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Fractura frágil. Clivaje.

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Adrián Suárez Armas

on 16 November 2012

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Transcript of Fractura frágil. Clivaje.

IDENTIFICACIÓN DE LA FRACTURA FRÁGIL. TIPOS MODELIZACIÓN BÁSICA DE LA FRACTURA FRÁGIL Fractura frágil. Clivaje MATERIALES QUE PUEDEN SUFRIR CLIVAJE Se encuadran como materiales o procesos de baja tenacidad: CONDICIONES FRAGILIZANTES DEL SERVICIO La condición de inestabilidad Clasificación de los modos de fractura Estimación de la tenacidad de los materiales Causas del crecimiento estable de la grieta en el material dúctil-frágil Influencia del espesor de la pieza sobre la plasticidad y la tenacidad en el fondo de entalla. Deformación plana Modelo de cálculo en fractura para placas finitas Cálculo a fractura bajo modos combinados El crecimiento estable de grieta sucede en aquellos materiales con capacidad de deformación plástica en el fondo de entalla.
La deformación plástica conlleva un proceso de endurecimiento del material que exige un aumento de las tensiones requeridas para proseguir con la deformación.
TRANSICIÓN DÚCTIL-FRÁGIL debida a la nucleación de microgrietas.
Mecanismos:
Zener: Un obstáculo al deslizamiento puede nuclear una grieta.
Cottrel: Basado en el deslizamiento de dislocaciones que quedan sobre planos intersectantes. INFLUENCIA DE LA ZONA PLÁSTICA EN LA TENACIDAD
Existen tres etapas de fragilización para cada punto que sufre el avance de la grieta:
1.- Sufre una deformación gradual.
2.- Aparición de una fuerte acritud.
3.- Origen de microfisuras (Zenner y/o Cottrell).
4.- Progreso de la fractura. CÁLCULO DE LA ZONA DEFORMADA PLÁSTICAMENTE
Suponemos tensión plana (en eje z nulas) y trasladamos el resto al círculo de Mohr.
Todo ello nos indica que la zona de fluencia sucede para el entorno del fondo de entalla para distancias "r" que cumplan con la condición de plasticidad de Von Mises.
La extensión de la zona plástica es función directa, para cada ángulo, del multiplicador de tensiones e inversa de la tensión de fluencia Y. En el análisis de las fracturas de materiales con comportamiento dúctil-frágil se observa una estricción (medida lateralmente) en la zona de fractura. Basándonos en observaciones empíricas aseguramos que el aumento del espesor de la probeta colabora en el comportamiento frágil del material.
Piezas con poco espesor: tensión plana y aparición de estricción.
Piezas con gran espesor: deformación plana y por lo tanto ausencia de estricción.
En este caso, al eliminar la estricción (Ez=0) eliminamos también las deformaciones plásticas así como la tenacidad.
Cuantificamos la disminución de plasticidad aplicando la Teoría de Elasticidad en condiciones de deformación plana. Kevin Ojeda Pérez
Sandra de La Hija Caballero
Adrián Suárez Armas Desplazamientos


Energía elástica almacenada Sin grieta Con grieta Desplazamientos


Energía elástica almacenada La inestabilidad aparece cuando la energía elástica liberada por el crecimiento de grieta es suficiente para que esta siga creciendo y por tanto no se requiere un trabajo adicional exterior para que progrese Si a/w es mayor que el 10%, la distribución de las tensiones normales no es uniforme. En este caso se requiere la corrección por un factor de forma Ff. Recordamos los modos de fractura: INTRODUCCIÓN Los modos mixtos de fractura se resuelven mediante la determinación de los parámetros multiplicadores de tensiones en cada modo y combinados por formulaciones empíricas para cada tipo de material. Clivaje. Es la causa principal de los fallos catastróficos de las máquinas y estructuras--->> alta velocidad de propagación de la grieta importancia del concepto fractura frágil CONCEPTOS Tenacidad: En ciencia de materiales, la tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura, por acumulación de dislocaciones. Baja/nula absorción de energía en fractura. Alta velocidad de crecimiento de grieta Alto riesgo de fractura súbita Si se somete una probeta de sección constante a un ensayo de tracción cuasiestático la tenacidad puede medirse como: Frágil (fragilidad): Cualidad de un material de romperse, al ser sometido a un esfuerzo, sin apenas sufrir deformaciones.

Dúctil (ductilidad): Cualidad de un mineral relativa a la facilidad de estirarlo en forma de hilos. La fractura se debe producir cuando la tensión exterior supera la de los enlaces interatómicos Tensión enlaces acero: 2876 kg/mm2
Tensión fractura acero: 42 kg/mm2 Teoría energética La propiedad que indica si un material es dúctil o frágil es la TENACIDAD ENERGÍA Factor de multiplicación de tensiones en tensión plana Función de:
Calidad
Tratamientos
Forma de Havilland DH 106 Comet Relación entre la tensión de trabajo y la dimensión de la grieta máxima admisible Aplicación obligada de técnicas de ensayos no destructivos Se puede establecer:
El nivel de tensión máxima compatible con una grieta identificable
El tamaño de grieta máxima que obliga al rechazo para cada nivel de tensión Prueba de Charpy La naturaleza del clivaje responde a una fractura superficial compuesta por planos, caras muy pulidas.
La grieta es esencialmente plana y se desarrolla próximo a la normal del eje de la tensión solitante, pero cambia su orientación ligeramente cuando cruza una frontera de grano, por la diferente orientación de los granos adyacentes. Determina la tenacidad de un material Tensiones normales a la grieta Tensiones cortantes paralelas al plano entalla, dirección según x Tensiones cortantes paralelas al plano de entalla, dirección según z x y z x y z x y z Materiales frágiles Material dúctil-frágil Probeta cerámica con ranura "a" entre dos apoyos
Se sitúan la probeta y apoyos en prensa universal
Carga creciente F Se va registrando:
La carga aplicada, F
La dimensión de la grieta, a La grieta inicial no crece cuando la carga aumenta hasta la rotura

A mayores grietas iniciales, menores cargas de fractura Cálculo de la tenacidad: La tenacidad es cte
Es invariable con la dimensión del defecto Materiales que sufren deformación plástica en el borde de la grieta antes de sufrir la fractura frágil

Materiales metálicos Ranura + Grieta a fatiga

Se va registrando:
La carga aplicada, F
Dimensión de la grieta inicial, tras la fatiga
La dimensión de la grieta, a, durante el proceso Carga inicial


La grieta crece de forma estable


Más carga: aumenta tensión, aumenta liberación de energía


crece la grieta


Aumenta la resistencia al avance debido al endurecimiento por plasticidad


INESTABILIDAD: ROTURA Origen fallo Borde torsionado grietas paralelas y pequeñas (escalones) formas de ríos Los escalones de clivaje se pueden formar en la intersección de la grieta de clivaje y una dislocación tornillo.
Otra característica observada en acero clivado es la forma de las lenguas , que se forman por fractura local a lo largo de las intercaras de una macla.
Esto ocurre como resultado de la alta velocidad a la que se propagan las grietas de clivaje (del orden de la del sonido). Se produce así una velocidad de deformación local que es demasiado alta para proveer toda la acomodacón requerida, y así se forma las maclas justo delante del fondo e grieta que avanza.
La intersección de la grieta con la macla formada justifica la aparición de las lenguas características. Alta velocidad de crecimiento baja energía requerida para formar la fractura frágil Son los esfuerzos axiales los que causan la rotura por separación normal de los planos cristalinos que se fracturan. cerámicos.
Aleaciones con compuestos semimetálicos.
Aleaciones con tamaño de grano grueso.
Tratamientos de deformación plástica.
Tratamientos térmicos fragilizantes.
Deposiciones superficiales cerámicas. También la tenacidad de un metal está relacionada con el tipo de estructura cristalina:
h.c. y c.c. pueden fracturar de forma frágil.
c.c.c. no se conocen procesos de clivaje. Ensayo de resiliencia La respuesta frágil del material puede ser inducida por ciertas condiciones del servico:
Velocidad de aplicación de los esfuerzos.
Temperatura del ensayo.
Fragilización por metal líquido.
Dañado por radiación
Triaxialidad de tensiones El estado triaxial de tensiones en un punto origina un estado de esfuerzos cortantes del mismo sentido sobre cada plano de deslizamiento. Si estos son de direcciones opuestas tienden a neutralizar sus acciones, lo que implica la eliminación de deslizamientos y, por tanto, inhibe su comportamiento dúctil.
---->>>mayores cargas triaxiales--->>>tendencia a la inestabilidad varias causas pueden ocurrir en este estado:
Espesores grandes--->>> comportamiento como deformación plana







El efecto de la entalla sobre las tensiones es la redistribución de las mismas alrededor de la entalla con la creación del campo multitensional alrededor de ella. La forma plana, transcristalina, de la fractura frágil induce a pensar en la separación por tensiones axiales de los planos cristalinos normales con ausencia de deformaciones plásticas por cortantes (material idealmente elástico).
La fractura se debe producir cuando la tensión exterior supere la de los enlaces interatómicos. Sin embargo del cálculo teórico de la tensión de rotura resultan unos valores que son muy superiores a los que se obtienen experimentalmente en los materiales frágiles. Para justificar este hecho, Griffith supuso que la fractura no sucede al mismo tiempo en toda la sección---->>>>>crecimiento de grieta a partir de una incipiente. 2700 construidos
400 roturas Sólido sin grietas sometido a un sistema de fuerzas F, que produce un estado tensional y unos desplazamientos determinados

Se genera una reacción en el sólido dando lugar a otro estado de tensiones, deformaciones, y una energía elástica por unidad de volumen del sólido sin grieta:



El trabajo por unidad de volumen realizado por las fuerzas exteriores, J:




Se cumple la igualdad: Sólido con grieta variable desde 0 Mayor desplazamiento cuanto mayor es la grieta inicial El trabajo es función de la dimensión de la grieta: La energía elástica almacenada Ue es menor a la del sólido sin grietas.
Energía superficial Us si la grieta crece y por balance: La energía elástica decrece con la grieta: La energía de formación de la grieta es proporcional a su dimensión: Operando: Velocidad de relajación de energía: Que cumple: La inestabilidad en el crecimiento sucede cuando no se requiere trabajo adicional exterior para progresar la grieta L=100 mm
b=10 mm
w=10 mm La grieta requiere un incremento de carga para llegar a la rotura Este avance se justifica por la acción de la grieta incipiente como multiplicador de tensiones. Inglis fue el primero en cuantificar la tensión en el fondo de la entalla. otros multiplicadores de tensiones:
defectos del material:
poros
heterogeneidades
microgrietas
ciertas formas geométricas:
agujeros
rayas de mecanizado
roscas
transiciones bruscas de secciones, etc. Los ensayos de tenacidad incorporan una grieta inicial interior "2a", o exterior "a", para analizar el proceso de fractura a partir de ésta dimensión de grieta. El ensayo se asemeja al de tracción-flexión: aplicación de F---->>>> fractura (F-a). Limitaciones teoría energética Material dúctil-frágil con deformación plástica en el borde de grieta medida de la tenacidad <<-->>resiliencia fragilidad el valor obtenido:
referencia válida para comportamiento a cargas dinámicas.
valoración del comportamiento frente a determinadas situaciones.
no tiene utilidad en cálculos de diseños. Realización del ensayo Ensayo destructivo Energía potencial inicial: P×H = P×L×(1-cosα)

Energía potencial final: P×h = P×L×(1-cosβ)

La energía absorbida por la probeta será:

P×L×(1-cosα) - P×L×(1-cosβ) = P ×L×(cosβ-cosα) +fragilidad; -tenacidad; +facilidad de rotura; +"h". -fragilidad; +tenacidad; pueden incluso no romper. El péndulo en su balanceo inicial arrastra una aguja que queda fija en el punto más elevado alcanzado tras el impacto señalando sobre una escala graduada el valor de la resiliencia. La temperatura normalizada de ensayo es de 20 ºC como para el resto de características en mecánica (dimensiones de las piezas incluidas), no obstante pueden ensayarse probetas a distintas temperaturas cuando la pieza tenga que soportar temperaturas distinta de la ambiente, sean éstas bajas temperatura, -20ºC, para simular el comportamiento durante, por ejemplo, las heladas, criogénicas (-71ºC a -196ºC) o altas temperaturas.

Igualmente ensayos a distinta temperatura permiten determinar la temperatura de transición frágil-dúctil del material y por tanto la temperatura mínima de servicio. Origen del fallo Muchas Gracias por vuestra atención.
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