Imagine dejar caer su taza de café favorita en el piso de la cocina, se rompe en piezas afiladas. Ahora imagine que una pantalla de pantalla de un teléfono inteligente se mueve después de una caída, o un agrietamiento de pared de concreto no reforzado durante un terremoto. Estos ejemplos cotidianos destacan la fragilidad, una propiedad material que puede conducir a una rotura repentina sin previo aviso. La fragilidad es importante para la seguridad y la fiabilidad: un componente frágil en un edificio, puente o producto puede fallar catastróficamente si no se tiene en cuenta. La historia ofrece recordatorios crudos, la mayoría del RMS Titanic, cuyo acero se volvió frágil en las frías aguas del Atlántico y se agrietó en el impacto en lugar de la flexión, contribuyendo al desastre. Los ingenieros y diseñadores prestan mucha atención a la fragilidad porque, a diferencia de los materiales dúctiles que se doblan o se estiran, los frágiles tienden a romperse bajo estrés.
Esta publicación explora qué es la fragilidad y cómo difiere de la dureza y la dureza. También explica por qué materiales como vidrio o hierro fundido son frágiles, y cómo probamos y mitigamos la fragilidad en el diseño de ingeniería.
¿Qué es la brecha?
La fragilidad en la ciencia de los materiales se refiere a la tendencia de un material a fracturarse con poca o ninguna deformación plástica de antemano. En pocas palabras, un material quebradizo no se dobla ni se extiende mucho, se rompe. Si intenta doblar un objeto quebradizo, se agrietará o se romperá casi de inmediato en lugar de sufrir deformación plástica. Esto es lo contrario deductilidad, la capacidad de un material para mantener una deformación plástica significativa (por ejemplo, ser arrastrado al cable o doblado) antes de fallar. Los metales altamente dúctiles (como el cobre u oro) pueden doblarse, estirarse o extenderse considerablemente, mientras que los materiales quebradizan (como el vidrio o la cerámica) se fracturan después de solo una pequeña tensión elástica.
FRACTIVE versus ductilidad, dureza y dureza
Comparar la fragilidad y la ductilidad se reduce a cuánto puede deformarse plásticamente antes de la fractura. Un material quebradizo tiene una ductilidad muy baja y alcanza su punto de ruptura con una pequeña tensión; uno dúctil puede mantener una deformación plástica significativa. En los metales, una regla general común es que el alargamiento en la ruptura ≲ ~ 5% a menudo se llamafrágil, mientras que ≳ ~ 5% se consideradúctil(dependiente del material y la prueba; la cerámica y el vidrio son típicamente muy por debajo del 1%). Prácticamente, los materiales frágiles dan poca advertencia: no se doblan o el cuello visiblemente antes de romperse. EnCurva de tensión -tensión, los materiales dúctiles muestran rendimiento y una larga región plástica, mientras que los materiales quebradizan son casi lineales elásticos hasta una fractura abrupta con una plasticidad mínima.
Tenacidaddescribe la energía que un material se absorbe antes de fracturarse (piense: el área bajo una curva de tensión -deformación). Por lo general, aumenta cuando un material combina alta resistencia y buena ductilidad; No es el estricto "opuesto" de la fragilidad. Un neumático de goma es difícil porque se deforma y absorbe el impacto; El vidrio recocido es frágil porque no puede deformarse plásticamente, por lo que un golpe afilado puede hacer que se agrieta.
Durezaes un concepto diferente: es la resistencia al rascado y la sangría localizada. Un material puede ser extremadamente duro pero quebradizo. Diamond, por ejemplo, se resiste a rascar pero, sin plasticidad, puede darle un golpe o escindir bajo un golpe agudo. Por el contrario, algo relativamente suave (como el caucho) puede resistir el agrupamiento del impacto porque puede deformarse. En resumen, la dureza se refiere a la resistencia a la deformación localizada, mientras que la fragilidad describe el comportamiento de la fractura.
Ejemplos de materiales frágiles y cómo fallan
Muchos materiales cotidianos e industriales exhiben un comportamiento frágil. Aquí hay algunos ejemplos y cómo fallan bajo estrés:
Vaso:El vidrio ordinario (como el vidrio de la ventana o un vaso para beber) es un material clásico quebradizo. Es muy duro y fuerte en compresión, pero bajo estrés o impacto de tracción no puede deformarse plásticamente. Coloque un vaso en un piso duro y generalmente se fractura en fragmentos grandes y afilados. La falla es por propagación de grietas: una vez que un pequeño defecto o punto de impacto inicia una grieta, corre a través del vidrio casi sin deformación plástica. Esta fragilidad proviene de su estructura: la red de sílice es rígida y amorfa, y a diferencia de los metales no hay dislocaciones móviles para aliviar el estrés. Curiosamente, los tratamientos especiales pueden cambiar la forma en que se rompe el vidrio, por ejemplo, el vidrio templado, producido por el tratamiento térmico para introducir tensiones de compresión de superficie, todavía es frágil pero tiende a romperse en piezas pequeñas y rectas como dados (por lo tanto, "vidrio de seguridad"). El vidrio laminado, utilizado en parabrisas, une dos capas de vidrio a una capa intermedia de plástico (generalmente PVB), por lo que cuando las grietas forman la capa intermedia mantienen las piezas juntas. Estos tratamientos mitigan el modo de falla, pero fundamentalmente el vidrio falla al agrietarse, no doblarse.
Cerámica:Las cerámicas son igualmente frágiles. Gire un jarrón de cerámica de un estante y se astillará o romperá en lugar de abolladuras. Estructuralmente, las cerámicas se unen iónicamente y/o covalentemente y a menudo son policristalinos (la porcelana también contiene una fase vidriosa). En una placa de porcelana, por ejemplo, la red atómica es rígida; Cuando está estresado, los planos atómicos no pueden deslizarse fácilmente. En los sólidos iónicos, un pequeño cambio trae iones cargados como un lado al otro, repelen fuertemente y se inicia una grieta. Debido a que el movimiento de dislocación es limitado y los enlaces son direccionales, la cerámica tiene alta dureza y resistencia a la compresión, pero tienden a romperse bajo tensión o flexión. Cuando fallan, las superficies de fractura generalmente están limpias y facetadas a lo largo de los planos de cristal (escisión). Un mosaico de cerámica cargado más allá de su capacidad desarrolla grietas que se propagan a través del cuerpo y se rompen con una fractura limpia y de vidrio, prácticamente sin rendimiento visible.
Hierro fundido (especialmente hierro fundido gris):El hierro fundido es un metal, pero ciertas calificaciones son notoriamente frágiles. Si alguna vez has visto un viejo bloque de motor de hierro fundido o una grieta de tubería de hierro fundido, has sido testigo de fractura quebradiza. El hierro fundido gris (llamado así por el color gris de su superficie de fractura) tiene un contenido de carbono relativamente alto; El carbono forma copos de grafito distribuidos por toda la matriz de hierro. Estas copos se comportan como grietas internas y concentradores de estrés fuertes, por lo que el metal no puede estirarse mucho antes de que se rompa. Como resultado, el hierro fundido es muy fuerte en compresión (cuando se admite uniformemente) pero puede fallar repentinamente en tensión o bajo impacto. En contraste, el hierro dúctil (nodular) es un hierro fundido modificado en el que se induce el grafito a formar nódulos esféricos (típicamente a través del tratamiento con magnesio); Es mucho menos frágil y se deformará bajo un impacto en lugar de romperse. Discutiremos esto más a fondo en la sección de diseño.
Concreto:El concreto puede parecer sólido y como una roca (y lo es), pero es otro ejemplo de un material frágil. Bajo compresión, el concreto es muy fuerte y puede transportar cargas muy grandes. Sin embargo, bajo tensión (tracción o flexión), el concreto liso se agrieta fácilmente. La combinación de pasta de cemento y agregado mineral duro forma una matriz rígida con una capacidad muy limitada para fluir plásticamente, por lo que las pequeñas cepas de tracción abren microcracks que se unen rápidamente. Es por eso que el concreto reforzado es tan común: la refuerzo de acero está incrustada para llevar tensión y agregar ductilidad (y tenacidad). El acero puede ceder y estirarse, manteniendo la sección unida y proporcionando advertencia, cracks se forman y se amplía gradualmente, en lugar de un colapso repentino de frágil.
Otros materiales frágiles:Hay muchos otros ejemplos. Los aceros de herramientas de carbono alto o altamente endurecido pueden ser frágiles si no templados. Un archivo o una cuchilla de cuchillo muy dura puede romperse cuando se dobla porque el carbono y la dureza más altos reducen la ductilidad. El grafito, como en el lápiz "plomo", es frágil: su estructura en capas permite que los planos se deslicen para dejar una marca, pero el palo se rompe fácilmente bajo una fuerza modesta. Algunos polímeros también son frágiles. El poliestireno (el plástico rígido utilizado en cubiertos desechables y cajas de CD antiguas) tiende a romperse en lugar de doblarse.
¿Por qué algunos materiales son frágiles?
Para comprender la fragilidad, ayuda a ver lo que sucede dentro de un material a las escalas micro y atómicas. Los materiales difieren en sus enlaces atómicos y microestructuras, y estas diferencias determinan cómo responden al estrés.
En metales cristalinos, la unión metálica delocalizada y las dislocaciones móviles normalmente permiten el flujo de plástico. Cuando el deslizamiento es fácil, el estrés redistribuye y las puntas de las grietas se rompen. Donde la unión es altamente direccional o el cristal ofrece pocos sistemas de deslizamiento operables, la plasticidad está restringida; El estrés se concentra hasta que una grieta se nuclee y se propaga.
La microestructura luego decide cómo crece esa grieta. Las inclusiones agudas, las segundas fases duras, los poros o las interfaces débiles actúan como sitios de lanzamiento y vías para grietas. La temperatura y la tasa de deformación también son las temperaturas más bajas o las tasas de deformación más altas reducen la plasticidad, empujando el comportamiento hacia la fractura frágil. El medio ambiente puede inclinar el equilibrio: el hidrógeno atómico acelera el agrietamiento, mientras que la degradación del límite de grano (por ejemplo, corrosión intergranular o segregación de impureza) reduce la cohesión a lo largo de los límites.
En pocas palabras, la fragilidad emerge cuando el alojamiento de plástico es escaso y las fuerzas de conducción de grietas dominan. Si un material no puede mover las dislocaciones libremente o disipar la energía en la punta de la grieta, la falla es repentina y da poca advertencia.
¿Cómo medir o probar la fragilidad?
Dado que la fragilidad se trata del comportamiento de un material bajo estrés (fractura con poca deformación), no hay un solo "número de fragilidad" que pueda buscar como densidad o punto de fusión; En cambio, los ingenieros lo caracterizan indirectamente utilizando pruebas de ductilidad, resistencia a la fractura y energía de impacto.
Una de las formas estándar de medir el comportamiento quebradizo es una prueba de tracción. Se extrae un espécimen de hueso del perro mientras se registra el estrés y la tensión para generar una curva de tensión-deformación. Una respuesta frágil es un camino elástico casi lineal a la fractura repentina, con poca o ninguna región de rendimiento. Dos indicadores rápidos, elgación en la ruptura y la reducción del área, son medidas de ductilidad (e inversamente indican la fragilidad). Un material quebradizo mostrará una baja alargamiento y una reducción mínima del área (poco o ningún cuello). Para los metales, la configuración de la prueba y los informes siguen a ASTM E8.
En una prueba de impacto en V de Charpy, una barra con muescas se ve afectada por un péndulo oscilante y la pérdida en la energía del péndulo (a partir del cambio en la altura del swing) se registra como la energía absorbida en Joules (J). La energía baja absorbida indica una respuesta frágil; La alta energía indica resistencia. Debido a que el resultado depende del tamaño de la muestra y la geometría de muesca, la energía Charpy se usa mejor para comparaciones y estudios de temperatura, no como una constante de material fundamental. La ejecución de la prueba a múltiples temperaturas mapea la transición dúctil a frágil. Los ingenieros también leen la superficie de la fractura: las características brillantes, facetadas/de escisión sugieren fractura quebradiza, mientras que una apariencia aburrida y fibrosa indica una ruptura dúctil.
Otra medida clave es la dureza de la fractura de deformación de plano (kBeer), un parámetro de mecánica de fractura que cuantifica la resistencia de un material al crecimiento de las grietas. Se determina a partir de las pruebas de precisión en muestras previas a la crack y representa el factor crítico de intensidad de estrés en el que una grieta comienza a extenderse. Los materiales quebradizos tienen K bajoBeery por lo tanto, la mala tolerancia a la falla: las grietas menores pueden causar fallas en un estrés relativamente bajo, mientras que los materiales dúctiles resistentes tienen k altasBeery puede contundir o arrestar grietas. Los ingenieros usan datos de fractura de tensión para establecer tamaños de defectos permitidos y diseñar contra fractura repentina en el servicio.
Cómo prevenir una falla quebradiza en su diseño
Debido a que la fragilidad puede conducir a fallas repentinas y catastróficas, los ingenieros han desarrollado estrategias para lidiar con ella, ya sea seleccionando diferentes materiales o modificando materiales y diseños para que el comportamiento quebradizo sea menos peligroso.
Selección y tratamiento de materiales
La forma más sencilla de evitar fallas frágiles es elegir un material más dúctil para piezas en tensión, flexión o impacto. Los diseñadores estructurales a menudo favorecen los aceros o las aleaciones de aluminio que cederán y doblarán antes de romperse. Cuando se requieren propiedades como la alta dureza, la capacidad de alta temperatura o el comportamiento eléctrico específico, apuntando a opciones inherentemente frágiles (por ejemplo, cerámica técnica, vidrio de visualización), los ingenieros mejoran la tenacidad a través del procesamiento. En los aceros, las microestructuras altas de carbono son muy duras pero frágiles; El templado intercambia un poco de dureza para una gran ganancia en la dureza. El hierro fundido ofrece otro caso: el hierro gris es quebradizo debido al grafito de escamas; Agregar pequeñas cantidades de Mg o CE produce hierro dúctil (nodular) con grafito esferoidal, reduciendo las concentraciones de estrés y mejora notablemente la ductilidad y la resistencia al impacto.
Materiales compuestos
La combinación de una matriz frágil con una fase más dúctil aumenta la dureza. El concreto reforzado combina concreto (frágil) con barras de barra de acero (dúctil) para que la sección pueda transportar tensión y evitar un colapso repentino. Del mismo modo, los polímeros reforzados con fibra y los compuestos de la matriz de cerámica incrustan el vidrio, el carbono o las fibras de aramida que unen grietas, desvían las rutas y retiran, aumentando la energía requerida para el crecimiento de las grietas (mayor resistencia a la fractura).
Geometría de diseño y factores de seguridad
Reducir los concentradores de tensión evitando esquinas y muescas afiladas; Use filetes generosos. Agregue grosor o costillas donde las cargas sean más altas: una lámina de vidrio delgada se rompe mucho más fácilmente que un panel grueso. Para la cerámica y el vidrio, inducir la compresión de la superficie (por ejemplo, templado) aumenta la dureza aparente al requerir un mayor estrés por tracción para comenzar una grieta. Debido a que las piezas frágiles ofrecen poca advertencia, los diseñadores también usan factores de seguridad más altos y programan inspecciones regulares; En aeroespacial, por ejemplo, los componentes que pueden comportarse de manera frágil se verifican con rayos X o ultrasonido para grietas internas.
Control ambiental
La temperatura y el medio ambiente cambian cómo se deforman los materiales y la fractura. Si una aleación se vuelve frágil a bajas temperaturas, establezca una temperatura mínima de servicio o seleccione una calificación A con una temperatura de transición dúctil a frágil más baja para climas fríos. Del mismo modo, si la camioneta de hidrógeno es un riesgo (fragilidad de hidrógeno en aceros de alta resistencia), use recubrimientos preventivos y procesos que minimicen la carga y realicen un hornear (eliminación térmica) para expulsar el hidrógeno absorbido.
Fail-Safes y Redundancy
En aplicaciones críticas, suponga que las grietas pueden formar y diseñar rutas de carga redundantes y características a prueba de fallas. Los parabrisas laminados usan una capa intermedia de plástico (por ejemplo, PVB) para que si el vidrio se agrieta, los fragmentos permanecen unidos en lugar de convertirse en fragmentos peligrosos. Los recipientes a presión y las tuberías pueden incorporar arrugadores de grietas o construcción en capas/segmentada, por lo que una grieta de carrera rápida pierde la fuerza impulsora y se detiene. El objetivo es simple: evitar que una sola grieta frágil se cascada en una falla catastrófica.
Conclusión
Hemos visto que la fragilidad es esencialmente una falta de ductilidad y dureza: materiales como vidrio, cerámica, concreto y hierro fundido pueden soportar cargas hasta un punto, luego fallar abruptamente. Los ingenieros y científicos siguen elevando los umbrales para una falla frágil: desarrollar aleaciones y compuestos más duros, mejorar la ductilidad a través del procesamiento y diseñar estructuras que resisten la falla de una sola crack.
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Preguntas frecuentes
¿Es la fragilidad una propiedad física?
Sí. La fragilidad es una propiedad mecánica (un subconjunto de propiedades físicas): describe la tendencia de un material a fracturarse con poca deformación plástica bajo estrés. No es un solo número intrínseco; Su expresión depende de la temperatura, la tasa de deformación, la microestructura y los defectos, y se evalúa indirectamente (por ejemplo, alargamiento en la ruptura, energía de impacto, dureza de la fractura).
¿Cuál es la diferencia entre "frágil" y "frágil"?
Fragile es un adjetivo general a nivel de objeto: algo se daña fácilmente o se rompe en el manejo o el servicio, a menudo porque es delgado, mal soportado o degradado. Brittle es un término de ciencia de materiales: un material de material con poca deformación plástica (baja ductilidad/dureza), típicamente por un rápido crecimiento de crack; Es independiente de la dureza y la rigidez.
