Tipos de Rotura en Materiales: Frágil y Dúctil

El estudio de la rotura de materiales es fundamental en la ingeniería para predecir y prevenir fallos estructurales. Existen dos categorías principales de rotura, cada una con características y mecanismos distintivos.

Roturas Instantáneas

La rotura del material ocurre de forma súbita, sin un proceso macroscópico de daño previo. Puede haber, o no, deformación plástica apreciable antes del fallo final. Incluyen la rotura dúctil y la rotura frágil.

Teóricamente, un material rompe cuando la tensión alcanza el valor necesario para romper los enlaces interatómicos a lo largo de una superficie. Sin embargo, el valor real de la resistencia a tracción (Rm) obtenida experimentalmente es muy inferior al teórico (las estimaciones teóricas pueden ser E/10).

Esto sugiere la existencia de grietas o defectos debilitadores en el interior del material, donde se produce una gran concentración de tensiones que precipita la rotura. Estos defectos pueden ser preexistentes o generarse durante la carga por deformación plástica localizada.

Comportamientos en Roturas Instantáneas

  • Dúctil: El fallo se desarrolla con notable deformación plástica (macroscópica o microscópica) y absorción de una gran cantidad de energía antes de la rotura.
  • Frágil: Se produce sin apreciable deformación plástica y con baja cantidad de energía absorbida antes de la rotura.

El comportamiento dúctil o frágil depende de factores como el tipo de enlace atómico, la red cristalina, el nivel y estado de tensiones aplicadas, el tamaño de grano, la velocidad de carga/deformación y la temperatura.

Los modos de fractura se clasifican en Modos I, II y III (frágiles) y el modo dúctil.

Roturas Progresivas

El material sufre un daño gradual durante el servicio, hasta que el deterioro conduce al fallo final. Pueden ser detectadas y evaluadas antes de la rotura definitiva de la pieza. Ejemplos incluyen la corrosión bajo tensión, fatiga, fluencia, fragilización por hidrógeno y fragilización por otros metales.

Rotura Frágil

La rotura frágil se caracteriza por una mínima o nula deformación plástica y una baja absorción de energía. Se clasifica en diferentes modos según el mecanismo de iniciación y propagación de la grieta.

Modo I de Fractura (el más frágil)

Requiere la existencia previa de grietas o defectos de tamaño suficiente, donde hay una fuerte concentración local de tensiones. Una grieta interna se propagará si la energía elástica liberada compensa la energía gastada en formar la nueva superficie. La tensión exterior necesaria para propagar la grieta (σF) está relacionada con la energía de propagación (GC), el semitamaño de grieta (c) y el módulo elástico (E).

La propagación de la grieta puede ser por descohesión a lo largo de un plano cristalográfico (rotura transcristalina o clivaje) o a través de los bordes de grano (rotura intercristalina). El material es muy frágil, prácticamente sin absorción de energía, y la rotura se produce con tensiones medias inferiores al límite elástico.

Modo II de Fractura

No existen grietas o defectos iniciales peligrosos; la grieta debe nuclearse antes de la rotura. La deformación heterogénea es crítica. La tensión exterior activa el movimiento de dislocaciones, nucleando microgrietas por incompatibilidad de deformación en los bordes de grano.

El proceso consta de tres etapas: 1) deformación plástica local, 2) nucleación de la grieta, 3) propagación catastrófica. La tensión de rotura es igual o inferior al límite elástico.

Este modo es frecuente en metales HCP (con un número insuficiente de sistemas de deslizamiento) y BCC (con deformación plástica no homogénea a baja temperatura), pero no se da en FCC. La nucleación puede ser por apilamiento o intersección de dislocaciones. La grieta nucleada se propaga rápidamente por descohesiones transcristalinas o intergranulares.

Un tamaño de grano pequeño mejora el comportamiento porque el tamaño de la microgrieta formada es menor (lo que requiere mayor σF para propagar) y eleva el límite elástico del material. Aunque hay deformación plástica, es muy pequeña, por lo que el comportamiento es muy frágil.

Modo III de Fractura

Desarrolla cierta deformación plástica y nuclea muchas microgrietas que propagan. Puede producirse cuando el límite elástico macroscópico (Rp) es menor que la tensión necesaria para propagar las microgrietas formadas.

La fractura final es de carácter frágil, con crecimiento y coalescencia de microgrietas (transcristalinas o intergranulares) y baja deformación plástica global, lo que significa prácticamente sin absorción de energía. El proceso está controlado por la propagación, con notable influencia del tamaño de grano.

Al subir mucho la temperatura, el límite elástico (Rp) desciende, lo que puede llevar a condiciones de rotura dúctil en lugar de la propagación de microgrietas, haciendo que el material se comporte de manera dúctil.

Rotura Dúctil

La rotura dúctil implica suficiente deformación plástica del material y notable absorción de energía.

Etapas del Proceso de Rotura Dúctil:

  1. Nucleación de microvacíos.
  2. Crecimiento de su tamaño.
  3. Coalescencia de los microvacíos.

Los microvacíos se nuclean preferentemente en inclusiones o partículas de segunda fase (más duras que la matriz). Esto ocurre cuando la matriz se deforma plásticamente, acumulando dislocaciones y generando fuertes tensiones internas sobre las partículas, que pueden romper o despegarse de la matriz. También pueden nuclearse en bandas de deslizamiento bloqueadas o en los bordes de grano.

Con el aumento de la deformación plástica, los microvacíos crecen y se forman nuevos, hasta que su coalescencia (rotura de los tabiques intermedios) conduce a la fractura. Un mayor tamaño o cantidad de segunda fase reduce la plasticidad, ya que los microvacíos se nuclean y coalescen más rápidamente.

La propagación suele estar precedida por un estrechamiento localizado o estricción. La ductilidad disminuye al aumentar la fracción en volumen de partículas de segunda fase.

Temperatura de Transición Dúctil-Frágil (Tc)

Tc es la temperatura en torno a la cual el material cambia su comportamiento: por debajo de Tc, el comportamiento se vuelve frágil, y la plasticidad y tenacidad disminuyen fuertemente. Su valor depende del ensayo y del criterio utilizados. Es crucial para piezas que operarán a bajas temperaturas.

Factores que Influyen en Tc:

Red Cristalográfica:

  • Metales FCC (ej. Níquel): Son prácticamente inmunes a este problema debido a la facilidad de movimiento de dislocaciones y a la gran cantidad de sistemas de deslizamiento, incluso a baja temperatura.
  • Metales con red hexagonal (HCP): El Ti no la presenta, pero el Zn, Mg y Be sí, porque el movimiento de dislocaciones está muy restringido a los planos basales.
  • Metales con red cúbica centrada en el cuerpo (BCC): Todos la presentan (ej. W, Cr, Mo, aceros).

Tamaño de Grano:

Un tamaño de grano pequeño mejora el comportamiento.

Composición Química y Microestructura:

En aceros, los elementos intersticiales (ej. C) y las impurezas (P, S) elevan la Tc. La microestructura influye significativamente, desde la mayor Tc (ferrita-perlita) hasta la menor (martensita revenida). Algunos aleantes, como el Ni, la reducen, mientras que el C la eleva.

El caso del Titanic es un ejemplo histórico donde la temperatura de transición dúctil-frágil pudo haber influido en su comportamiento.

Propagación Catastrófica de Grietas

Procesos como la fatiga o la corrosión bajo tensión pueden originar grietas que crecen con el tiempo. A medida que el tamaño de la grieta (a) aumenta, las tensiones en su extremo se incrementan, lo cual se describe mediante el factor de intensidad de tensiones (K).

Al alcanzar la tenacidad de fractura (Kc) del material, la propagación de la grieta suele volverse catastrófica. La propagación puede ocurrir por nucleación de microgrietas y descohesión de planos cristalinos (resultando en baja tenacidad) o por nucleación y coalescencia de microvacíos delante de la grieta (resultando en mejor tenacidad).

El estado de triaxialidad en el frente de grieta puede favorecer comportamientos frágiles. Si el material tiene gran plasticidad, puede haber deformación plástica en la punta de la grieta, “redondeando” el borde y haciéndola menos agresiva, lo que aumenta la tenacidad.

Comportamiento en Fractura de los Metales (Mapas de Fractura)

Los mapas de fractura son diagramas tensión-temperatura que indican el modo de rotura más probable en función de la combinación de tensión y temperatura aplicadas. Varían según la microestructura, composición, tamaño de grano y tipo de carga. La triaxialidad tiende a aumentar las zonas frágiles en estos mapas.

Metales Cúbicos Centrados en las Caras (FCC)

El movimiento de las dislocaciones es muy fácil a cualquier temperatura y tienen gran cantidad de sistemas de deslizamiento, lo que les confiere un comportamiento dúctil. Las roturas suelen ser por coalescencia de microvacíos. En aleaciones, los precipitados o procesos de fragilización pueden favorecer roturas intergranulares.

El mapa de fractura del níquel (FCC) muestra que el único modo de fractura a baja temperatura es la rotura dúctil transgranular.

Metales Hexagonales (HCP)

Metales con alta relación c/a (ej. Mg, Zn, Be) tienen pocos sistemas de deslizamiento fácil a baja temperatura, lo que aumenta la tendencia a la rotura frágil por descohesión (clivaje). A mayores temperaturas, se activan nuevos sistemas de deslizamiento, permitiendo una mejor acomodación de la deformación y un comportamiento dúctil. Presentan una temperatura de transición dúctil-frágil.

El titanio (Ti) tiene un bajo valor de c/a y no presenta deslizamiento preferente en planos basales, lo que resulta en la ausencia de comportamiento frágil.

Metales Cúbicos Centrados en el Cuerpo (BCC)

Presentan una fuerte variación del límite elástico con la temperatura, lo que les confiere una tendencia a la rotura frágil a bajas temperaturas. La tensión para propagar microgrietas puede ser inferior al límite elástico. Poseen temperatura de transición dúctil-frágil.

En resumen, a bajas temperaturas, si hay grietas preexistentes, pueden propagarse de manera frágil (Modo I). En ausencia de defectos iniciales, la rotura a baja temperatura ocurre por el Modo II o III. A mayores temperaturas, el límite elástico disminuye considerablemente, pudiendo producirse roturas de tipo dúctil.