fracturan antes del inicio del estrechamiento, por lo que no se observa ningún pico. En la práctica, para muchos fines es preferible realizar otro tipo de ensayo, diseñado para evaluar la tenacidad (energía absorbida durante la fractura), en lugar de utilizar los valores de ductilidad obtenidos en ensayos de tracción.

En términos absolutos, los valores de "ductilidad" carecen prácticamente de sentido. La deformación real en el cuello en el punto de fractura no guarda relación directa con el valor absoluto obtenido de la curva nominal de tensión-deformación; la deformación real en el cuello suele ser considerablemente mayor. Asimismo, la tensión real en el punto de fractura suele ser superior al valor aparente según el gráfico. La carga suele disminuir a medida que se desarrolla el cuello, pero el área de la sección transversal en el cuello también disminuye (de forma más pronunciada), por lo que la tensión real en ese punto aumenta. No existe una forma sencilla de estimar este valor, ya que depende de la geometría del cuello. Si bien la deformación real en el punto de fractura es un indicador fiable de "ductilidad", no se puede obtener fácilmente mediante un ensayo de tracción convencional.

La reducción de área (RA) se define como la disminución del área de la sección transversal en el cuello (generalmente obtenida mediante la medición del diámetro en uno o ambos extremos fracturados), dividida por el área de la sección transversal original. A veces se afirma que este es un indicador más fiable de la "ductilidad" que el alargamiento a la rotura (en parte reconociendo que este último depende de la relación de aspecto de la longitud de referencia, aunque esta dependencia dista mucho de ser universalmente aceptada). Hay algo de cierto en este argumento, pero la RA aún está lejos de ser un parámetro realmente significativo. Una objeción es que no es fácil de medir con precisión, particularmente con muestras que no son de sección circular. Más fundamentalmente, se ve afectada tanto por la deformación plástica uniforme que tuvo lugar antes del estrangulamiento como por el desarrollo del mismo. Además, es sensible a lo que sucede exactamente en las últimas etapas del estrangulamiento, cuando la deformación real suele ser muy alta y el comportamiento tiene una importancia limitada en términos de una definición significativa de resistencia (o tenacidad). Nuevamente, se ha estudiado ampliamente este tema. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

Coeficiente de Poisson

Richard Christensen, doctor en mecánica de la ingeniería, sostiene que la ductilidad en un material isotrópico puede cuantificarse en términos del coeficiente de Poisson . [ 27 ] En particular, manipula la fórmula para convertir el módulo de compresibilidad K de un material en módulo de cizallamiento G mediante el coeficiente de Poisson ν para determinar una cantidad de "ductilidad" D :

GRAMOK=321−2ν1+νdi:=(1−1−2ν1+ν)2D:=3di2−2di3=−35ν4(5ν2−2ν−1)(ν+1)6{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {G}{K}}&={\frac {3}{2}}{\frac {1-2\nu }{1+\nu }}\\d_{i}&:=\left(1-{\frac {1-2\nu }{1+\nu }}\right)^{2}\\D&:=3d_{i}^{2}-2d_{i}^{3}=-{\frac {3^{5}\nu ^{4}\left(5\nu ^{2}-2\nu -1\right)}{(\nu +1)^{6}}}\end{aligned}}}

d i , el "índice de ductilidad" intermedio, implica eliminar el término 3/2 para normalizar la relación a que normalmente esté entre 1,0 y 0,5 (ya que ν suele estar entre 0 y 0,5), tomar la diferencia de 1 para que se escale hacia arriba en lugar de hacia abajo, y luego elevarla al cuadrado para que D sea más fácil de calcular en términos de ella. Debido a que esta fórmula se basa parcialmente en la falsa suposición de que ν siempre es positivo, los materiales auxéticos , como el grafeno defectuoso , tendrán D positivo , es decir, más ductilidad que un material con ν = 0; los valores más "normales" tendrán valores de ductilidad que se correlacionan directamente con el coeficiente de Poisson (por lo que un valor más alto de uno implica un valor más alto del otro, y viceversa). Para los materiales no auxéticos que estudió Christensen, esta cuantificación de la ductilidad parece ser razonablemente cercana a otras heurísticas populares para cuantificarla.

Temperatura de transición dúctil-frágil

Aspecto esquemático de barras metálicas redondas después de un ensayo de tracción. (a) Fractura frágil (b) Fractura dúctil (c) Fractura completamente dúctil

Los metales pueden sufrir dos tipos de fractura: fractura frágil o fractura dúctil. La propagación de la falla es más rápida en los materiales frágiles debido a la capacidad de los materiales dúctiles para sufrir deformación plástica. Por lo tanto, los materiales dúctiles pueden soportar mayor tensión debido a su capacidad para absorber más energía antes de la falla que los materiales frágiles. La deformación plástica da como resultado que el material siga una modificación de la ecuación de Griffith , donde la tensión crítica de fractura aumenta debido al trabajo plástico requerido para extender la grieta, que se suma al trabajo necesario para formar la grieta; trabajo que corresponde al aumento de la energía superficial que resulta de la formación de una superficie de grieta adicional. [ 28 ] La deformación plástica de los metales dúctiles es importante, ya que puede ser un signo de la posible falla del metal. Sin embargo, el punto en el que el material exhibe un comportamiento dúctil en lugar de uno frágil no solo depende del material en sí, sino también de la temperatura a la que se aplica la tensión. La temperatura en la que el material cambia de frágil a dúctil o viceversa es crucial para el diseño de productos metálicos portantes. La temperatura mínima a la que un metal pasa de un comportamiento frágil a uno dúctil, o viceversa, se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil (TTDF). Por debajo de la TTDF, el material no puede deformarse plásticamente y la velocidad de propagación de grietas aumenta rápidamente, lo que provoca una fractura frágil acelerada. Además, la TTDF es importante porque, una vez que un material se enfría por debajo de ella, tiene una mayor tendencia a romperse por impacto en lugar de doblarse o deformarse (fragilización a baja temperatura ). Por lo tanto, la TTDF indica la temperatura a la que, a medida que disminuye la temperatura, la capacidad de un material para deformarse dúctilmente disminuye y, por consiguiente, la velocidad de propagación de grietas aumenta drásticamente. En otras palabras, los sólidos son muy frágiles a temperaturas muy bajas y su tenacidad aumenta considerablemente a temperaturas elevadas.

Para aplicaciones más generales, se prefiere un DBTT más bajo para asegurar que el material tenga un rango de ductilidad más amplio. Esto garantiza que se inhiban las grietas repentinas y se eviten fallas en el cuerpo metálico. Se ha determinado que cuantos más sistemas de deslizamiento tenga un material, mayor será el rango de temperaturas en el que exhibe comportamiento dúctil. Esto se debe a que los sistemas de deslizamiento permiten un mayor movimiento de las dislocaciones cuando se aplica una tensión al material. Por lo tanto, en materiales con una menor cantidad de sistemas de deslizamiento, las dislocaciones a menudo se anclan por obstáculos, lo que conduce al endurecimiento por deformación, que aumenta la resistencia del material y lo vuelve más frágil. Por esta razón, las estructuras fcc (cúbicas centradas en las caras) son dúctiles en un amplio rango de temperaturas, las estructuras bcc (cúbicas centradas en el cuerpo) son dúctiles solo a altas temperaturas y las estructuras hcp (hexagonales compactas) suelen ser frágiles en amplios rangos de temperaturas. Esto conlleva que cada una de estas estructuras tenga un rendimiento diferente al acercarse a la falla (fatiga, sobrecarga y agrietamiento por tensión) bajo diversas temperaturas, y muestra la importancia de la DBTT para seleccionar el material correcto para una aplicación específica. Por ejemplo, el zamak 3 exhibe buena ductilidad a temperatura ambiente, pero se fractura al ser impactado a temperaturas bajo cero. La DBTT es una consideración muy importante al seleccionar materiales que están sometidos a esfuerzos mecánicos. Un fenómeno similar, la temperatura de transición vítrea , ocurre con vidrios y polímeros, aunque el mecanismo es diferente en estos materiales amorfos . La DBTT también depende del tamaño de los granos dentro del metal, ya que, por lo general, un tamaño de grano más pequeño conduce a un aumento en la resistencia a la tracción, lo que resulta en un aumento de la ductilidad y una disminución de la DBTT. Este aumento en la resistencia a la tracción se debe a que los tamaños de grano más pequeños dan como resultado un endurecimiento de los límites de grano dentro del material, donde las dislocaciones requieren una tensión mayor para cruzar los límites de grano y continuar propagándose por todo el material. Se ha demostrado que al continuar refinando los granos de ferrita para reducir su tamaño, de 40 micras a 1,3 micras, es posible eliminar por completo la DBTT, de modo que nunca se produzca una fractura frágil en el acero ferrítico (ya que la DBTT requerida estaría por debajo del cero absoluto). [ 29 ]

En algunos materiales, la transición es más abrupta que en otros y generalmente requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura . Por ejemplo, en materiales con una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc), la DBTT es fácilmente perceptible, ya que el movimiento de las dislocaciones helicoidales es muy sensible a la temperatura porque la reorganización del núcleo de la dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede ser problemático para aceros con alto contenido de ferrita . Esto provocó graves grietas en los cascos de los buques Liberty en aguas frías durante la Segunda Guerra Mundial , causando muchos hundimientos. La DBTT también puede verse influenciada por factores externos como la radiación de neutrones , que conduce a un aumento de los defectos internos de la red y una disminución correspondiente de la ductilidad y un aumento de la DBTT.

El método más preciso para medir la DBTT de un material es mediante ensayos de fractura . Normalmente, se realizan ensayos de flexión de cuatro puntos a diferentes temperaturas en barras pre-fisuradas de material pulido. Generalmente, se utilizan dos ensayos de fractura para determinar la DBTT de metales específicos: el ensayo Charpy con entalla en V y el ensayo Izod . El ensayo Charpy con entalla en V determina la capacidad de absorción de energía de impacto o tenacidad de la muestra midiendo la diferencia de energía potencial resultante de la colisión entre una masa en un péndulo en caída libre y la entalla en V mecanizada en la muestra, lo que provoca que el péndulo la atraviese. La DBTT se determina repitiendo este ensayo a diferentes temperaturas y observando cuándo la fractura resultante cambia a un comportamiento frágil, lo que ocurre cuando la energía absorbida disminuye drásticamente. El ensayo de impacto Izod difiere del ensayo de impacto Charpy en que la muestra se sostiene en una configuración de viga en voladizo en lugar de una configuración de flexión de tres puntos. [ 30 ]

En experimentos realizados a temperaturas más elevadas, la actividad de las dislocaciones aumenta. A cierta temperatura, las dislocaciones protegen la punta de la grieta de tal manera que la velocidad de deformación aplicada no es suficiente para que la intensidad de la tensión en la punta de la grieta alcance el valor crítico de fractura (K iC ). La temperatura a la que esto ocurre es la temperatura de transición dúctil-frágil. Si los experimentos se realizan a una velocidad de deformación mayor, se requiere una mayor protección de las dislocaciones para evitar la fractura frágil , y la temperatura de transición aumenta.

Véase también

Lecturas adicionales

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  • "Ductilidad - ¿Qué es un material dúctil?" . Energía nuclear . Consultado el 14 de noviembre de 2020 .

Referencias

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  • Paquete de enseñanza y aprendizaje de DoITPoMS: "La transición dúctil-frágil"