Fractura de Materiales
Tipos de Fractura Frágil
Los tipos de fractura frágil son: transgranular e intergranular.
Tenacidad a la Fractura
La tenacidad a la fractura es la propiedad que mide la resistencia de un material a la fractura frágil en presencia de una grieta. Sus unidades son MPa√m.
Fractura Simple
Una fractura simple es la separación de un cuerpo en dos o más piezas en respuesta a una tensión estática y a temperaturas relativamente bajas.
Etapas de la Fractura
- Formación de una fisura
- Propagación de una fisura
Tipos de Fractura
Fractura Dúctil
- Gran deformación plástica y alta absorción de energía.
- Mucha deformación plástica en la vecindad de la grieta que avanza, observable en las superficies de fractura.
- Propagación lenta de grietas.
- Se suele denominar grietas estables, ya que se resisten a su extensión a menos que se aumente la tensión.
- Es siempre preferida porque es lenta, avisa y requiere un aumento de energía de deformación.
- La mayoría de los metales son dúctiles, es decir, sufren este tipo de fractura.
Fractura Frágil
- Poca deformación plástica y baja absorción de energía.
- Las grietas se extienden rápidamente.
- Se produce poca deformación plástica.
- Las grietas son inestables.
- Una vez que se inicia la grieta, se extiende espontáneamente sin aumentar la tensión.
- Ocurre súbita y catastróficamente, sin síntomas previos.
- La presentan las cerámicas y algunos polímeros.
- La dirección del movimiento de la grieta es perpendicular a la tensión.
- La superficie de fractura es relativamente plana.
Mecánica de la Fractura
Fractura Frágil en Materiales Dúctiles
- Surge porque los materiales dúctiles se pueden fracturar de manera frágil.
- Se cuantifica la relación entre las propiedades de los materiales, los niveles de tensión, la presencia de defectos y los mecanismos de propagación de grietas.
- La tensión se amplifica en la punta de un defecto en un grado que es función de la orientación y geometría de la grieta.
Efecto de los Concentradores de Tensión
El efecto de un concentrador de tensión es más significativo en materiales frágiles que en materiales dúctiles. En materiales dúctiles, al excederse el límite elástico, ocurre deformación plástica, lo que produce una distribución de la tensión en la vecindad del concentrador y resulta en un factor de concentración de tensiones máximo menor al valor teórico.
Balance Energético en la Propagación de Grietas
- Se libera energía elástica almacenada durante la deformación.
- Se forman nuevas superficies, lo que incrementa la energía superficial.
Fatiga de Materiales
- Es la primera causa de la rotura de materiales, aproximadamente el 90% de las roturas metálicas.
- Es catastrófica y ocurre súbita y sin aviso.
- Es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas a un periodo prolongado de tensiones dinámicas y fluctuantes, donde la fractura ocurre a un nivel de tensión significativamente menor que el límite elástico.
- Por convención, los esfuerzos de tensión son positivos y los de compresión negativos.
- La superficie de rotura por fatiga tiene un aspecto frágil, sin deformación plástica importante.
- El proceso ocurre por iniciación y propagación de fisuras, y la superficie de fractura es perpendicular a la dirección de la tensión aplicada.
Diagramas de Fases Binarios
Diagrama de Fases Binario Isomórfico
Un diagrama de fases binario es isomórfico cuando las fases presentes en el sistema son completamente miscibles en cualquier proporción, sin límites o regiones separadas donde los componentes sean inmiscibles o formen compuestos intermedios.
Reacción Eutéctica en el Diagrama Pb-Sn
La reacción invariante en el diagrama de fases Pb-Sn se denomina eutéctica. Esta reacción ocurre a una temperatura específica y muestra la formación de una fase líquida que se solidifica simultáneamente en dos fases sólidas distintas. En el caso del diagrama Pb-Sn, la reacción invariante es la formación de la aleación eutéctica, que consiste en la coexistencia de la fase α (plomo sólido) y la fase β (estaño sólido) junto con la fase líquida. Durante la solidificación de la aleación eutéctica, la composición de las fases sólidas α y β se mantiene constante, mientras que la fase líquida se solidifica a la misma temperatura.
Reacciones Trifásicas Importantes en Diagramas Binarios
Las cinco reacciones trifásicas más importantes en diagramas de fases binarios son: eutéctica, peritéctica, monotéctica, eutectoide y peritectoide.
Transformación Eutéctica en Aleaciones Cobre-Plata
El rango de aleaciones que sufrirán la transformación eutéctica en el diagrama de fases cobre-plata se encuentra entre el límite de solubilidad del cobre y el límite de solubilidad de la plata. En este rango, la aleación se solidificará simultáneamente en dos fases distintas durante la transformación eutéctica.
Diagrama Fe-C y Aleaciones Férreas
Perlita en el Diagrama Fe-C
La perlita no es una fase del diagrama Fe-C, sino una microestructura formada por las fases de ferrita y cementita. La ferrita tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y la cementita tiene una estructura cristalina ortorrómbica.
Estructura del Hierro a Temperatura Ambiente
La estructura del hierro a temperatura ambiente es BCC (ferrita).
Definición de Acero
El acero es una aleación férrea con un contenido de carbono menor o igual al límite máximo de saturación de carbono en austenita.
Elementos Aleantes Gammágenos
Un elemento aleante gammágeno de un acero es el Níquel, que permite una estructura austenítica a temperatura ambiente, aumentando la tenacidad y resistencia al impacto.
Estructura Perlítica del Acero
La estructura perlítica es una microestructura característica del acero que se forma durante el enfriamiento lento de la austenita. Consiste en capas alternas de ferrita y cementita. La ferrita es una fase blanda y dúctil, mientras que la cementita es una fase dura y frágil.
Transición de Solubilidad en Aleaciones Cu-Ni (según el texto original)
Según el diagrama, la transición de una solución sólida ilimitada a una solución sólida limitada en aleaciones Cu-Ni ocurre en la composición de aproximadamente el 77% en peso de cobre (Cu) y 23% de níquel (Ni). Esta composición se conoce como la composición eutéctica. La temperatura asociada es de aproximadamente 1143 °C.
Diferencia entre Aleación de Níquel y Níquel Puro
Según la gráfica, la principal diferencia entre la aleación de Níquel y el Níquel puro es que el Níquel puro tiene un menor módulo de elasticidad.
Mejor Acero para Condiciones de 0°C
Según la gráfica, el mejor acero para condiciones de 0°C es el de 0.67% de carbono, ya que es el que a menor temperatura presenta un mayor módulo de elasticidad.
Factores que Afectan la Solubilidad
La solubilidad varía con la temperatura y el estado alotrópico.
Clasificación de Aleaciones Férreas
- Hierros: Microestructura de ferrita.
- Aceros: Microestructura de ferrita + cementita.
- Fundiciones: Ej. Fundición blanca.
Curvas de Bain
Las curvas de Bain determinan la temperatura de transformación eutectoide y la concentración de carbono en la austenita.
Elementos Aleantes: Alfágenos y Gammágenos
- Alfágenos: Elementos que estabilizan alotrópicamente el Fe BCC formando solución sólida (ej. Si, W, Mo, Ti).
- Gammágenos: Elementos que estabilizan alotrópicamente el Fe FCC formando solución sólida (ej. C, N, Mn, Ni, Co).
Aceros Eutectoides y Reacción Eutectoide
Los aceros eutectoides se caracterizan por la formación de perlita en las aleaciones hierro-carbono. La reacción eutectoide es:
γ(0.77%C) → α(0.022%C) + Fe₃C(6.70%C)
La perlita está compuesta por aproximadamente 11.25% de cementita y 88.75% de ferrita.
Fase vs. Constituyente
- Una fase se refiere a una región homogénea y distinta dentro de un material con propiedades físicas y químicas uniformes, independientemente de su estado.
- Un constituyente es un componente específico que forma parte de una fase. Por ejemplo, en una aleación de acero, el hierro y el carbono son constituyentes de la fase sólida.
Aceros Hipoeutectoides e Hipereutectoides
- Los aceros hipoeutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido de carbono inferior al del eutectoide (0.77%).
- Los aceros hipereutectoides son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido de carbono entre 0.77% y 2.11%.
Conceptos Fundamentales en Ciencia de Materiales
Fase Pre-eutéctica en Aleaciones Ag-Cu
En una aleación 5% Ag-Cu a 400°C, la fase pre-eutéctica es la fase α (alfa), que consiste principalmente en cobre (Cu). La fase α se forma antes de alcanzar la temperatura eutéctica, que es la temperatura a la cual ocurre la reacción eutéctica y se forma la aleación eutéctica de Ag-Cu. La fase α es una fase sólida con una estructura cristalina específica y una composición química determinada, en este caso, con una concentración de plata (Ag) del 5% y el resto de cobre (Cu).
Glosario de Términos Clave
- Componente
- Metal o compuesto que forma parte de una aleación.
- Sistema
- Serie de posibles aleaciones consistentes en los mismos componentes, pero sin referirse a las proporciones de los componentes de la aleación.
- Sistema homogéneo: Sistema con una fase.
- Sistema heterogéneo: Sistema con más de una fase.
- Fase
- Región de un material que tiene, bajo condiciones de equilibrio, las siguientes características:
- Tiene la misma estructura u ordenamiento atómico.
- Tiene aproximadamente una misma composición y propiedades.
- Hay una interfase definida entre una fase y cualquier otra que la rodea.
- Microestructura
- Número de fases, su proporción y distribución. Depende del número de aleantes, de la concentración de cada uno de ellos y del tratamiento térmico de la aleación.
- Equilibrio
- Un sistema está en equilibrio si la energía libre es mínima en condiciones específicas de temperatura, presión y composición. En sentido macroscópico, significa que las características del sistema no cambian con el tiempo, sino que se mantienen indefinidamente.
- Equilibrio de Fases
- Equilibrio aplicado a un sistema con más de una fase.
- Equilibrio Metaestable
- Ocurre en muchos casos, especialmente en sistemas sólidos, cuando el estado de equilibrio no se alcanza completamente debido a que la velocidad para alcanzarlo es extremadamente lenta.
- Diagrama de Fases
- Representan las relaciones entre estructura, composición y cantidades de fases en equilibrio. La temperatura y la composición son los parámetros variables. La presión externa es también un parámetro, pero en la práctica la presión es constante en la mayoría de las aplicaciones, por lo que los diagramas de fases presentados son para una presión constante de 1 atm. La utilidad de los diagramas de equilibrio radica en la posibilidad de predecir transformaciones y microestructuras.
Diagramas de Fases de Sustancias Puras
Diagramas de fases de un solo componente, que dependiendo de la temperatura y la presión pueden tener una o varias fases.
Diagramas de Fases de Sistemas Binarios Isomórficos
- Muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación.
- En la aleación solo están presentes dos elementos.
- Solo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada.
Temperaturas Clave en Solidificación
- Temperatura de liquidus: Temperatura a la cual se empieza a formar el primer sólido durante la solidificación.
- Temperatura de solidus: Temperatura por debajo de la cual todo el líquido se ha solidificado completamente.
- Rango de solidificación: Diferencia de temperatura entre las temperaturas del solidus y del liquidus.
Solidificación en Equilibrio
- El calor latente de fusión, disipado durante la solidificación del líquido, debe eliminarse de la interfase sólido-líquido.
- La velocidad de enfriamiento debe ser extremadamente lenta para permitir el tiempo suficiente para que los átomos difundan.
Solidificación en No Equilibrio
La velocidad de enfriamiento no es lo suficientemente lenta, lo que hace que el tiempo sea inferior al necesario para que los átomos difundan y se produzca una estructura segregada.
Tratamiento Térmico de Homogeneización
Método utilizado para reducir la segregación causada durante la solidificación fuera de equilibrio.
- Se calienta la aleación a una temperatura por debajo de la temperatura solidus fuera de equilibrio, de manera que hay una difusión del elemento de mayor punto de fusión desde el centro de las dendritas hacia las regiones interdendríticas.
- El tiempo de homogeneización se relaciona con la distancia interdendrítica mediante [fórmula o relación no especificada en el texto original].
Aleación Eutéctica
Mezcla íntima de cristales formada cada una de ellas por un solo componente puro.
Reacción Eutectoide en las Aleaciones Fe-C
Reacción por la cual la austenita se transforma en Perlita (α+Fe₃C), a 727°C con un porcentaje de carbono de 0.77%.