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TENACIDAD

1. Introduccin

La tenacidad de un material es un trmino que se utiliza en varios contextos. En un sentido

muy amplio, la tenacidad es una medida de la capacidad de un material de absorber energa

antes de la fractura. La geometra del material y la forma en que se aplica la carga son

importantes en la determinacin de la tenacidad.

En caso de que tengamos una situacin esttica (baja velocidad de deformacin), la tenacidad

puede ser evaluada a partir de los resultados del ensayo de traccin: es el rea bajo la curva -

hasta la fractura. Las unidades de tenacidad son energa por unidad de volumen del material.

Para que un material sea tenaz, debe poseer tanto alta resistencia como ductilidad; y, a

menudo, los materiales dctiles son ms tenaces que los frgiles, como se observa en la Figura

1. Aun cuando los materiales frgiles tienen mayor lmite elstico y mayor resistencia a la

traccin, tienen menor tenacidad que los dctiles a causa de la falta de ductilidad.

Figura 1. Diagramas de traccin de materiales dctiles y frgiles hasta la fractura

En el caso de condiciones de carga dinmicas (alta velocidad de deformacin) y cuando una

entalla (es decir un concentrador de tensiones) est presente, la tenacidad a la entalla es

evaluada utilizando ensayos de impacto. Adems, la tenacidad de fractura es una propiedad

que nos indica la resistencia a la fractura cuando existe una grieta (Kc o KIc).

2. Ensayos de fractura por impacto

Los ensayos de traccin de laboratorio no pueden extrapolarse para predecir el

comportamiento a la fractura. Por ejemplo, en algunas circunstancias, metales normalmente

dctiles se fracturan frgilmente sin apenas deformacin plstica. Por ello se realizan ensayos

de fractura por impacto, porque las condiciones son las ms severas con respecto a la fractura:

deformacin a temperaturas relativamente bajas, velocidad de deformacin elevada y estado

triaxial de tensiones (el cual puede ser introducido por la presencia de una entalla).

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2.1. Tcnicas de ensayo por impacto

La energa de impacto o tenacidad a la entalla se mide a partir de dos ensayos normalizados:

Charpy e Izod. La tcnica de Charpy con entalla en forma de V (CVN) es la ms comn. En

ambas tcnicas, la probeta tiene forma de barra de seccin cuadrada, en la cual se mecaniza

una entalla en forma de V (Figura 2a).

Figura 3. a) Probetas utilizadas en los ensayos de impacto Charpy e Izod. b) Aparato de ensayos

de impacto.

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La carga es aplicada de forma de un golpe con un martillo en forma de pndulo que se deja

caer desde una posicin fija preestablecida a una altura h. La probeta se coloca en la base tal

como se muestra. Al dejar caer el pndulo, el borde de una cuchilla montada en el pndulo

golpea y fractura la probeta a lo largo de la entalla, la cual acta como punto de concentracin

de tensiones para esta alta velocidad de impacto. El pndulo contina su oscilacin, llegando

hasta una altura mxima h. La prdida de energa, calculada a partir de la diferencia entre h y

h es una medida de la energa absorbida en el impacto. La diferencia entre las tcnicas Charpy

e Izod reside en la manera en que se coloca la probeta (Figura 3 b).

La tenacidad de fractura en deformaciones planas (KIc) y los resultados de los ensayos de

impacto determinan las propiedades de fractura de los materiales. La primera es de naturaleza

cuantitativa en el sentido de que se determina una propiedad especfica del material. Los

resultados de los ensayos de impacto, por el contrario, son ms cualitativos y son de poca

utilidad en el diseo, y se utilizan con fines comparativos.

2.2. Transicin dctil-frgil

Una de las funciones primarias de los ensayos de Charpy-Izod es determinar si el material

experimenta una transicin dctil-frgil al disminuir la temperatura, y si es as, en qu

intervalo de temperatura ocurre. La transicin dctil frgil est relacionada con la dependencia

de la temperatura de la energa absorbida en el impacto.

Para un acero, esta transicin est representada en la Figura 4, por la curva A. A temperaturas

altas, la energa CVN es relativamente grande, lo cual est correlacionado con un modo

fractura dctil. A medida que la temperatura disminuye, la energa de impacto disminuye

rpidamente en un intervalo relativamente estrecho de temperaturas, por debajo del cual la

energa tiene un valor constante pero pequeo; esto es, el modo de fractura frgil. Esto influye

directamente en la iniciacin y propagacin de las grietas, como se muestra en la Figura 5.

Figura 4. Dependencia de la temperatura de la energa absorbida en el impacto en tcnica

Charpy (curva A) y porcentaje de fractura por cizalladura (curva B).

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Figura 5. Transicin dctil-frgil segn la prueba en una muesca Charpy V.

Alternativamente, el aspecto de la superficie de fractura es indicativo de la naturaleza de la

fractura y se puede utilizar en la determinacin de la temperatura de transicin. En la fractura

dctil esta superficie aparece fibrosa (de caractersticas de cizalladura). Por el contrario, las

superficies de fractura totalmente frgiles tienen una textura granular (de clivaje). En la

transicin dctil-frgil existen caractersticas de ambos tipos (Figura 6). Con frecuencia, el

porcentaje de fractura por cizalladura se representa en funcin de la temperatura (Figura 4,

curva B).

Figura 6. Superficies de fractura en probetas Charpy a distintas temperaturas.

En muchas aleaciones existe un intervalo de temperaturas en el cual ocurre la transicin dctil-

frgil: esto presenta dificultades para especificar una temperatura determinada de transicin

dctil-frgil. Por ello, esta temperatura a menudo se define como aquella a la cual la energa

CVN tiene un determinado valor (por ejemplo 20 J) o bien aquella que corresponde a un

determinado aspecto de la superficie de fractura (por ejemplo, 50 % de fractura fibrosa). La

temperatura de transicin ms conservadora es la que corresponde a una superficie de

fractura 100 % fibrosa.

Las estructuras construidas con aleaciones que presentan este comportamiento dctil-frgil

deben utilizarse nicamente a temperaturas por encima de la temperatura de transicin para

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evitar la rotura frgil y catastrfica. Para las aleaciones de la Figura 7, a esa temperatura de

servicio habra que trabajar con la aleacin A.

Figura 7. Comparacin de dos aleaciones que tienen una temperatura de transicin ms alta y

ms baja que la temperatura de servicio.

Factores que influyen en la temperatura de transicin dctil-frgil

a) Estructura cristalina: No todas las aleaciones metlicas presentan una transicin dctil-

frgil. Aquellas que tienen estructuras cristalinas FCC (por ejemplo aleaciones de cobre y

aluminio) permanecen dctiles an a temperaturas externadamente bajas (Figura 8). Sin

embargo, las aleaciones BCC y HC experimentan esta transicin. La mayora de cermicas y

polmeros tambin experimenta una transicin dctil-frgil, pero para los cermicos la

transicin ocurre a temperaturas elevadas, normalmente mayores a 1000 C.

Figura 8. Transicin dctil-frgil para distintos materiales.

b) Tamao de grano: Disminuyendo el tamao de grano de los aceros se produce una

disminucin en la temperatura de transicin. En la Figura 9, se muestran dos aceros de

tamao de grano pequeo (5-5) y grande (1-3).

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Figura 9. Influencia del tamao de grano sobre la temperatura de transicin dctil-frgil.

c) Composicin qumica: La composicin qumica del material tiene una notable influencia.

Como se observa en la Figura 10, el contenido de carbono tiene una influencia importante

sobre este comportamiento en un acero. Por ejemplo, si nuestra temperatura de operacin

es de 0C, deberamos utilizar slo los aceros de 0.01 y 0.11 % de C, ya que a esta

temperatura estn en la zona dctil.

Figura 10. Influencia del contenido de carbono de un acero sobre la temperatura de transicin

dctil-frgil.

d) Tratamientos trmicos: Los aceros suelen someterse a diversos tratamientos para mejorar

sus propiedades para su posterior uso en servicio. El templado consiste en calentar la pieza

a una temperatura elevada, mantener esa temperatura y posteriormente enfriarla con

rapidez, para aumentar su dureza y su tenacidad (al enfriar rpidamente al soluto de las

aleaciones no le da tiempo de difundirse y esta desorganizacin es la que aumenta su

dureza). Posteriormente al temple se realiza un revenido para con la finalidad de optimizar

la tenacidad. El normalizado es otro tipo de tratamiento, que se realiza a temperaturas ms

bajas que el templado (y a menudo como etapa previa a ste), para subsanar los defectos

producidos en tratamientos anteriores y conseguir as una estructura homognea. Como se

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observa en la Figura 11, el templado aumenta de forma considerable la ductilidad del

acero, disminuyendo su temperatura de transicin.

Figura 11. Influencia de tratamientos trmicos sobre la temperatura de transicin dctil-

frgil.

e) Anisotropa: La anisotropa es la propiedad de la materia en la cual sus propiedades varan

en funcin de la direccin en que son examinadas. Como se observa en la Figura 12, la

anisotropa no influye tanto en la temperatura de transicin dctil-frgil, como en el valor

de la tenacidad. La pieza tiene mayor tenacidad en la direccin perpendicular a la

laminacin (B) y menos en la direccin de laminacin (C).

Figura 12. Efecto de la direccin en el ensayo de impacto Charpy.