Fundamentos de la Mecánica de Fractura y Estructura de Grano en Materiales Industriales

Mecánica de Fractura y Concentración de Tensiones

¿Qué es la Concentración de Tensiones en Mecánica de Fractura?

Se conoce como concentración de tensiones a los defectos que amplifican en sus alrededores la tensión aplicada.

Resistencia Cohesiva Teórica de Sólidos Elásticos Frágiles

La resistencia a la fractura de un material sólido es una función de las fuerzas cohesivas que existen entre los átomos. Sobre esta base, la resistencia cohesiva teórica de un sólido elástico frágil ha sido estimada y es aproximadamente igual a E/10, donde E es el módulo de elasticidad.

La resistencia a la fractura experimental de la mayoría de materiales ingenieriles es entre 10 y 100 veces menor que este valor teórico. En la década de los veinte, A. A. Griffith propuso que esta discrepancia entre la resistencia cohesiva teórica y la experimental podía ser explicada por la presencia de grietas microscópicas, las cuales siempre existen en condiciones normales en la superficie e interior de una pieza. Estos defectos van en detrimento de la resistencia a la fractura debido a que una tensión aplicada puede ser amplificada o concentrada en los extremos de estos defectos, en un grado que depende de la orientación de la microgrieta y de la geometría.

Tensión Máxima en el Extremo de una Grieta Elíptica

La tensión máxima en el extremo de una grieta elíptica orientada con su eje mayor perpendicular a la tensión aplicada se expresa mediante la siguiente fórmula:

σ_m = 2σ₀√(a/ρ)

• σ_m: Tensión máxima en el extremo
• σ₀: Tensión nominal
• ρ: Radio de curvatura del extremo de la grieta
• a: Semilongitud de la grieta (o longitud de una grieta superficial)

Fronteras de Grano y Propiedades de Materiales Policristalinos

Definición de Frontera de Grano

Una frontera de grano es el límite que separa dos pequeños granos o cristales que tienen diferentes orientaciones cristalográficas en materiales policristalinos.

Clasificación de Fronteras de Grano

Se clasifican según la diferencia de orientación entre los cristales adyacentes:

• Límite de grano de ángulo pequeño: Cuando la diferencia de orientación entre dos cristales es de unos pocos grados.
• Límite de grano de ángulo grande: Cuando la diferencia es muy grande.

Tipos de Límites de Grano de Ángulo Pequeño

Los límites de grano de ángulo pequeño (cuya definición se encuentra en el apartado anterior) se clasifican según el tipo de dislocaciones que los generan:

• Límites de inclinación: Generados por dislocaciones en cuña.
• Límites torsionados: Generados por dislocaciones helicoidales.

Las regiones de material separadas por límites de grano de ángulo pequeño se conocen como subgranos.

Propiedades de las Fronteras de Grano: Reactividad, Difusión de Impurezas y Tratamientos Térmicos

Las fronteras de grano poseen una energía de límite de grano, cuya magnitud es función del grado de desorientación, siendo mayor cuanto más elevado es el ángulo del límite.

Impacto en la Difusión de Impurezas y Reactividad

Los átomos de impurezas se segregan preferentemente a lo largo de los límites de grano debido a su superior estado energético. Esto influye en la reactividad química y en la difusión de elementos.

Efecto de los Tratamientos Térmicos

La energía interfacial total es menor en materiales con granos grandes que con granos pequeños, ya que el área total de límite de grano es menor. Por esta razón, a elevada temperatura, los granos crecen (fenómeno conocido como crecimiento de grano) para disminuir la energía de límite de grano total, buscando un estado de menor energía.