Ductilidad

Algunos materiales se rompen muy bruscamente, sin deformación plástica, en lo que se denomina fallo frágil. Otros, que son más dúctiles, incluyendo la mayoría de los metales, experimentan cierta deformación plástica y posiblemente un cuello antes de la fractura. En la ciencia de los materiales, la ductilidad es la capacidad de un material de sufrir grandes deformaciones plásticas antes de fallar y es una de las características más importantes que los ingenieros tienen en cuenta durante el diseño. La ductilidad puede expresarse como porcentaje de alargamiento o porcentaje de reducción del área de un ensayo de tracción. La ductilidad es un factor importante para permitir que una estructura sobreviva a cargas extremas, como las debidas a grandes cambios de presión, terremotos y huracanes, sin experimentar un fallo o colapso repentino. Se define como:

En el caso de la prueba de tensión, la ductilidad se mide por un porcentaje de reducción del área. Mide la cantidad de cuello (o cambio en el área de la sección transversal) que se produce antes de la falla última como sigue:

Es posible distinguir algunas características comunes entre las curvas de tensión-deformación de varios grupos de materiales. Sobre esta base, es posible dividir los materiales en dos grandes categorías; a saber:

• Materiales dúctiles. La ductilidad es la capacidad de un material de alargarse en tensión. El material dúctil se deformará (alargará) más que el material frágil. Los materiales dúctiles muestran una gran deformación antes de la fractura. En la fractura dúctil, se produce una gran deformación plástica (necking) antes de la fractura. La fractura dúctil (fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en las plantas de reactores debido a las tensiones añadidas en los metales. Una alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a evitar la fractura frágil.
• Materiales frágiles. Los materiales frágiles, cuando se someten a una tensión, se rompen con poca deformación elástica y sin una deformación plástica significativa. Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de la fractura, incluso los de alta resistencia. En la fractura frágil (escisión transgranular), no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.

La distinción entre fragilidad y ductilidad no es fácilmente aparente, especialmente porque tanto la ductilidad como el comportamiento frágil dependen no sólo del material en cuestión, sino también de la naturaleza y el tipo de tensión, la tasa de carga (desgaste por fatiga) y la temperatura (transición dúctil-frágil). La siguiente figura muestra una curva típica de tensión-deformación de un material dúctil y de un material frágil. Un material dúctil es un material en el que la resistencia es pequeña y la región plástica es grande. El material soportará más tensión (deformación) antes de la fractura. Un material frágil es un material en el que la región plástica es pequeña y la resistencia del material es alta. El ensayo de tracción proporciona tres datos descriptivos sobre un material. Se trata de la tensión a la que comienza la deformación plástica observable o «cesión»; la resistencia a la tracción final o la intensidad máxima de carga que puede soportar en tensión; y el porcentaje de alargamiento o deformación (la cantidad de material que se estirará) y la correspondiente reducción porcentual del área de la sección transversal causada por el estiramiento. También se puede determinar el punto de rotura o fractura.

Ductilidad y dureza

La ductilidad se define más comúnmente como la capacidad de un material de deformarse fácilmente al aplicar una fuerza de tracción, o como la capacidad de un material de soportar la deformación plástica sin romperse. La ductilidad también puede considerarse en términos de capacidad de flexión y aplastamiento. Normalmente, si dos materiales tienen la misma resistencia y dureza, el que tiene mayor ductilidad es más deseable. La ductilidad de muchos metales puede cambiar si se alteran las condiciones. Un aumento de la temperatura aumentará la ductilidad. Un descenso de la temperatura provocará una disminución de la ductilidad y un cambio de comportamiento dúctil a frágil. La fractura dúctil (fractura por cizallamiento) es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura. La ductilidad es deseable en las aplicaciones de alta temperatura y alta presión en las plantas de reactores debido a las tensiones añadidas en los metales. Una alta ductilidad en estas aplicaciones ayuda a evitar la fractura frágil. La ductilidad también contribuye a otra propiedad de los materiales llamada tenacidad. La tenacidad combina la resistencia y la ductilidad en una sola propiedad medible y requiere un equilibrio entre la resistencia y la ductilidad.

La tenacidad es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse. Una de las definiciones de la tenacidad (o, más concretamente, de la tenacidad a la fractura) es que se trata de una propiedad indicativa de la resistencia de un material a la fractura cuando hay una grieta (u otro defecto que concentre la tensión). La tenacidad se suele medir mediante el ensayo Charpy o el ensayo Izod. El ensayo de impacto mide la tenacidad en condiciones de carga repentina y la presencia de defectos como muescas o grietas que concentrarán la tensión en puntos débiles. La tenacidad también puede definirse con respecto a las regiones de un diagrama tensión-deformación. La tenacidad está relacionada con el área bajo la curva tensión-deformación. La curva tensión-deformación mide la tenacidad bajo una carga que aumenta gradualmente. Para ser resistente, un material debe ser a la vez fuerte y dúctil. La siguiente figura muestra una curva típica de tensión-deformación de un material dúctil y un material frágil. Por ejemplo, los materiales frágiles (como la cerámica) que son fuertes pero con una ductilidad limitada no son resistentes; a la inversa, los materiales muy dúctiles con poca resistencia tampoco son resistentes. Para ser resistente, un material debe soportar tanto tensiones como deformaciones elevadas.

Temperatura de transición dúctil-frágil



Tal y como se ha escrito, la distinción entre fragilidad y ductilidad no es muy evidente, especialmente porque tanto la ductilidad como el comportamiento frágil dependen no sólo del material en cuestión sino también de la temperatura (transición dúctil-frágil) del material. El efecto de la temperatura en la naturaleza de la fractura es de considerable importancia. Muchos aceros presentan fractura dúctil a temperaturas elevadas y fractura frágil a bajas temperaturas. La temperatura por encima de la cual un material es dúctil y por debajo de la cual es frágil se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT), temperatura de nula ductilidad (NDT) o temperatura de transición de nula ductilidad. Esta temperatura no es precisa, sino que varía en función de los tratamientos mecánicos y térmicos previos y de la naturaleza y la cantidad de elementos de impureza. Puede determinarse mediante algún tipo de prueba de caída (por ejemplo, las pruebas Charpy o Izod).

La temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) es la temperatura a la que la energía de fractura pasa por debajo de un valor predeterminado (por ejemplo, 40 J para una prueba de impacto Charpy estándar). La ductilidad es un requisito esencial para los aceros utilizados en la construcción de componentes de reactores, como la vasija del reactor. Por lo tanto, la DBTT es importante para el funcionamiento de estas vasijas. En este caso, el tamaño del grano determina las propiedades del metal. Por ejemplo, un tamaño de grano más pequeño aumenta la resistencia a la tracción, tiende a aumentar la ductilidad y da lugar a una disminución de la DBTT. El tamaño del grano se controla mediante el tratamiento térmico en las especificaciones y la fabricación de los recipientes del reactor. La DBTT también puede reducirse mediante pequeñas adiciones de elementos de aleación seleccionados, como el níquel y el manganeso, a los aceros de bajo carbono.

Típicamente, los aceros de baja aleación para recipientes de presión de reactores son aceros ferríticos que presentan el clásico comportamiento de transición de dúctil a frágil con la disminución de la temperatura. Esta temperatura de transición es la más importante durante el calentamiento de la planta.

Modos de fallo:

• Región de baja tenacidad: El principal modo de fallo es la fractura frágil (escisión transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
• Región de alta tenacidad: El principal modo de fallo es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (necking) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.

En algunos materiales, la transición es más brusca que en otros y suele requerir un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en los materiales con una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc) la DBTT es fácilmente aparente, ya que el movimiento de las dislocaciones en forma de tornillo es muy sensible a la temperatura porque el reordenamiento del núcleo de dislocación antes del deslizamiento requiere una activación térmica. Esto puede ser problemático para los aceros con un alto contenido de ferrita. Este hecho es famoso por haber provocado graves grietas en el casco de los buques Liberty en aguas frías durante la Segunda Guerra Mundial, causando muchos hundimientos. Los barcos estaban construidos con una aleación de acero que poseía una tenacidad adecuada según las pruebas de tracción a temperatura ambiente. Las fracturas frágiles se produjeron a temperaturas ambiente relativamente bajas, a unos 4°C (40°F), en las proximidades de la temperatura de transición de la aleación. Hay que tener en cuenta que los metales FCC de baja resistencia (por ejemplo, las aleaciones de cobre) y la mayoría de los metales HCP no experimentan una transición de dúctil a frágil y conservan la resistencia también para temperaturas más bajas. Por otro lado, muchos metales de alta resistencia (por ejemplo, los aceros de muy alta resistencia) tampoco experimentan una transición de dúctil a frágil, pero, en este caso, siguen siendo muy frágiles.

La DBTT también puede verse influida por factores externos como la radiación de neutrones, que provoca un aumento de los defectos internos de la red y la correspondiente disminución de la ductilidad y el aumento de la DBTT.

Fragilización por irradiación

Durante el funcionamiento de una central nuclear, el material de la vasija de presión del reactor y el material de otros elementos internos del reactor están expuestos a la radiación de neutrones (especialmente a los neutrones rápidos >0,5MeV), lo que provoca una fragilidad localizada del acero y de las soldaduras en la zona del núcleo del reactor. Este fenómeno, conocido como fragilización por irradiación, da lugar al aumento constante de la DBTT. No es probable que la DBTT se acerque a la temperatura normal de funcionamiento del acero. Sin embargo, existe la posibilidad de que cuando el reactor se esté apagando o durante un enfriamiento anormal, la temperatura caiga por debajo del valor de la DBTT mientras la presión interna sigue siendo alta. Por lo tanto, los reguladores nucleares exigen que se lleve a cabo un programa de vigilancia del material de la vasija del reactor en los reactores de potencia refrigerados por agua.

Ver también: Reflector de neutrones

La fragilización por radiación puede conducir a la pérdida de tenacidad de fractura. Normalmente, los aceros de baja aleación de las vasijas de presión de los reactores son aceros ferríticos que presentan el clásico comportamiento de transición de dúctil a frágil con la disminución de la temperatura. Esta temperatura de transición es de máxima importancia durante el calentamiento de la planta.

Modos de fallo:

• Región de baja tenacidad: El principal modo de fallo es la fractura frágil (escisión transgranular). En la fractura frágil, no se produce ninguna deformación plástica aparente antes de la fractura. Las grietas se propagan rápidamente.
• Región de alta tenacidad: El principal modo de fallo es la fractura dúctil (fractura por cizallamiento). En la fractura dúctil, se produce una extensa deformación plástica (necking) antes de la fractura. La fractura dúctil es mejor que la fractura frágil, porque hay una propagación lenta y una absorción de una gran cantidad de energía antes de la fractura.

La irradiación de neutrones tiende a aumentar la temperatura (temperatura de transición de dúctil a frágil) a la que se produce esta transición y tiende a disminuir la tenacidad dúctil.