Introducción a la fractura de brittle

La fractura de los metales es un modo de falla repentina y catastrófica que ocurre con poca o ninguna deformación plástica visible. A diferencia de la fractura dúctil, que implica una absorción significativa de energía mediante el cuello y el desgarro, las grietas de freno se propagan rápidamente, a menudo a velocidades que se acercan a la velocidad del sonido en el material.

Los metales que normalmente exhiben comportamiento dúctil a temperatura ambiente pueden ser frágiles bajo ciertas condiciones: bajas temperaturas, altas tasas de tensión, o la presencia de concentradores de estrés. Esta transición dúctil a frágil (DBTT) es una consideración de diseño crítico para los aceros ferriticos utilizados en climas fríos o servicio criogénico. Las características microestructurales que controlan la transición incluyen el tamaño del grano, los materiales de frontera de segunda fase, la textura analítica, y la comprensión de cristal

Características microestructurales influenciando la fractura de hervidor

Tamaño de la abuela

El tamaño de la cola es uno de los parámetros microestructurales más influyentes que afectan el comportamiento de las fracturas. Según la relación Hall-Petch, la reducción del tamaño del grano aumenta la fuerza de rendimiento y, dentro de ciertos límites, también aumenta la resistencia. Los granos finos proporcionan más área de grano por volumen de unidad, lo que impide la propagación de la grieta exigiendo la dirección o renucleando a través de los límites.

Sin embargo, el tamaño del grano no impone la resistencia a las fracturas. La distribución de los tamaños de granos —la presencia de estructuras de granos bimodales o heterogéneas— puede crear regiones localizadas donde las grietas inician prematuramente. Los granos ultrafinados (escala de submicron) también pueden introducir desafíos como la reducción de la capacidad de endurecimiento del trabajo, que pueden cambiar los mecanismos de falla.

Grain Boundaries

Los límites de grano sirven como obstáculos y posibles vías para las grietas. Los límites de grano de alto ángulo, con desorientaciones mayores de 15°, generalmente actúan como barreras eficaces para la propagación del escote transgranular porque el plano de grieta debe reorientarse para que coincida con los planos de grieta cristalográfica en el grano adyacente. Esta desorientación aumenta la energía local necesaria para avanzar.

La distribución de caracteres de límites de grano (GBCD) —que aumenta la población de límites de alto ángulo y CSL— puede mejorar la resistencia a la fractura intergranular. Para las superalaciones y aceros inoxidables austríticos basados en níquel, controlar la estructura de límites de grano reduce la susceptibilidad al estrés fractura de corrosión y la inundación de hidrógeno.

Precipitados e Inclusiones

Las inclusiones no metálicas (por ejemplo, sulfuros, óxidos, silicatos) y precipitaciones de fase secundaria (por ejemplo, carburos, nitridos, intermetallics) son características microestructurales comunes que pueden desencadenar fractura de hervidor actuando como concentradores de estrés. Su influencia depende del tamaño, la forma, la distribución, el disyunción de los bordes de la matriz de interfasección.

La fracción de volumen y el espaciado de inclusiones son críticos. Una población densa de inclusiones espaciadas reduce el estrés crítico para la iniciación de grietas, ya que los microvoides pueden conectarse más fácilmente. En aceros de alta resistencia, las inclusiones de óxido de los procesos de desoxidación son particularmente dañinas si superan un tamaño umbral determinado (normalmente mentomorfo5 μmgate).

Segundos Productos de Fases y Transformación

En aleaciones multifase, la distribución y las propiedades mecánicas de las fases individuales gobiernan la fractura. Por ejemplo, en acero inoxidable dúplex, la fase férrea puede ser más propensa a la división a bajas temperaturas en comparación con austenita, por lo que un alto contenido de ferrita puede elevar el DBTT. En aceros de carbono, la presencia de bainita o martensita como una fase constitutiva puede aumentar la dureza

Las partículas intermetallicas, como la fase de sigma en aceros inoxidables o la fase de lavado en superalaciones, son típicamente frágiles y pueden actuar como iniciadores de grieta si se forman en redes continuas. Controlar el tratamiento térmico para evitar precipitaciones excesivas de tales fases de embrittling es esencial para mantener la resistencia a la fractura.

Mecanismos de Fracture de Brittle

Fracturas de Cleavage

El acoplamiento es el mecanismo de fractura más común en metales de BCC y hexagonal de alta presión. Procede por separación a través de planos cristalinos específicos, típicamente los planos {100}] en metales BCC y {0001} planos de metales HCP. El arrastre se produce cuando el estrés de la punta es normal en estos planos

Varios modelos, incluyendo la teoría de Griffith y el modelo Smith para el escote inducido por carburo, relacionan los parámetros microestructurales con el estrés de fractura de escote.El criterio de Griffith indica que una grieta de longitud preexistente a se propagará cuando el estrés aplicado alcanza un valor crítico proporcional a la punta cuadrada de la energía superficial dividida por [LT]

Fracture intergranular

Fractura intergranada ocurre cuando la propagación de grietas sigue los límites de grano en lugar de los caminos transgranulares. Este mecanismo se asocia típicamente con la embrittlencia de límites debido a la segregación de elementos de impureza (por ejemplo, azufre, fósforo, estaño) o la presencia de precipitaciones de bordes de grano de herviento.

El control microestructural para prevenir la fractura intergranular incluye minimizar los niveles de impureza, utilizando elementos de reentorno (por ejemplo, molibdeno para atar fósforo), aplicando enfriamiento rápido a través de la integración de rangos de temperatura, y refinando el tamaño del grano para aumentar el área límite total del grano, que diluye la concentración segregante.

Condiciones ambientales y de funcionamiento

Temperatura y tasa de estrado

La temperatura tiene un efecto profundo en la respuesta microestructural al estrés. A bajas temperaturas, la activación térmica del movimiento de dislocación se reduce, haciendo la deformación plástica más difícil. Esto eleva la fuerza de rendimiento y disminuye la ductilidad. Para los metales BCC, el DBTT es una función del tamaño del grano, el contenido intersticial y la aleación.

En la práctica, la prueba de impacto de Charpy se utiliza para medir la energía absorbida durante la fractura rápida a través de una gama de temperaturas. La curva de transición es sigmoidal, y la microestructura del material influye directamente en la forma y la posición de esa curva. Los aceros finos con carburos espheroidizados muestran una menor DBTT y mayor energía de la plataforma superior que los aceros con carburos gruesos.

Estado de estrés y muñecos

La fractura de hervidor es promovida por tensiones triaxiales, que suprimen el flujo de plástico. Las musculaturas, los agujeros y los cambios abruptos en la sección crean concentraciones de estrés que elevan las tensiones locales por encima del estrés del rendimiento global. En tales condiciones, el material puede fallar por el estiba aunque el estrés nominal esté por debajo de la resistencia al rendimiento.

Técnicas de análisis microestructural

Microscopía óptica

La microscopía óptica es la herramienta de primera línea para evaluar el tamaño del grano, el contenido de inclusión y la distribución de fase. Los métodos estándar (ASTM E112) permiten la medición cuantitativa del tamaño medio del grano utilizando el método intercepto o planimétrico. Los gráficos de inclusión (por ejemplo, ASTM E45) proporcionan una evaluación semi-cuantitativa de los tipos de inclusión y la gravedad.

Microscopia de electrones escaneantes (SEM)

El análisis de la orientación de los planos es indispensable para el análisis fractal. Las superficies de fractura de fallas muestran facetas de pulverización, marcas de ríos, características intergranulares y grietas secundarias. Espectroscopia de rayos X dispersiva (EDS) con SEM identifica la química de inclusión y los segregantes.

Microscopia de electrones de transmisión (TEM)

TEM ofrece la resolución más alta para estudiar dislocaciones, precipitaciones finas y estructura de límites de granos. En estudios de fractura frágil, TEM puede revelar los sitios de nucleación de microcracks, desbloqueo interfacial y la naturaleza de las películas de límites de granos. Difracción de área seleccionada (SAD) identifica la cristalografía de pequeñas partículas. TEM de alta resolución (HRTEM) permite la imagen directa de defectos de campo ópticos a escalas

X-Ray Diffraction (XRD)

XRD se utiliza para determinar tensiones residuales, fracciones austenitas retenidas y textura. En acero, la austenita retenida puede aumentar la dureza a través de la plasticidad inducida por la transformación (TRIP), mientras que la intensidad de alta textura puede afectar la anisotropía de la dureza de fractura. La línea de análisis en ampliación de los picos XRD proporciona información sobre la densidad de dislocación y el tamaño cristalino, que correlacionado, que correlaciona con fuerza y resistencia.

Implications for Material Design

Comprender las raíces microestructurales de fractura de hervidor capacita a los ingenieros de materiales para diseñar aleaciones con una fiabilidad superior. Refinación de granos mediante laminación controlada, recristalación o deformación plástica severa es una de las estrategias más eficaces. Combinar el refinamiento de granos con microaleo (por ejemplo, adiciones de niobrenio, vanadio o titanio) promueve el aumento de la pinación de precipitación para inhibir el crecimiento de la microal.

La ingeniería de la inclusión es igualmente importante. Prácticas de fabricación de acero limpia, como el argón removiendo, el tratamiento al vacío y la inyección de calcio, reducen el número y modifican la morfología de las inclusiones. La reducción del contenido de azufre a menos de 0.005% minimiza los cordones de sulfuro de manganeso.

Finalmente, herramientas computacionales como modelado de campo de fase y métodos de elementos finitos de plasticidad cristalina pueden simular el efecto de la microestructura en el comportamiento de fractura. Estos modelos, validados por datos experimentales, guían la optimización de los parámetros de composición y procesamiento para minimizar el riesgo de falla de hervidor.

Conclusión

La fractura de los metales es fundamentalmente un fenómeno microestructural. El tamaño de la cola, el carácter de los límites de grano, la naturaleza de los precipitados y las inclusiones, y la distribución de las fases determinan si un material fallará en una forma catastrófica, frágil o absorber energía mediante la desgarro de los metales.