Con más de 25 años de experiencia en pruebas de materiales, metalurgia e ingeniería de sistemas, el Dr. Erik Schwarzkopf, científico del personal de MTS, aporta una experiencia única a las interacciones con los clientes. En esta sesión de preguntas y respuestas, discute la mecánica de fracturas y las pruebas de tenacidad a la fractura.
Q: ¿Qué es la prueba de tenacidad a la fractura?
A: En términos simples, una prueba de tenacidad a la fractura es una prueba no cíclica que mide cuánta energía se necesita para hacer crecer una grieta de manera catastrófica. Varios tipos de pruebas definen “energía” y “catastróficamente” de diferentes maneras. La energía puede incluir un parámetro representativo de energía, como un parámetro de distancia como CTOD, un parámetro de intensidad de tensión como KIc, o un parámetro de energía dividido por área como JIc. El crecimiento catastrófico de la grieta puede interpretarse como muy rápido, muy lejos o un poco más allá del estado inicial. Algunos estándares comunes de pruebas de tenacidad a la fractura incluyen ASTM E399, E561 y E1820.
Prueba R-Curve ASTM E561 en un espécimen de acero delgado. Los ruidos generados a medida que avanza la grieta se deben al crecimiento inestable de la grieta, lo que resulta en cambios repentinos en la fuerza o el desplazamiento, comúnmente llamados “pop-ins.”
Q: ¿Qué industrias se preocupan por las mediciones de tenacidad a la fractura?
A: Cualquier industria que dependa de recipientes a presión necesita conocer las propiedades de tenacidad a la fractura de los materiales utilizados para esos contenedores presurizados. Cuando algo está bajo presión, es importante saber cómo va a reaccionar con el tiempo. Es altamente preferible que un recipiente o tubería tenga fugas en lugar de explotar, por lo que elegir el material adecuado con las propiedades deseadas es crítico. Por eso, las mediciones de tenacidad a la fractura son valiosas al seleccionar materiales para tuberías en plantas de energía, o aplicaciones nucleares y de petróleo y gas. Además del interés del sector energético, los fabricantes de metales y compuestos, así como las industrias naval, de ingeniería civil y aeroespacial también dependen de las mediciones de tenacidad a la fractura para evaluar materiales.
Q: ¿Cómo crecen las grietas y qué relación tiene la plasticidad del material con esto?
A: Las grietas pueden crecer y gastar energía de muchas maneras, dependiendo de las propiedades del material; a veces, una grieta hace que el material se rompa en dos piezas (la creación de cada nueva superficie absorbe energía), a veces el material absorbe energía al deformarse, y a veces se transforma (cambia de una fase a otra). Debido a las diferentes propiedades del material, existen un par de tipos de mecánica de fractura. Para materiales de alta resistencia, se utiliza comúnmente la Mecánica de Fractura Elástica Lineal (LEFM). Para materiales más dúctiles, existe la Mecánica de Fractura Elástica Plástica (EPFM). La tenacidad a la fractura elástica lineal asume que la deformación plástica es pequeña en relación con todas las demás dimensiones.
Q: ¿Cuándo usarías un tipo de prueba de tenacidad a la fractura en lugar de otro?
A: Depende del tipo de datos que necesites y del material. Si necesitas una respuesta cualitativa en lugar de cuantitativa, entonces algunas de las pruebas más simples podrán indicarte si el material es más o menos susceptible a la formación de grietas. Una prueba simple no te dirá cuán fácil es agrietar el material, pero la curva de una prueba de tracción simple puede decirte algo. Una prueba de impacto Charpy te dirá si un material puede resistir una fuerza y te dará datos de aprobación/reprobación. Si necesitas una medición cuantitativa y puedes obtener una prueba válida de un espécimen pequeño, puedes intentar una prueba KIc, asumiendo que la plasticidad del material es mínima.
Q: ¿Qué pasa si la plasticidad del material no es mínima?
A: A veces, realizar una prueba KIc válida requeriría un espécimen muy grande (y muy costoso) para asegurar que la mayor parte del espécimen sea elástica. Hay una solución a este problema: con un resultado válido de J Integral, puedes calcular el valor K, lo que te permite utilizar un espécimen más pequeño. Determinar el J Integral requiere más análisis, pero como no depende del tamaño de la zona plástica, no requiere el gran espécimen.
Q: ¿Qué otras consideraciones hay al elegir un tipo de prueba de tenacidad a la fractura?
A: Al igual que en todas las pruebas, la consistencia es importante. Es importante el tipo de muesca consistente. Controlar la temperatura, la geometría y el grosor del espécimen, y la tasa de carga son requisitos para un resultado de prueba válido. Los datos recopilados de pruebas anteriores también son un factor a considerar. Si tienes un historial de datos de CTOD, entonces tiene sentido elegir ese tipo de prueba.
Q: ¿Qué pasa con la prueba de tenacidad a la fractura de materiales fabricados aditivamente?
A: Los materiales fabricados aditivamente están volviéndose más comunes y presentan varias áreas de preocupación: porosidad, densidad y límites de partículas. Los poros y límites en estos materiales actúan como grietas o muescas, afectando las propiedades de fatiga y fractura del material. Debes determinar si las "pseudo" muescas causan que las grietas crezcan de manera catastrófica o no. Los compuestos y los materiales fabricados aditivamente presentan desafíos únicos en cuanto a que pueden tener defectos entre las capas que no podemos ver, por lo que deben ser probados.
Q: ¿Qué más nos depara el futuro para la medición de la tenacidad a la fractura?
A: Continuarán surgiendo nuevas formas de fabricar materiales como la impresión 3D/fabricación aditiva; nuevos materiales como compuestos ingenierizados; nuevos usos para materiales en cosas como vehículos a hidrógeno y viajes espaciales; y nuevas técnicas de prueba. Toda esta innovación significa que los materiales deberán ser evaluados para la tenacidad a la fractura para determinar si son apropiados para el uso final previsto. Al comprender los principios y metodologías de las pruebas de tenacidad a la fractura, los investigadores y ingenieros pueden desarrollar materiales y estructuras más seguros y fiables para satisfacer las necesidades cambiantes de la tecnología y la industria modernas.
