Un material es frágil si, cuando se somete a una tensión , se fractura 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 . La rotura suele ir acompañada de un chasquido agudo. [ cita requerida ]
Cuando se usa en ciencia de materiales , generalmente se aplica a materiales que fallan cuando hay poca o ninguna deformación plástica antes de fallar. Una prueba es hacer coincidir las mitades rotas, que deberían encajar exactamente ya que no se ha producido ninguna deformación plástica.
Fragilidad en diferentes materiales
Polímeros
Las características mecánicas de los polímeros pueden ser sensibles a los cambios de temperatura cercanos a la temperatura ambiente. Por ejemplo, el poli (metacrilato de metilo) es extremadamente frágil a una temperatura de 4 ° C, [1] pero experimenta una mayor ductilidad con el aumento de la temperatura. Los polímeros amorfos son polímeros que pueden comportarse de manera diferente a diferentes temperaturas. Pueden comportarse como un vidrio a bajas temperaturas (la región vítrea), un sólido gomoso a temperaturas intermedias (la región coriácea o de transición vítrea) y un líquido viscoso a temperaturas más altas (el flujo gomoso y la región de flujo viscoso). Este comportamiento se conoce como comportamiento viscoelástico . En la región vítrea, el polímero amorfo será rígido y quebradizo. Al aumentar la temperatura, el polímero se volverá menos quebradizo.
Rieles
Algunos metales exhiben características frágiles debido a sus sistemas de deslizamiento . Cuantos más sistemas de deslizamiento tenga un metal, menos frágil es, porque la deformación plástica puede ocurrir a lo largo de muchos de estos sistemas de deslizamiento. Por el contrario, con menos sistemas de deslizamiento, se puede producir menos deformación plástica y el metal será más frágil. Por ejemplo, los metales HCP ( empaquetados hexagonales cerrados ) tienen pocos sistemas de deslizamiento activos y, por lo general, son frágiles.
Cerámica
Las cerámicas son generalmente quebradizas debido a la dificultad del movimiento de dislocación o deslizamiento. Existen pocos sistemas de deslizamiento en cerámica cristalina en los que una dislocación pueda desplazarse, lo que dificulta la deformación y hace que la cerámica sea más frágil. Los materiales cerámicos generalmente exhiben enlaces iónicos . Debido a la carga eléctrica de los iones y su repulsión de iones con carga similar, el deslizamiento se restringe aún más.
Cambio de materiales frágiles
Los materiales se pueden cambiar para que se vuelvan más quebradizos o menos quebradizos.
Endurecimiento
Cuando un material ha alcanzado el límite de su resistencia, generalmente tiene la opción de deformarse o fracturarse. A naturalmente maleable de metal se puede hacer más fuerte al impedir los mecanismos de deformación plástica (reducción de tamaño de grano , el endurecimiento por precipitación , endurecimiento de trabajo , etc.), pero si esto se toma a un extremo, la fractura se convierte en el resultado más probable, y la lata de material volverse frágil. Mejorar la tenacidad del material es, por tanto, un acto de equilibrio. Los materiales naturalmente quebradizos, como el vidrio , no son difíciles de endurecer eficazmente. La mayoría de estas técnicas involucran uno de dos mecanismos : desviar o absorber la punta de una grieta que se propaga o crear tensiones residuales cuidadosamente controladas para que las grietas de ciertas fuentes predecibles se cierren a la fuerza. El primer principio se utiliza en vidrio laminado donde dos hojas de vidrio están separadas por una capa intermedia de butiral de polivinilo . El butiral de polivinilo, como polímero viscoelástico , absorbe la grieta en crecimiento. El segundo método se utiliza en vidrio templado y hormigón pretensado . Prince Rupert's Drop ofrece una demostración del endurecimiento del vidrio . Los polímeros frágiles se pueden endurecer mediante el uso de partículas metálicas para iniciar grietas cuando una muestra está sometida a tensión; un buen ejemplo es el poliestireno de alto impacto o HIPS. Las cerámicas estructurales menos frágiles son el carburo de silicio (principalmente en virtud de su alta resistencia) y la zirconia endurecida por transformación .
Se utiliza una filosofía diferente en los materiales compuestos , donde las fibras de vidrio quebradizas , por ejemplo, se incrustan en una matriz dúctil como la resina de poliéster . Cuando se filtra, se forman grietas en la interfaz vidrio-matriz, pero se forman tantas que se absorbe mucha energía y, por lo tanto, el material se endurece. El mismo principio se utiliza para crear compuestos de matriz metálica .
Efecto de la presión
Generalmente, la resistencia a la fragilidad de un material se puede incrementar mediante la presión . Esto sucede como un ejemplo en la zona de transición frágil-dúctil a una profundidad aproximada de 10 kilómetros (6.2 millas) en la corteza terrestre , en la cual la roca se vuelve menos propensa a fracturarse y más propensa a deformarse dúctilmente (ver rheid ).
Crecimiento de grietas
La fractura supersónica es un movimiento de grieta más rápido que la velocidad del sonido en un material quebradizo. Este fenómeno fue descubierto por primera vez [ cita requerida ] por científicos del Instituto Max Planck de Investigación de Metales en Stuttgart ( Markus J. Buehler y Huajian Gao ) y el Centro de Investigación IBM Almaden en San José , California ( Farid F. Abraham ).
Ver también
- Prueba de resistencia al impacto Izod
- Prueba de impacto Charpy
- Fractografía
- Ingenieria forense
- Ductilidad
- Fortalecimiento de los mecanismos de materiales.
- Tenacidad
Referencias
- ^ Callister, Jr., William D .; Rethwisch, David G. (2015). Fundamentos de ciencia e ingeniería de materiales (5 ed.). Wiley. ISBN 978-1-119-17548-3.
- Lewis, Peter Rhys; Reynolds, K; Gagg, C (2004). Ingeniería de Materiales Forenses: Casos de estudio . Prensa CRC. ISBN 978-0-8493-1182-6.
- Rösler, Joachim; Harders, Harald; Bäker, Martin (2007). Comportamiento mecánico de materiales de ingeniería: metales, cerámicas, polímeros y compuestos . Saltador. ISBN 978-3-642-09252-7.
- Callister, William D .; Rethwisch, David G. (2015). Fundamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales . Wiley. ISBN 978-1-119-17548-3.