Mecánica de La Fractura: Instituto Tecnología de Santo Domingo (INTEC)

Mecánica de la Fractura Práctica 2: Laboratorio de Ciencia de los Materiales Instituto Tecnología de Santo Domingo (INTEC) Laura Sánchez Castillo – ID: 1067170 [email protected] Fecha de realización: 09.08.2017 Fecha de entrega: 16.08.2017 Resumen La práctica de mecánica de la fractura consistió en la identificación de dos tipos de fractura: frágil y dúctil, en diferentes tipos de materiales. Esta tarea fue completada a través de la observación, comparación y toma de fotografías para su posterior análisis tanto a nivel macro-estructural como micro-estructural.

identificar sus tipos de fractura y poder determinar el comportamiento mecánico de los mismos.

• Específicos -

Palabras Clave Clivaje, compresión, concoidal, desgaste, dúctil, estriaciones, fatiga, flexión, fractura, frágil, límite de resistencia, marcas de playa, mecánica de fractura, probeta, patrón de Chevron, resistencia a la fatiga, tenacidad, tensión.

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Introducción La mecánica de la fractura es la disciplina que estudia y explica el comportamiento de los materiales que contienen grietas u otras imperfecciones menores. Esta disciplina es de gran importancia ya que con su trabajo se pueden estudiar y utilizar materiales con imperfecciones como fracturas o grietas de modo que se eviten accidentes. La misma también nos puede ayudar a predecir el comportamiento de ciertos materiales cuando estos son sometidos a grandes esfuerzos como cargas o desastres naturales (e.g. terremotos, maremotos, etc). En esta práctica estaremos analizando diversos materiales que han sido ensayados previamente y presentan diversos tipos de fracturas y fallas. Objetivos

Identificar y explicar las propiedades micro y macro estructurales de las fracturas de los diferentes tipos de materiales para determinar su comportamiento mecánico. Analizar la tenacidad de la fractura en los materiales sometidos a esfuerzo en presencia de imperfecciones para determinar su comportamiento mecánico. Identificar y describir los diferentes tipos de microscopios utilizados en la identificación de patrones de fractura conociendo sus distintas partes y principios de funcionamiento.

Fórmulas de trabajo 𝐾 = ƒ𝜎√𝜋𝛼 Leyenda: -

Factor de intensidad de esfuerzo (𝐾) Factor geométrico (ƒ) Esfuerzo aplicado (𝜎) Tamaño de la grieta (𝛼)

Equipos de Trabajo

• General

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El objetivo de esta práctica es estudiar y analizar los materiales observados para poder evaluar e

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Microscopio óptico (Estereomicroscopio ZEISS stemi 200-C) Lupa electrónica CES EduPack Granta

Procedimiento -

Selección de los materiales a evaluar. Observación de las probetas mediante lupa electrónica, o microscopio óptico. Toma de fotografías para posterior análisis. Análisis e identificación de tipos de fracturas. Búsqueda en la base de datos CES Edupack Granta las propiedades de la mecánica de fractura de los materiales observados.

y frágil. En la foto se puede apreciar que la probeta no presenta deformaciones plásticas visibles. Si se procede a juntar ambas partes, estas encajan de manera perfecta. También se puede apreciar la presencia del patrón de Chevrón.

Materiales utilizados PVC; polímero ensayado a compresión.

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Cerámicos: ladrillo, obsidiana. Polímeros: PVC, polietileno. Compuestos: maderas (pino ), fibra de vidrio, agregado de cemento recubierto de fibra de vidrio. Metales: aluminio y aleaciones de aluminio, acero, cobre.

El PVC es un polímero rígido utilizado bastante en el área de ingeniería por su bajo costo. Como se muestra en la imagen, este tuvo de PVC fue ensayado a compresión y se fracturo de manera frágil. También se puede apreciar la fractura tipo concoidal característica de los vidrios y algunos polímeros.

Resultados 1. Observación de fracturas. a. Fotografíe las diferentes fracturas observadas a simple vista o con lupa y analice.

Ladrillo; cerámico ensayado a tensión.

Polietileno; polímero ensayado a tensión.

El primer material observado fue el ladrillo. El ladrillo es un cerámico no-técnico, que como los demás cerámicos, presenta la característica de ser muy resistente bajo compresión, pero bastante frágil. Esta probeta de ladrillo fue ensayada bajo una prueba de flexión y fracturó de manera rápida

El polietileno es un polímero que se utiliza mucho en la fabricación de productos del hogar por su bajo precio, fácil maleabilidad y facilidad de fabricación. La imagen presentada muestra imágenes de probetas de polietileno que fueron

ensayadas a tensión. Como es evidente, el polietileno se fracturo de manera dúctil. Se puede apreciar la deformación plástica de la probeta evidenciada en la estriación de las capas y la reducción del área de la probeta hacia el punto donde ocurrió la falla.

Fibra de vidrio; material compuesto ensayado a tensión.

Madera, material compuesto ensayado a tensión.

La madera es un material compuesto que tiene muchos usos en la industria. Esta probeta de madera fue ensayada a tensión con fuerzas paralelas a la fibra y, como es evidente, se fracturó de manera frágil. Esto se evidencia en que la probeta no presenta deformación plástica y que si se unen los dos pedazos de madera nuevamente estos pueden encajar sin problema alguno. También, presenta un patrón de Chevrón que no es visible en la fotografía.

La fibra de vidrio es un material compuesto que se prepara por medio de la dispersión de fibras de vidrio en una matriz de polímero. Estas fibras le dan rigidez al polímero haciéndolo altamente resistente. En la imagen se puede ver que este material presenta una fractura frágil. Se puede notar que la probeta no presenta ningún tipo de deformación plástica.

Material compuesto de fibra de vidrio y agregado de cemento.

Este material compuesto es de un agregado de cemento reforzado con fibra de vidrio. El material presenta una fractura frágil ya que es bastante rígido y compacto. Se puede notar que no hay

deformación plástica y que las dos piezas se pueden unir nuevamente.

Acero, ensayado a tensión. Aluminio; metal ensayado a tensión.

Aunque generalmente los metales fallan de manera dúctil, este no fue el caso para esta probeta de aluminio. Aquí, el aluminio se fracturó de manera frágil por el tipo de ensayo que se le aplicó al mismo. Esto se evidencia en la inexistente deformación plástica, el hecho de que el área queda casi lisa y que este muestra un patrón de Chevrón.

Cobre; metal ensayado a tensión.

El cobre es un metal altamente dúctil con el que se puede trabajar en formas muy complejas. En este caso, una probeta de cobre fue ensayado a tensión y este se fracturó de manera dúctil. La evidencia de esta fractura se encuentra en la deformación plástica que se presenta. Se observa una reducción en el área de la pieza gracias a la reducción de los micro vacíos presentes en la misma.

Esta probeta de acero presenta una fractura frágil. No presenta deformación plástica y no hay reducción del área de la pieza. También se puede observar el patrón de Chevron.

b. Determine las propiedades micro estructurales características que se asocian con una fractura dúctil de un material metálico antes observado. Micro-estructuralmente, la fractura dúctil ocurre de forma transgranular en metales con buena maleabilidad y ductilidad. La fractura dúctil comienza con la formación de núcleos, crecimiento y la unión de los micro hoyuelos en el centro de la barra. Los micro hoyuelos se forman cuando un esfuerzo de gran magnitud provoca la separación del metal y las partículas impuras pequeñas.

c. Determine las propiedades micro estructurales características que se asocian con una fractura frágil en un material metálico o no metálico antes observado. La fractura frágil ocurre en metales y aleaciones de alta resistencia o con malas ductilidad y tenacidad. A temperaturas bajas, y velocidades de deformación altas, también se puede dar la fractura frágil en un metal que normalmente fracturaría de manera dúctil. Generalmente, la iniciación de la grieta ocurre en las imperfecciones pequeñas, lo cual produce una concentración del esfuerzo. Esta fractura se caracteriza por presentar el patrón en forma de V o patrón de Chevrón.

2. Busque en otras fuentes, dibuje (fotografíe), observe y analice macro estructuras. • Macroestructura de fractura frágil

En la foto presentada, se pueden apreciar estas características en las probetas de acero inoxidable ensayadas.

3. Análisis de micro estructuras. a. Busque micro estructuras, observe, dibuje (fotografíe) y analice (presencia de defectos, trayectoria de las grietas, granos, límite de granos, número de tamaño de grano). • Microestructura de fractura frágil.

Probeta de titanio, prueba tipo Charpy

En la imagen presentada se pueden observar las características visibles desde un punto de vista macro de una fractura frágil. Se puede apreciar que la fractura no presenta ningún tipo de deformación plástica visible, lo que significa que, al juntar las dos partes de la probeta, estas deben encajar sin problemas. • Macroestructura de fractura dúctil.

Micrografía de una fractura frágil de un material carbonotermoplástico

La fractura frágil se caracteriza, microestructuralmente, por ser intergranular (la gran mayoría), aunque existen casos transgranulares. Esto depende de la separación que haya entre los límites de grano. La imagen mostrada presenta fibras estriadas de carbono con fractura frágil y matriz de plástico heterogénea con signos de deslizamiento de fibras. • Microestrutura de una fractura dúctil. Probeta de acero inoxidable ensayada a tensión.

La fractura dúctil es un tipo de fractura que si presenta deformación plástica. Este tipo de fractura se puede reconocer por las siguientes características: -

Formación de cuello de botella en el área fracturada. Deformación plástica permanente. Elongación del material. Reducción del área transversal.

Micrografía de una fractura dúctil de una barra de acero microaleado.

La imagen mostrada presenta una típica fractura dúctil. Microestructuralmente, la fractura dúctil se caracteriza por presentar micro hoyuelos alargados en el borde cortante de la fractura. Esta tendencia puede ser observada en la imagen mostrada.

El principio de funcionamiento de un microscopio óptico se basa en la propiedad de algunos materiales que permiten cambiar la dirección de los rayos de luz. Esto permite fabricar lentes capaces de hacer converger o divergir los rayos de luz.

4. Investigue y analice

Este microscopio está compuesto por dos sistemas con las siguientes partes:

a. ¿Por qué la tenacidad (medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse) no proporciona datos para el diseño de secciones de materiales que contienen fisuras o defectos? (sección 7.2 del libro de Askeland). La tenacidad no proporciona datos suficientes para el diseño de secciones de materiales que contienen fisuras o defectos porque esta es simplemente una medida de la resistencia del material a fallar en presencia de una imperfección. La tenacidad no toma en cuenta las cargas aplicadas, defectos ni como estos se forman o se propagan. Al momento de diseñar, se deben tomar en cuenta numerosos factores como estos que no se pueden identificar mediante la tenacidad. 5. Investigue e incluya imágenes de las partes de los siguientes tipos de microscopios:

• Sistema óptico: -

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• Sistema mecánico -

a. Microscopio óptico -

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En el microscopio óptico la muestra es iluminada mediante luz visible. Esto significa que existe un foco de luz apuntando hacia la muestra. Esa misma luz es conducida a través del objetivo y del ocular hasta llegar a formar la imagen en el ojo del observador. Este es el tipo de microscopio más habitual pero su resolución está limitada por la difracción de la luz. El aumento máximo que se puede obtener con este tipo de microscopio alcanza alrededor de 1500x.

Ocular: amplía la imagen proveniente del objeto. A través de este se puede observar la muestra. Foco: emite rayos de luz hacia la muestra. Condensador: concentra los rayos de luz en la muestra. Diafragma: regula la cantidad de luz incidente. Objetivo: conjunto de lentes que reciben la luz de la muestra y permiten aumentar la imagen observada.

Base: permite mantener el microscopio en posición estable. Brazo: estructura principal del microscopio que conecta la base con el sistema óptico. Platina: pieza horizontal donde se coloca la muestra. Tornillos: están el micrométrico y el micrométrico. Sirven para regular la posición de la platina. Revolver: parte del microscopio donde están ubicados los objetivos. Se puede girar para seleccionar el objetivo deseado.

b. Microscopio electrónico de transmisión de electrones (TEM)

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Placa fotográfica o pantalla fluorescente: se coloca detrás del objeto a visualizar para registrar la imagen aumentada. Sistema de registro: muestra la imagen que producen los electrones, que suele ser un ordenador.

c. Microscopio electrónico de barrido (SEM)

El microscopio electrónico utiliza un fino haz de electrones acelerados que, al impactar con la muestra, genera una serie de señales directamente relacionadas con la estructura atómica del objeto investigado. Estas señales se seleccionan por separado para generar distintos tipos de imágenes y obtener datos analíticos. En el MET los electrones transmitidos con y sin dispersión se utilizan para crear imágenes de transmisión convencionales, de campo oscuro y alta resolución, revelando la estructura interna de las muestras, tamaño y distribución de partículas, su red cristalina, interfaces y defectos puntuales de la red atómica, etc. Los rayos X generados son utilizados para estudiar la composición química de la muestra, pudiendo analizar aisladamente zonas de muy pocas micras e incluso nanométricas. El TEM está compuesto por las siguientes partes: -

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Cañón de electrones: emite los electrones que chocan o atraviesan el espécimen (dependiendo que tipo de microscopio electrónico es), creando una imagen aumentada. Lentes magnéticas: crean campos que dirigen y enfocan el haz de electrones, ya que las lentes convencionales utilizadas en los microscopios ópticos no funcionan con los electrones. Sistema de vacío: Debido a que los electrones pueden ser desviados por las moléculas del aire, se debe hacer un vacío casi total en el interior de un microscopio de estas características.

En el microscopio electrónico de barrido es necesario que los electrones impacten contra la muestra. Estos electrones hacen un escaneado recorriendo los distintos puntos de la muestra. Cuando los electrones impactan con la muestra estos pierden parte de su energía debido a distintas interacciones. Parte de su energía inicial se transforma en calor o en emisiones de rayos X. Se produce también la emisión de electrones que se desprenden de la superficie de la muestra. Estos electrones se conocen como electrones secundarios. El principio de funcionamiento de los microscopios electrónicos de barrido se basa en medir alguna de estas propiedades para extraer información de la muestra observada. Generalmente, esto consiste en medir la cantidad de electrones secundarios que emite la superficie cuando es bombardeada con electrones. Este tipo de microscopio está compuesto por las siguientes partes: -

Unidad óptica-electrónica: genera el haz que se desplaza sobre la muestra. Portamuestra: permite distintos grados de movimientos.

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Unidad de detección de las señales: detecta las señales que originan en la muestra, seguida de un sistema de amplificación adecuado. Sistema de visualización de las imágenes: tubo de rayos catódicos. Sistema de vacío, sistema de refrigeración y sistema de suministro eléctrico, relativamente similares a los del MET. Sistema de registro fotográfico, magnético o de video. Sistema de procesamiento de la imagen con ayuda computacional (optativo).

6. Una placa de acero larga de 1 pulgada de espesor y 10 pulgadas de ancho tiene una grieta de borde de 2 pulgadas de profundidad y soporta una carga de tensión. Si el acero tiene una resistencia a la cedencia de 50 Ksi y un KIc = 200 Ksi √𝒑𝒖𝒍𝒈 ¿Cuál es la carga que la placa puede soportar sin fallar? ¿Cuál es la modalidad de falla?

𝜎=

𝐾𝑙𝑐 𝑓√𝜋𝑎

=

200 𝑘𝑠𝑖√𝑝𝑢𝑙𝑔 (1.12)√𝜋(2𝑝𝑢𝑙𝑔)

𝜎 = 71.24 𝑘𝑠𝑖 𝑃 = 𝜎 ∗ 𝐴 = (71.24𝑘𝑠𝑖) ∗ (10 𝑝𝑢𝑙g) 𝑃 = 712.4 𝑘𝑖𝑝𝑠

Conclusiones La práctica de mecánica de la Fractura nos da la oportunidad de afianzar nuestros conocimientos sobre el tema. Con respecto a la fractura, vemos que el conocimiento de la misma es de primordial importancia debido a que gracias a esta, se puede hacer una correcta selección de los diferentes materiales teniendo en cuenta las fallas, imperfecciones, sus posibles causas y como esto puede afectar el comportamiento mecánico de los materiales. contrarrestarlas para evitar así pérdidas tanto económicas como mortales. Con los análisis realizados de todos los tipos de fractura existentes en los diversos materiales proporcionados en el laboratorio podemos sacar conclusiones acerca de las características de cada tipo de material. En el caso de los metales, estos tienen una composición muy resistente y en condiciones normales se comportan como dúctiles. No obstante, bajo determinados patrones de temperatura y ciertos ensayos aplicados estos pueden presentar fracturas frágiles.

Datos: 𝑡 = 1 𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑤 = 10 𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑎 = 2𝑝𝑢𝑙𝑔 𝐾𝑙𝑐 = 200 𝑘𝑠𝑖√𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑓 = 1.12 𝜎𝑎𝑑𝑚 = 50 𝑘𝑠𝑖

𝑃 = 𝜎𝑎𝑑𝑚 ∗ 𝐴 = (50 𝑘𝑠𝑖)(10𝑝𝑢𝑙𝑔2 ) = 500 𝑘𝑖𝑝𝑠

En el caso de las cerámicas, gracias a su estructura y alta porosidad, estos son buenos resistiendo esfuerzos de comprensión. Debido a que tienen muy mala ductilidad y tenacidad, estos fallan de manera frágil, debido a que sus enlaces son fuertes y no admiten alteraciones ni desplazamientos entre ellos de manera que se deformen plásticamente. Por esta razón, fallan de manera quebradiza y uniforme, y también patrón de Chevrón que es característico de las fracturas frágiles.

Para su modalidad de falla:

Los polímeros suelen ser materiales muy dúctiles y de alta formalidad por lo que estos, en su mayoría, presentan fracturas dúctiles.

Carga que soporta sin fallar: 𝐴 = 𝑡 ∗ 𝑤 = 1𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗ 10𝑝𝑢𝑙𝑔 = 10𝑝𝑢𝑙𝑔2 𝜎𝑎𝑑𝑚 =

𝑃 𝐴

ƒ = 1.12  Imperfección de borde 𝐾𝑙𝑐 = 𝑓𝜎√𝜋𝑎

Por su parte, los materiales compuestos, como la madera y la fibra de vidrio fallan de frágil bajo ensayos de tensión y dúctil bajo ensayos de

compresión. Para conocer la resistencia de su resina, a estos elementos se les aplican estos ensayos paralelos a sus fibras.

Anexos

Referencias Askeland, D., Wright, W. (2017). Ciencia e ingeniería de materiales. Cengage Learning Editores, S.A. Séptima Edición, México, D.F. Cañada, P. (2011). Microscopio Electrónico de Transmisión. Unidad de Microscopía Electrónica de Transmisión. Obtenido el 13 de agosto, 2017 de: http://www.scai.uma.es/servicios/area_m icroscopia/tem/tem.html EcuRed. (2016). Microscopio Electrónico de Barrido. EcuRed: Conocimiento para todos. Obtenido el 13 de agosto, 2017 de: https://www.ecured.cu/Microscopio_elec tr%C3%B3nico_de_barrido

Granta Design. (2017). CES EduPack Granta. Granta Material Intelligence. Mundo Microscopio. (2017). Microscopio Óptico. Mundo Microscopio. Obtenido el 13 de agosto, 2017 de: https://www.mundomicroscopio.com/tip os-demicroscopios/#1_Microscopio_optico Mundo

Microscopio. (2017). Microscopio Electrónico de Barrido. Mundo Microscopio. Obtenido el 13 de agosto, 2017 de: https://www.mundomicroscopio.com/mic roscopio-electronico/

Radeva, V. (2014). Ciencia de los materiales: manual de prácticas. Instituto Tecnológico de Santo Domingo (INTEC). Obtenido el 13 de agosto, 2017 de: https://lms.intec.edu.do/mod/resource/vie w.php?id=9354