¿Qué es la ductilidad?

La ductilidad es un concepto fundamental en la ciencia material que explica por qué algunos materiales (como los metales) pueden flexionarse o estirarse significativamente bajo estrés, mientras que otros (como el vidrio) se rompen repentinamente. En este artículo, explicaremos qué es la ductilidad, cómo se mide, por qué importa y qué factores lo influyen.

Definición de ductilidad

La ductilidad es la capacidad de un material para someterse a una deformación plástica en tensión antes de la fractura. En términos simples, un material dúctil se puede estirar un largo camino sin romperse, pensé que el cobre se coloca en alambre. Por el contrario, los materiales frágiles como el vidrio tienden a romperse o romperse después de muy poca deformación. En la ciencia de los materiales, la deformación plástica es un cambio permanente de forma. Esto difiere de la deformación elástica, que es recuperable cuando se elimina la carga. La ductilidad está estrechamente relacionada con la plasticidad, pero más específica: la plasticidad es la capacidad general de deformación permanente en cualquier modo (tensión, compresión o cizallamiento), mientras que la ductilidad se refiere a esa capacidad en tensión.

Desde una perspectiva atómica, la alta ductilidad de muchos metales proviene de unión metálica no direccional y la disponibilidad de sistemas de deslizamiento que permiten que las dislocaciones se muevan. Con el estrés aplicado, el deslizamiento de dislocación permite que los cristales metálicos acomoden la tensión plástica, por lo que los metales a menudo se doblan o se estiran en lugar de fractura. Por el contrario, la cerámica y el vidrio tienen enlaces iónicos o covalentes direccionales y deslizamiento muy limitado, por lo que bajo tensión tienden a agrietarse antes del flujo de plástico apreciable. Sin embargo, no todos los metales son dúctiles a temperatura ambiente (por ejemplo, algunos metales BCC, aceros altos de carbono y gafas metálicas pueden ser relativamente frágiles), y el vidrio calentado se dobla principalmente por flujo viscoso por encima de su temperatura de transición de vidrio, no por la ductilidad del estilo metálico.

Medidas para la ductilidad

La prueba de tracción es la forma más común de cuantificar la ductilidad: una muestra se carga en tensión uniaxial a la fractura, y la ductilidad se informa como el porcentaje de alargamiento al descanso y la reducción del porcentaje de área.

• Porcentaje de alargamiento en el descanso (un%)

El aumento porcentual en la longitud del medidor a la fractura: A% = (LF - L0)/L0 × 100%, donde L0 es la longitud del calibre original y LF es la longitud final en el descanso. Un% A mayor indica una mayor ductilidad de tracción.

• Porcentaje de reducción del área (RA%)

El porcentaje de disminución en la sección transversal en la ubicación de la fractura: RA% = (A0-AF)/A0 × 100%, donde A0 es el área original y AF es el área mínima en el descanso. El gran% de AR refleja el cuello pronunciado y la fuerte ductilidad posterior a la reducción. (Menos sensible a la longitud del medidor; no es ideal para una lámina muy delgada).

Ambas medidas generalmente se informan como parte de una prueba de tracción. Por ejemplo, se podría describir que una muestra de acero tiene, por ejemplo, el 20% de alargamiento y una reducción del 60% del área en la ruptura, lo que indica un comportamiento dúctil. En contraste, una cerámica quebradiza podría mostrar solo el alargamiento del 1% y esencialmente el 0% de reducción del área (se rompe casi sin adelgazamiento). Cuanto mayor sea el alargamiento y la reducción del área, más dúctil es el material.

Otra forma de visualizar la ductilidad es en una curva de tensión-deformación, que es un gráfico obtenido de la prueba de tracción. El estrés (fuerza por unidad de área) se traza contra la tensión (deformación relativa). Los puntos clave en esta curva incluyen:

• Módulo de Young (E):la pendiente de la región elástica lineal; una medida de rigidez.
• Fuerza de rendimiento (σᵧ):El inicio de la deformación plástica (a menudo definida por el método de compensación del 0.2% cuando no existe un punto de rendimiento agudo).
• Resistencia a la tracción definitiva (UTS):El máximo estrés de ingeniería. Más allá de UTS los cuellos de muestra; La fractura ocurre más tarde, típicamente con un estrés de ingeniería más bajo.
• Punto de fractura:donde el espécimen finalmente se rompe.

La curva del material dúctil muestra una larga región plástica después de ceder, lo que indica que puede mantener una tensión grande antes de la fractura. Por el contrario, la curva del material frágil termina cerca del punto de rendimiento, con poca o ninguna región de plástico. En resumen, en un gráfico de tensión de ingeniería -tensión (para una longitud de calibre establecida), la ductilidad se refleja por la tensión total de la fractura, larga para materiales dúctiles, abreviatura de quebradizos. Sin embargo, la tensión de fractura aparente depende de la longitud del medidor elegido, y una vez que comienza el cuello, la deformación se localiza, por lo que la curva de ingeniería no es una medida directa de la ductilidad posterior a la redacción. Por esa razón, las especificaciones generalmente informan el porcentaje de alargamiento al descanso (un%) junto con la reducción porcentual del área (RA%).

¿Cuál es la diferencia entre la ductilidad y la maleabilidad?

La ductilidad es la capacidad de un material para estirarse en tensión sin romperse; Lo cuantificamos con porcentaje de alargamiento o reducción del área de una prueba de tracción. Si se puede dibujar un metal en el cable, es dúctil. La maleabilidad es la capacidad de un material para deformarse en la compresión, para ser martillado, enrollado o presionado en la hoja, sin agrietarse; Lo juzgamos con pruebas de curvatura/aplanamiento/vapor o por la cantidad de reducción de espesor que puede tolerar.

En la práctica: el oro, el cobre y el aluminio son altamente dúctiles y maleables (ideales para alambre y sábanas). El plomo es muy maleable pero solo moderadamente dúctil (fácil de rodar en la hoja, más pobre como el cable fino). El magnesio es limitado en maleabilidad a temperatura ambiente, mientras que el zinc se vuelve más maleable cuando se calienta. Para la fabricación, elija aleaciones dúctiles para dibujar, estiramientos profundos y características dominadas por tirones; Elija aleaciones maleables para rodar, estampar y forjar dónde domina la compresión. La temperatura y la estructura cristalina cambian ambas propiedades. Regla rápida: ductilidad = tensión/cable; maleabilidad = compresión/hoja.

Por qué es importante la ductilidad

La ductilidad es el silencioso caballo de batalla detrás de la capacidad de fabricación y la seguridad en el servicio. En la fábrica, permite que los metales se enrolle en la hoja, se tiren al cable y forjen sin agrietarse. En el campo, permite a los componentes absorber energía, redistribuir las tensiones y proporcionar advertencia antes de la falla.

Materiales dúctiles para la fabricación

La alta ductilidad generalmente significa que un material es viable: puede ser forjado, enrollado, dibujado o extruido en varias formas sin agrietarse. La baja ductilidad (fragilidad) significa que el material es difícil de deformarse y es más adecuado para procesos como fundición o mecanizado (donde el material no se ve obligado a cambiar de forma plásticamente demasiado).

Forjando y rodando:Estos procesos deforman el metal sólido en forma, al martillar (forjar) o pasar entre rollos (rodantes). Los metales dúctiles toleran las grandes cepas plásticas involucradas. En la práctica, las losas/flores de acero están en caliente en la lámina, la placa y las formas estructurales, como las vigas en I, y el aluminio se forja fácilmente en componentes: el metal fluye bajo cargas de compresión. Por el contrario, las aleaciones quebradizas como el hierro fundido tienden a agrietarse bajo una fuerte deformación, por lo que generalmente se moldean por fundición a forma cercana a la red.

Extrusión y dibujo de alambre/barra:La extrusión empuja el metal a través de un dado para hacer productos largos y de sección de cruce constante; El dibujo de alambre/barra tira de caldo sólido a través de un dado para reducir el diámetro. Ambos confían en el flujo de plástico. Las aleaciones dúctiles, como el aluminio, el cobre y el acero bajo en carbono, se pueden extruir en tubos y perfiles (por ejemplo, marcos de ventana, secciones de capullo térmico) y dibujar en alambre eléctrico fino. Los materiales sin ductilidad suficiente a la temperatura de procesamiento tienden a verificar o romperse en el dado, por lo que el vidrio o la cerámica no se extruyen/dibujan en estado sólido; Sus fibras están dibujadas por fundición.

Dibujo profundo:El dibujo profundo forma tazas y latas axisimétricas al forzar una hoja en un troquel con un golpe; La brida se alimenta hacia adentro mientras las paredes se adelgazan ligeramente. La ductilidad adecuada evita la división y la arrugas. Los cuerpos de las bebidas de aluminio pueden ser el ejemplo clásico.

Dobertura y estampado de sábanas de metal:La flexión general y el estampado de paneles y recintos del cuerpo exigen la ductilidad para evitar el agrietamiento de los bordes y el enojo naranja cuando la hoja se estira en el dado. Las calificaciones de acero y aluminio se adaptan a la formabilidad, por lo que las formas complejas (por ejemplo, una campana de automóvil) se pueden estampar sin falla.

Impresión 3D de metal (AM):La ductilidad todavía importa. Las piezas asignadas, especialmente de la fusión del lecho de polvo láser (LPBF), pueden mostrar una ductilidad reducida debido a microestructuras finas, texturizadas, tensiones residuales y porosidad. Alivio del estrés y prensado isostático caliente (cadera), a menudo seguido de un tratamiento térmico ligero, restaurar la ductilidad y reducir el riesgo de agrietamiento; Las aleaciones como TI-6Al-4V y Alsi10mg pueden ofrecer una ductilidad útil en servicio.

Materiales dúctiles para aplicaciones del mundo real

La ductilidad no es solo una métrica de laboratorio, sino que afecta directamente el rendimiento en las estructuras, vehículos y equipos del mundo real. He aquí por qué importa en ingeniería y diseño:

Prevenir una falla repentina y mejorar la seguridad:Los materiales dúctiles fallan gradualmente: ceden y absorben energía antes de la fractura, proporcionando advertencia visible y permitiendo que las cargas se redistribuyan. En los edificios, esta es la razón por la cual se favorece el acero estructural: un haz sobrecargado se doblará en lugar de romperse. El concreto reforzado sigue la misma lógica: la barra de refuerzo de acero integrado agrega la ductilidad para que los miembros puedan flexionarse bajo la demanda sísmica en lugar de separarse.

Absorción de energía en impactos (aplicaciones sísmicas y de choque):Bajo cargas dinámicas, la ductilidad convierte la energía de impacto en el trabajo de plástico. Los marcos de acero disipan las fuerzas del terremoto a través del rendimiento y las zonas de arrugas automotrices en el pliegue de acero o aluminio de manera controlada para reducir la desaceleración de la cabina. Las estructuras del cuerpo modernas equilibran la resistencia con la ductilidad (por ejemplo, los aceros DP/Trip), y las aleaciones aeroespaciales de AL/TI conservan suficiente ductilidad para el ataque de las aves, la presurización y la tolerancia a la humedad fría.

Resiliencia estructural y redundancia:Los sistemas dúctiles pueden seguir cargando la carga después del rendimiento local al extender los tensiones a los miembros vecinos, reduciendo la posibilidad de colapso progresivo. Es por eso que los puentes usan aceros dúctiles y por qué las tuberías y los cables están diseñados para doblarse o abollarse bajo movimiento de tierra o sobrecarga en lugar de ruptura.

Factores que afectan la ductilidad

La ductilidad no se fija en todas las condiciones. Estos son los principales factores que lo afectan:

Temperatura:La ductilidad es altamente dependiente de la temperatura. Las temperaturas más altas aumentan la movilidad atómica y el movimiento de dislocación, lo que permite el flujo de plástico; Las temperaturas más bajas restringen el movimiento y promueven el agrietamiento de tipo de escisión. Muchos metales de BCC (por ejemplo, ciertos aceros) tienen una temperatura de transición dúctil a frágil (DBTT), por ejemplo, permanecen dúctil; Debajo de él pueden fracturarse repentinamente. Un ejemplo clásico es el acero estructural: a temperaturas ambientales, puede doblarse, pero a temperaturas muy bajas puede fracturarse. Por lo tanto, los ingenieros mantienen temperaturas de servicio por encima del DBTT o especifican calificaciones de baja temperatura. Por el contrario, la mayoría de los metales FCC (por ejemplo, aluminio, cobre) carecen de un DBTT afilado y permanecen dúctil incluso cuando está frío.

Composición y aleación:Los elementos presentes y las fases que forman influyen fuertemente en la ductilidad. Los metales puros como el oro, el cobre y el aluminio son típicamente muy dúctiles. Agregar solutos o crear segundas fases duras aumenta la fuerza, pero a menudo reduce la ductilidad al obstaculizar el movimiento de dislocación. En los aceros de carbono, los calificaciones bajas en carbono siguen siendo formables, mientras que los aceros altos de carbono y herramientas son mucho menos dúctiles a menos que se templen. Las impurezas de rastreo también aceleran acero: el azufre puede causar dificultad caliente, y el fósforo puede causar fragilidad de frío. El tratamiento térmico ajusta el equilibrio: la martensita apagada es fuerte pero tiene baja ductilidad hasta el temperamento, mientras que el recocido restaura la ductilidad. Las gafas metálicas ilustran el límite; Son muy fuertes pero generalmente frágiles porque el deslizamiento de cristal está ausente.

Estructura cristalina y sistemas de deslizamiento:La ductilidad refleja cuán fácilmente se mueven las dislocaciones. Los metales de FCC, como el aluminio, el cobre, el níquel y el oro, tienen muchos sistemas de deslizamiento activos y permanecen dúctiles incluso a bajas temperaturas, sin una transición aguda dúctil a frágil. Los metales BCC, como los aceros ferríticos, el cromo y el tungsteno, requieren activación térmica para el deslizamiento y, a menudo, muestran una transición dúctil a britíal, por lo que la ductilidad cae en el frío. Los metales HCP como el magnesio, el zinc y el titanio a temperatura ambiente tienen menos sistemas de deslizamiento; Sin hermanamiento o temperatura elevada, se deforman mal y pueden romperse. En general, los sistemas de deslizamiento más disponibles significan una mayor ductilidad inherente y un mejor rendimiento de baja temperatura.

Resiliencia estructural y redundancia:Los sistemas dúctiles pueden seguir cargando la carga después del rendimiento local al extender los tensiones a los miembros vecinos, reduciendo la posibilidad de colapso progresivo. Es por eso que los puentes usan aceros dúctiles y por qué las tuberías y los cables están diseñados para doblarse o abollarse bajo movimiento de tierra o sobrecarga en lugar de ruptura.

Ductilidad en los materiales avanzados de hoy

Los materiales avanzados enfrentan una compensación clásica de resistencia: a medida que manejamos la fuerza más alta, el refinamiento de grano viático o el endurecimiento microestructural, la mayoría de las aleaciones pierden la ductilidad y nos volvemos propensos a la fractura repentina. Los investigadores abordan esto con tres estrategias principales. Primero, las arquitecturas heterogéneas y nano-lamelares combinan regiones ultra fuertes con otras más conformes, grietas de embotellamiento mientras preservan la fuerza; Algunos sistemas ahora exceden 2 GPA en resistencia a la tracción con ~ 15-16% de alargamiento. Segundo, la transformación de la fase o la transformación de la fase o el hermanamiento de las aleaciones de tripulación/triple (transformación/petimento) durante la deformación para absorber la energía, lo que brinda alta resistencia con alargamiento sustancial: ideal para estructuras automotrices dignas de choque. Tercero, las aleaciones de alta entropía (por ejemplo, CRMNFECONI) mantienen una dureza excepcional a temperaturas criogénicas, desafiando la noción de que "el frío significa quebradizo". Las redes diseñadas y los compuestos de matriz de metal agregan una palanca de diseño, utilizando geometría y refuerzos para ajustar aún más el equilibrio. Por qué es importante: superar esta compensación permite que los automóviles y los aviones más ligeros y seguros, edificios más resistentes y materiales que aún se forman, soldan y máquina de manera confiable. En resumen, el futuro de la ductilidad se trata de la estructura, desde la escala a nanoescala hasta la escala de piezas.

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