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Mecánica de la fractura

La mecánica de la fractura estudia el crecimiento de grietas, la propagación de grietas y la capacidad de absorber grietas en el componente o material en condiciones de servicio (funcionamiento, vida útil, etc.).Los valores característicos del material determinados a partir de la función esfuerzo-tiempo, influyen en el diseño y la fabricación de un componente.

La mecánica de la fractura desempeña un papel muy importante en muchos sectores industriales como la industria aeronáutica y de automoción.Al estimar la vida útil o durabilidad de los componentes agrietados, los intervalos de inspección y mantenimiento se pueden definir de forma específica.

Conceptos de la mecánica de la fractura

Distinguimos entre dos categorías: la mecánica de fractura elástica lineal (MFEL) y la mecánica de fractura elastoplástica (MFEP).

En la mecánica de fractura lineal elástica (apta para materiales frágiles), el material tiene un comportamiento lineal elástico hasta que se rompe sin deformarse (propagación de grieta inestable).Un valor característico clásico de la MFEL es el factor crítico de intensidad de tensiones K1C, que describe la intensidad de tensiones (K) crítica (C) en modo de apertura de grieta (1).

Si, por el contrario, el material presenta una fractura dúctil, es decir, una deformación plástica alrededor del pico de la grieta, se emplea el concepto de mecánica de la fractura elastoplástica.Aquí hay dos definiciones, una es la determinación de los valores característicos: a través de la energía acumulada en el área alrededor del pico de la grieta (concepto integral J) y a través del desplazamiento de apertura de los picos de grieta (CTOD "crack tip opening displacement").

Normas destacadas de la mecánica de la fractura

  • ASTM E399-09 - Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K1C of Metallic Materials
  • ASTM E647 – Standard Test Method for Measurement of Fatigue crack growth rates (da/dN)
  • ASTM E1820-11 – Standard Test Method for Measurement of Fatigue crack growth rates (da/dN)
  • ISO 12135 - Método de ensayo unificado para la determinación de la tenacidad a la fractura cuasiestática

Propagación de la grieta en materiales metálicos

Los defectos preexistentes, condicionados por la fabricación, que se dar en el componente o en su superficie representan núcleos de grietas que favorecen la formación de grietas bajo carga.Dichos defectos pueden convertirse en grietas, es decir, daños materiales macroscópicos que pueden registrarse técnicamente.En este caso, hablamos de la fase de inicio de la grieta.

En la siguiente fase de propagación de la grieta, la grieta sigue creciendo en el componente hasta que la intensidad de la tensión K supera un valor crítico antes de llegar al pico de la grieta y el componente falla bruscamente.

Las grietas se propagan de forma estable (estado precrítico) o inestable (estado crítico) en componentes bajo carga continua o cíclica.Para los materiales frágiles se puede indicar el factor de intensidad de tensiones crítico K1C que se determina según las especificaciones de la norma ASTM E399.Si la intensidad de la tensión K de la grieta en crecimiento se sitúa por debajo del factor K1C, la grieta se propaga de manera estable y puede detenerse en cualquier momento cuando se produce la descarga.Si, en cambio, se supera el factor K1C, se producirá un crecimiento inestable de la grieta y se producirá una fractura repentina del componente.

La curva de crecimiento de grietas se puede dividir en tres fases:

  • Fase I:Umbral ΔKth
  • Fase II:Crecimiento de grieta por fatiga da/dN
  • Fase III:Factor crítico de intensidad de tensiones K1C (tenacidad a la fractura)

Formas de probeta de la mecánica de la fractura

En la mecánica de fracturas se utilizan probetas de diferentes formas, que se eligen en función de la norma y del material disponible para el ensayo.Las formas de probeta estandarizadas se definen en la norma para facilitar resultados unos resultados de ensayo comparables.

Probeta C(T)

La forma de probeta más utilizada en mecánica de la fractura es la compacta o CT (del inglés Compact Tension).Se emplea para el ensayo según la norma ASTM E399 / E647.

En las normas también se incluyen las siguientes formas que se seleccionan en función del sector y las materias primas disponibles:

  • Probeta M(T), Middle Tension, para ensayos según la norma ASTM E647
  • Probeta ESE(T), Eccentrically loaded single edge crack tension, probeta para el ensayo según la norma ASTM E647
  • Probeta SE(B), Single edge bend, para el ensayo según la norma ASTM E399
  • Probeta DC(T), Disc-Shaped Compact Tension para el ensayo según la norma ASTM E399
  • Probeta A(T), Arc-Shaped tension, para ensayos según la norma ASTM E399
  • Probeta A(B), Arc-Shaped bend, para el ensayo según la norma ASTM E399

Más información sobre la mecánica de la fractura

Máquinas de ensayos de materiales para determinar la mecánica de la fractura

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