Deformación y fractura de materiales

FRACTURA

3.1. INTRODUCCIÓN

3.1.1. Introducción

• Failed fuselaje of the Eloha 737🡪 fisura de fatiga
• Collapse suspensión bridge 🡪 rotura total

¿Por qué mecánica de la fractura?

• Ingeniero recordado por los fallos, no por los aciertos
• Todos los aviones tienen fisuras 🡪 fisuras controladas 🡪 aviso de fallo

Fallo de estructura:

• Yielding 🡪 PLASTICIDAD GENERAL: Precipitaciones Y Juntas de grano.
• Fractura 🡪 PLASTICIDAD LOCALIZADA: Solapamiento, Porosidad, Defectos de soldadura Y Corrosión.

Estrategia de diseño con mecánica de la fractura

[pic 1]

No podemos construir una estructura “libre de defectos”, por eso deseamos:

• Calcular carga admisible
• Determinar tamaño seguro del defecto
• Seleccionar un material para una carga y defecto dado
• Calcular la vida operativa segura
• Elemento tolerante al daño 🡪 ver cómo se va rompiendo para prevenir fallo

• Se mide la long. de la grieta 🡪 long. grieta ↑ 🡪 tensión resist ↓           🡪 HASTA LIMITE DE DISEÑO

3.1.2. Tipos de rotura

FRACTURA FRÁGIL

• Externamente no se ve si se está rompiendo
• No hay deformación plástica apreciable
• Lineas en V, ríos      🡪      [pic 2]
• Superficie de fractura plana y brillante
• Transgranular 🡪 a través del grano                           (foto diapo 11)
• Intergranular 🡪 sigue las juntas de grano                (foto diapo 12)

FRACTURA DÚCTIL

• Fisuración progresiva
• Deformación plástica importante
• Superficie no brillante
• Superficie fibrosa e irregular
• Se romperá por donde menos resist. tenga 🡪 planos cristalográficos 🡪 descohesión
• Material dúctil sometido a tracción con entalla, se rompe por la entalla

Extricción = Tensiones triaxiales 🡪 se genera una cavidad (en juntas de grano) 🡪puede ser esférica u ovalada 🡪 La cavidad crece 🡪 Fractura cuando haya un monton de cavidades

A 45º 🡪 cavidad ovalada 🡪 cizalladura

Impacto:

• Aplicación de la carga de manera brusca
• La velocidad de aplicación de la carga influye en la manera de comportamiento del material
• A Temperatura ↑    🡪   dúctil

Fatiga:

• Cargas cíclicas 🡪 eje de una rueda, árbol de levas, amortiguador
• Origen 🡪 superficie 🡪 sección resistente disminuye 🡪 rotura catastrófica

3.1.3. Triaxialidad de tensiones  (junto con diapos 20-21)

Triaxialidad: Relación entre la menor y mayor tensión principal

• Máximo = 1 (tracción y compresión hydrostáticca)  /  Mínimo = - ∞

Hay un ejercicio en el cuaderno

3.1.4. Modos de rotura

[pic 5]

Modo 1 🡪 Apertura 🡪 Más crítico 🡪 Triaxialidad ↑  🡪 los cálculos se realizan en este caso (σ externas perpendiculares a líneas y plano de fisuración)

Modo 2 🡪 Deslizamiento recto (σ externas perpend a líneas y paralelas a plano de fisuración)

Modo 3 🡪 Deslizamiento helicoidal (σ externas paralelas a líneas y plano de fisuración)

3.1.5. Mecánica lineal de la fractura

3.1.5.1. Concentración de tensiones

Si aplicamos tensión uniforme en una placa 🡪 σ · A tiene que ser igual

Si hay un Defecto de una placa 🡪 Redistribución de tensiones 🡪 mayor tensión en las cercanías de defecto (Amplificación de tensiones)

[pic 6]

ρ = Radio de curvatura

La rotura depende de : conceptos de geométricos 🡪 longitud y radio de fisura

Martensita (dura y frágil) 🡪 Estructura laminar (agujas)

Martensita revenida (globalización )🡪 curvatura mayor

ρ ↓ 🡪 mayor amplificación

Fundición gris laminar 🡪 placa de grafito 🡪 fractura frágil

Fundición gris nodular 🡪 aguanta más

3.1.5.2. Teoría de Griffit de la fractura frágil

Fisura plana = elipse

Hipótesis:

1. El material es elástico-lineal perfecto e isotrópico.
2. Placa delgada infinita (no hay efectos de borde).
3. Tensión plana.
4. Fisura centrada con un radio = distancia interatómica y centrada en el material

Cálculo enrgético 🡪 Para que una fisura se puede formar (o crecer si previamente existe) es necesario que la energía total del sistema se mantenga o disminuya.

Balance energético 🡪 estado de energía mínima

Si hay energía libre en el sistema 🡪 se amplifica la fisura 🡪 Tenemos un agujero + Se crea una intercara 🡪 el átomo que está en superficie no tiene la misma energía

Fisura creciendo 🡪 más superficie libre 🡪 consumen energía

Si la tensión es muy alta la fisura capaz de aguantarlo es muy pequeña 🡪 relación σC y aC

[pic 7]

3.1.5.3. Tenacidad a la fractura

[pic 8]

3.1.5.4. Análisis de tensiones alrededor de una fisura

Falta un caho

[pic 10] (factor de intensidad de tensiones)🡪 no es una propiedad del material

[pic 15] 

• Una fisura en la mitad de material es la mitad de problemática que una fisura en un extremo.
• En el extremo tenemos tensiones más elevadas, debido a la longitud de fisura y el efecto borde.
• Para el mismo valor de [pic 18] la fisura del centro aguanta el doble.
• Cuando el comportamiento es elástico-lineal perfecto 🡪 es aplicable [pic 19]

3.2. MECÁNICA NO LINEAL DE LA FRACTURA

3.2.1. Introducción

[pic 20]

El material no puede sobrepasar el limite de elasticidad 🡪 deformación plástica en la punta de la fisura 🡪 redondeamiento en la punta de la fisura 🡪 deformación plástica local 🡪redistribución de tensiones

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