Fractura

La fractura és la separació d'un objecte o material en dos o més peces baix l'acció del estrés. La fractura d'un sòlit generalment ocorre pel desenroll de certes superfícies de discontinuidad de desplaçament dins del sòlit. Si es desenrolla un desplaçament perpendicular a la superfície de desplaçament, es denomina clavill de tracció normal o simplement un clavill; si un desplaçament es desenrolla tangencialmente a la superfície de desplaçament, es diu clavill de tall, banda d'esmonyida o recalcada.

Les fractures fràgils ocorren sense deformació aparent abans de la fractura; les fractures dúctils ocorren quan la deformació visible ocorre abans de la separació. La resistència a la fractura o la resistència al trencament és l'estrés quan una mostra falla o es fractura. Una comprensió detallada de cóm ocorre la fractura en els materials pot ser assistida per l'estudi de la mecànica de fractura.

Força

Curva de tensió vs. tensió típica de l'alumini
1) Resistència a la tracció
2) Llímit d'elasticitat
3) Tensió llímit proporcional
4) Fractura
5) Tensió de compensació (típicament 0.2%)

La resistència a la fractura, també coneguda com a resistència al trencament, és la tensió a la que falla una mostra per fractura. Açò generalment es determina per a un espècimen donat per mig d'una prova de tracció, que traça la curva de tensió-deformació (vore image). El punt final registrat és la resistència a la fractura.

Els materials dúctils tenen una resistència a la fractura inferior a la resistència a la tracció final (UTS), mentres que en els materials fràgils la resistència a la fractura és equivalent a la UTS. Si un material dúctil alcança la seua màxima resistència a la tracció en una situació de càrrega controlada, continuarà deformant, sense aplicació de càrrega adicional, fins que es trenque. No obstant, si la càrrega està controlada per desplaçament, la deformació del material pot aliviar la càrrega, evitant la ruptura.

Tipos

Fractura per fragilitat

Fractura fràgil en vidre

Fractura d'una biela d'alumini d'una bicicleta, a on Lluenta = fractura trencadiça, Obscura = fractura per fatiga.

En fractures fràgils, no es produïx deformació plàstica aparent abans de la fractura. La fractura fràgil generalment implica poca absorció d'energia i ocorre a altes velocitats, fins a 2 133.6 m/s (7 000 ft/s) en acer. En la majoria dels casos, la fractura fràgil continuarà inclús quan s'interrompa la càrrega.

En materials cristalins fràgils, la fractura pot ocórrer per escissió com a resultat de la tensió de tracció que actua de forma normal a plans cristalográficos en baixa unió (plans d'escissió). En els sòlits amorfos, pel contrari, la falta d'una estructura cristalina dona com resultat una fractura concoidea, en clavills que procedixen de manera normal a la tensió aplicada.

La resistència teòrica d'un material cristalí és (aproximadament)

${\sigma }_{\mathrm{t}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}}=\sqrt{\frac{E\gamma }{r_o}}$

a on:

$E$ és el mòdul de Young del material,

$\gamma$ és l'energia superficial, i

$r_o$ és la distància d'equilibri entre els centres atòmics.

Per un atre costat, un clavill introduïx una concentració d'estrés modelada per

${\sigma }_{\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{p}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}\mathrm{c}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{k}}={\sigma }_{\mathrm{a}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{d}}(1+2\sqrt{\frac{a}{\rho }})=2{\sigma }_{\mathrm{a}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{d}}\sqrt{\frac{a}{\rho }}$ (Per a clavills esmolats)

a on:

${\sigma }_{\mathrm{a}\mathrm{p}\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{d}}$ és l'estrés de càrrega,

$a$ és la mitat de la llongitut del clavill, i

$\rho$ és el radi de curvatura en la punta del clavill.

En unir estes dos equacions, obtenim

${\sigma }_{\mathrm{f}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{e}}=\sqrt{\frac{E\gamma \rho }{4a{r}_o}}.$

Mirant de prop, podem vore clavills aguts (menudes $\rho$) i defectes grans (grans $a$) abdós disminuïxen la resistència la fractura del material.

Els científics han descobert la fractura supersònica, el fenomen de propagació de clavills més ràpit que la velocitat del sò en un material. Este fenomen també es va verificar per mig d'un experiment de fractura en materials similars al caucho.

La seqüència bàsica en una fractura fràgil típica és: l'introducció d'una falla abans o en acabant de que el material es pose en servici, la propagació llenta i estable del clavill baix càrrega recurrent, i la falla repentina i ràpida quan el clavill alcança la llongitut crítica del clavill segons les condicions definides per mecànica de fractura. La fractura fràgil es pot evitar controlant tres factors principals: la resistència a la fractura del material (K_c), el nivell de tensió nominal (σ) i el tamany del defecte introduït (a). Les tensions residuals, la temperatura, la velocitat de càrrega i les concentracions de tensió també contribuïxen a la fractura fràgil en influir en els tres factors principals.

Baixe certes condicions, els materials dúctils poden exhibir un comportament trencadiç. Les condicions de càrrega ràpida, baixa temperatura i tensió triaxial poden causar que els materials dúctils fallen sense deformació prèvia.

Fractura dúctil

Falla dúctil d'una mostra tensada axialmente

Representació esquemàtica dels passos en fractura dúctil (en tensió pura)

En la fractura dúctil, es produïx una deformació plàstica extensa (coll) abans de la fractura. Els térmens ruptura o ruptura dúctil descriuen la falla final dels materials dúctils carregats en tensió. La gran plasticidad fa que el clavill es propague llentament per l'absorció d'una gran cantitat d'energia abans de la fractura.

Archiu:Ductile Fracture Surface 6061- CAPS 40 Al CAPS 41 .png

Superfície de fractura dúctil d'alumini 6061-T6

Degut a que la ruptura dúctil implica un alt grau de deformació plàstica, el comportament de fractura d'un clavill en propagació, tal com es va modelar anteriorment, canvia fonamentalment. Part de l'energia de les concentracions de tensió en les puntes dels clavills es dissipa per la deformació plàstica abans del clavill a mida que es propaga.

Els passos bàsics en la fractura dúctil són la formació de buits, la fusió de buits (també coneguda com a formació de clavills), la propagació de clavills i les falles, que a sovint resulten en una superfície de falla en forma de copa i con. Els buits generalment s'unixen al voltant de precipitats, fases secundàries, inclusions i en els llímits de gra en el material. La fractura dúctil és típicament transgranular i la deformació deguda a l'esmonyida per recalcada pot causar el llavi tallant característic de la fractura de copa i con.