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Para conocer la ductilidad en las ciencias de la Tierra, consulte Ductilidad (ciencias de la Tierra) .
La "maleabilidad" vuelve a dirigir aquí. Para la propiedad en criptografía, consulte Malleabilidad (criptografía) .
Ensayo de tracción de una aleación de AlMgSi . El cuello local y las superficies de fractura de copa y cono son típicos de los metales dúctiles.
Esta prueba de tracción de una fundición nodular demuestra baja ductilidad.

La ductilidad es una propiedad mecánica que se describe comúnmente como la facilidad de estiramiento de un material (por ejemplo, en alambre). [1] En la ciencia de los materiales , la ductilidad se define por el grado en que un material puede soportar la deformación plástica bajo tensión de tracción antes de fallar. [2] [3] La ductilidad es una consideración importante en la ingeniería y la fabricación, ya que define la idoneidad de un material para determinadas operaciones de fabricación (como el trabajo en frío ) y su capacidad para absorber la sobrecarga mecánica. [4] Los materiales que generalmente se describen como dúctiles incluyen el oro y el cobre . [5]

La maleabilidad , una propiedad mecánica similar, se caracteriza por la capacidad de un material de deformarse plásticamente sin fallar bajo tensión de compresión . [6] [7] Históricamente, los materiales se consideraban maleables si se podían moldear mediante martillado o laminado. [1] El plomo es un ejemplo de un material que es relativamente maleable pero no dúctil. [5] [8]

Ciencia de los materiales [ editar ]

El oro es extremadamente dúctil. Se puede dibujar en un cable monoatómico y luego estirar más antes de que se rompa. [9]

La ductilidad es especialmente importante en el trabajo de metales , ya que los materiales que se agrietan, rompen o rompen bajo tensión no pueden manipularse mediante procesos de formación de metales como martilleo , laminado , trefilado o extrusión . Los materiales maleables se pueden formar en frío mediante estampación o prensado , mientras que los materiales quebradizos se pueden moldear o termoconformar .

Los altos grados de ductilidad se deben a los enlaces metálicos , que se encuentran predominantemente en los metales; esto conduce a la percepción común de que los metales son dúctiles en general. En enlaces metálicos capa de valencia electrones están deslocalizados y compartidos entre muchos átomos. Los electrones deslocalizados permiten que los átomos de metal se deslicen unos sobre otros sin estar sujetos a fuertes fuerzas repulsivas que harían que otros materiales se rompieran.

La ductilidad del acero varía según los componentes de la aleación. El aumento de los niveles de carbono disminuye la ductilidad. Muchos plásticos y sólidos amorfos , como Play-Doh , también son maleables. El metal más dúctil es el platino y el metal más maleable es el oro . [10] [11] Cuando se estiran mucho, estos metales se distorsionan a través de la formación, reorientación y migración de dislocaciones y gemelos cristalinos sin un endurecimiento notable. [12]

Cuantificación de ductilidad [ editar ]

Las cantidades que se usan comúnmente para definir la ductilidad en una prueba de tensión son el porcentaje de alargamiento (a veces denotado como ) y la reducción del área (a veces denotado como ) en la fractura. [13] La deformación por fractura es la deformación de ingeniería a la que una muestra de prueba se fractura durante una prueba de tracción uniaxial . El porcentaje de elongación, o deformación de ingeniería en el momento de la fractura, se puede escribir como: [14] [15] [16]

La reducción porcentual en el área se puede escribir como: [14] [15] [16]

donde el área de preocupación es el área de la sección transversal del calibre de la muestra.

De acuerdo con el Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley [17], significante denota aproximadamente un 5.0 por ciento de elongación.

Temperatura de transición dúctil-frágil[ editar ]

Aspecto esquemático de barras redondas de metal después de la prueba de tracción.
(a) Fractura frágil
(b) Fractura dúctil
(c) Fractura completamente dúctil


Los metales pueden sufrir dos tipos diferentes de fracturas: fractura frágil o fractura dúctil. La propagación de fallas ocurre más rápidamente en materiales frágiles debido a la capacidad de los materiales dúctiles de sufrir deformaciones plásticas. Por lo tanto, los materiales dúctiles pueden soportar más tensión debido a su capacidad para absorber más energía antes de fallar que los materiales frágiles. La deformación plástica da como resultado el material siguiendo una modificación de la ecuación de Griffith, donde el esfuerzo crítico de fractura aumenta debido al trabajo plástico requerido para extender la grieta sumando el trabajo necesario para formar la grieta - trabajo correspondiente al aumento de energía superficial que resulta de la formación de una superficie de grieta adicional. [18]La deformación plástica de los metales dúctiles es importante ya que puede ser un signo de la posible falla del metal. Sin embargo, el punto en el que el material muestra un comportamiento dúctil frente a un comportamiento frágil no solo depende del material en sí, sino también de la temperatura a la que se aplica la tensión al material. La temperatura en la que el material cambia de frágil a dúctil o viceversa es crucial para el diseño de productos metálicos que soportan carga. La temperatura mínima a la que el metal pasa de un comportamiento frágil a un comportamiento dúctil, o de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil, se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT). Por debajo del DBTT, el material no podrá deformarse plásticamente,y la tasa de propagación de grietas aumenta rápidamente, lo que hace que el material sufra una falla por fragilidad rápidamente. Además, DBTT es importante ya que, una vez que un material se enfría por debajo del DBTT, tiene una tendencia mucho mayor a romperse con el impacto en lugar de doblarse o deformarse (fragilización por baja temperatura ). Por lo tanto, el DBTT indica que a medida que la temperatura disminuye, la capacidad de un material para deformarse de manera dúctil disminuye y, por lo tanto, la tasa de propagación de grietas aumenta drásticamente. En otras palabras, los sólidos son muy frágiles a temperaturas muy bajas y su tenacidad se vuelve mucho mayor a temperaturas elevadas.

Para aplicaciones más generales, se prefiere tener un DBTT más bajo para garantizar que el material tenga un rango de ductilidad más amplio. Esto asegura que se inhiban las grietas repentinas para evitar fallas en el cuerpo metálico. Se ha determinado que cuantos más sistemas de deslizamiento tenga un material, más amplio será el rango de temperaturas a las que se exhibe el comportamiento dúctil. Esto se debe a que los sistemas de deslizamiento permiten un mayor movimiento de las dislocaciones cuando se aplica una tensión al material. Por lo tanto, en materiales con una menor cantidad de sistemas de deslizamiento, las dislocaciones a menudo quedan atrapadas por obstáculos que conducen al endurecimiento por deformación, lo que aumenta la resistencia de los materiales y hace que el material sea más frágil. Por esta razón, las estructuras de FCC son dúctiles en un amplio rango de temperaturas, las estructuras de BCC son dúctiles solo a altas temperaturas,y las estructuras de HCP suelen ser frágiles en amplios rangos de temperaturas. Esto lleva a que cada una de estas estructuras tenga un rendimiento diferente a medida que se acercan a la falla (fatiga, sobrecarga y agrietamiento por tensión) bajo varias temperaturas, y muestra la importancia del DBTT en la selección del material correcto para una aplicación específica. Por ejemplo,El zamak 3 presenta una buena ductilidad a temperatura ambiente, pero se rompe cuando se impacta a temperaturas bajo cero. DBTT es una consideración muy importante en la selección de materiales que están sujetos a tensiones mecánicas. Un fenómeno similar, la temperatura de transición vítrea , ocurre con vidrios y polímeros, aunque el mecanismo es diferente en estos materiales amorfos.. El DBTT también depende del tamaño de los granos dentro del metal, ya que normalmente un tamaño de grano más pequeño conduce a un aumento en la resistencia a la tracción, lo que resulta en un aumento de la ductilidad y una disminución en el DBTT. Este aumento en la resistencia a la tracción se debe a los tamaños de grano más pequeños que resultan en el endurecimiento del límite de grano que ocurre dentro del material, donde las dislocaciones requieren una tensión mayor para evitar los límites de grano y continuar propagándose por todo el material. Se ha demostrado que al continuar refinando los granos de ferrita para reducir su tamaño, de 40 micrones a 1,3 micrones, es posible eliminar el DBTT por completo de modo que nunca se produzca una fractura frágil en el acero ferrítico (como sería el DBTT requerido. por debajo del cero absoluto). [19]

En algunos materiales, la transición es más aguda que en otros y normalmente requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en materiales con una celosía cúbica centrada en el cuerpo (bcc), el DBTT es fácilmente evidente, ya que el movimiento de las dislocaciones de los tornillos es muy sensible a la temperatura porque la reordenación del núcleo de dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede ser problemático para aceros con un alto contenido de ferrita . Esto supuestamente resultó en un grave agrietamiento del casco de los barcos Liberty en aguas más frías durante la Segunda Guerra Mundial , lo que provocó muchos hundimientos. La DBTT también puede verse influenciada por factores externos como la radiación de neutrones , que conduce a un aumento de ladefectos de celosía y la correspondiente disminución de la ductilidad y aumento de DBTT.

El método más preciso para medir el DBTT de un material es mediante pruebas de fractura . Típicamente prueba de curvatura de cuatro puntosen un rango de temperaturas se realiza en barras pre-agrietadas de material pulido. Por lo general, se utilizan dos pruebas de fractura para determinar el DBTT de metales específicos: la prueba Charpy V-Notch y la prueba Izod. La prueba Charpy de muesca en V determina la capacidad de absorción de energía de impacto o la tenacidad de la muestra midiendo la diferencia de energía potencial resultante de la colisión entre una masa en un péndulo en caída libre y la muesca mecanizada en forma de V en la muestra, lo que da como resultado la péndulo rompiendo la muestra. El DBTT se determina repitiendo esta prueba en una variedad de temperaturas y observando cuándo la fractura resultante cambia a un comportamiento frágil que ocurre cuando la energía absorbida disminuye drásticamente. La prueba Izod es esencialmente la misma que la prueba Charpy,siendo el único factor diferenciador la ubicación de la muestra; En el primero la muestra se coloca verticalmente, mientras que en el segundo la muestra se coloca horizontalmente con respecto al fondo de la base. [20]

Para los experimentos llevados a cabo a temperaturas más altas, aumenta la actividad de dislocación [ aclaración necesaria ] . A una cierta temperatura, las dislocaciones protegen [se necesita aclaración ] la punta de la grieta hasta tal punto que la tasa de deformación aplicada no es suficiente para que la intensidad de la tensión en la punta de la grieta alcance el valor crítico de fractura (K iC ). La temperatura a la que esto ocurre es la temperatura de transición dúctil-frágil. Si los experimentos se realizan a una tasa de deformación más alta, se requiere más protección contra la dislocación para evitar una fractura frágil y se eleva la temperatura de transición. [ cita requerida ]

Ver también [ editar ]

  • Deformación
  • Endurecimiento por trabajo , que mejora la ductilidad en la tensión uniaxial al retrasar el inicio de la inestabilidad.
  • Resistencia de materiales

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b Brande, William Thomas (1853). Un diccionario de ciencia, literatura y arte: que comprende la historia, la descripción y los principios científicos de cada rama del conocimiento humano: con la derivación y definición de todos los términos de uso general . Harper y hermanos. pag. 369.
  2. ↑ Kalpakjian, Serope, 1928- (1984). Procesos de fabricación de materiales de ingeniería . Reading, Mass .: Addison-Wesley. pag. 30. ISBN 0-201-11690-1. OCLC  9783323 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  3. ^ "Ductilidad - Qué es el material dúctil" . Energía nuclear . Consultado el 14 de noviembre de 2020 .
  4. ^ Budynas, Richard G. (2015). Diseño de ingeniería mecánica de Shigley — 10ª ed . McGraw Hill. pag. 233. ISBN 978-0-07-339820-4..
  5. ↑ a b Chandler Roberts-Austen, William (1894). Introducción al estudio de la metalurgia . Londres: C. Griffin. pag. dieciséis.
  6. ^ "Maleabilidad - Materiales maleables" . Energía nuclear . Archivado desde el original el 25 de septiembre de 2020 . Consultado el 14 de noviembre de 2020 .
  7. ^ CIENCIA DE MATERIALES DEL MANUAL DE FUNDAMENTALS . Volumen 1, Módulo 2 - Propiedades de los metales. Departamento de Energía de EE. UU. Enero de 1993. p. 25. |volume=tiene texto extra ( ayuda )
  8. ^ Rich, Jack C. (1988). Los materiales y métodos de la escultura . Publicaciones de Courier Dover. pag. 129 . ISBN 978-0-486-25742-6..
  9. ^ Masuda, Hideki (2016). "Microscopía electrónica de transmisión combinada - Observación in situ del proceso de formación y medición de propiedades físicas para cables metálicos de tamaño atómico individual". En Janecek, Milos; Kral, Robert (eds.). Microscopía electrónica moderna en ciencias físicas y biológicas . InTech. doi : 10.5772 / 62288 . ISBN 978-953-51-2252-4.
  10. ^ Vaccaro, John (2002) Manual de materiales , manuales de Mc Graw-Hill, 15ª ed.
  11. ^ Schwartz, M. (2002) Enciclopedia CRC de materiales, piezas y acabados , 2ª ed.
  12. ^ Lah, Che; Akmal, Nurul; Trigueros, Sonia (2019). "Síntesis y modelado de las propiedades mecánicas de nanocables de Ag, Au y Cu" . Sci. Technol. Adv. Mater . 20 (1): 225–261. Código bibliográfico : 2019STAdM..20..225L . doi : 10.1080 / 14686996.2019.1585145 . PMC 6442207 . PMID 30956731 .  
  13. ^ Dieter, G. (1986) Metalurgia mecánica , McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-016893-0 
  14. ^ a b "Revisión de ductilidad - Mecánica de resistencia de materiales - Borde de ingenieros" . www.engineersedge.com . Consultado el 14 de julio de 2020 .
  15. ↑ a b Askeland, Donald R. (2016). "6-4 Propiedades obtenidas de la prueba de tracción". La ciencia y la ingeniería de materiales . Wright, Wendelin J. (Séptima ed.). Boston, MA. pag. 195. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC  903959750 .
  16. ↑ a b Callister, William D., Jr. (2010). "6.6 Propiedades de tracción". Ciencia e ingeniería de materiales: una introducción . Rethwisch, David G. (8ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey. pag. 166. ISBN 978-0-470-41997-7. OCLC  401168960 .
  17. ^ Budynas, Richard G. (2015). Diseño de ingeniería mecánica de Shigley — 10ª ed . McGraw Hill. pag. 233. ISBN 978-0-07-339820-4..
  18. ^ https://www.usna.edu/NAOE/_files/documents/Courses/EN380/Course_Notes/Ch11_Fracture.pdf
  19. ^ https://www.jstage.jst.go.jp/article/isijinternational/54/8/54_1958/_html/-char/en
  20. ^ https://yenaengineering.nl/ductile-brittle-transition-temperature-and-impact-energy-tests/

Enlaces externos [ editar ]

  • Definición de ductilidad en engineeredge.com
  • Paquete de enseñanza y aprendizaje DoITPoMS: "La transición dúctil-frágil