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Tema V: Comportamiento en Rotura Leccin 6: Fractura sbita y Tenacidad
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TEMA V
Comportamiento en Rotura
LECCIN 6
Fractura sbita y Tenacidad
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Tema V: Comportamiento en Rotura Leccin 6: Fractura sbita y Tenacidad
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6.1 MECNICA DE LA FRACTURA
Barcos Liberty (1941-45)
Barcos construidos: 2700
Barcos con roturas: 400
Roturas graves : 90
Fallo total: 20 (10 de ellos partidos en dos)
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Aloha Airlines Boeing 737 (1988)
Plataforma "Alexander Kielland" (1980) Transbordador espacial Challenger (1986)
Petrolero Prestige (2002)
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Fractura: separacin de un cuerpo en 2 o ms partes tras
una solicitacin mecnica.
El proceso de fractura consta de 2 etapas: formacin y
propagacin de fisura
Tipos de Fractura:
DCTIL: con deformacin plstica previa a la rotura.
FRGIL: sin deformacin plstica, sbita y catastrfica, con propagacin rpida de fisura.
Mecnica de la Fractura: disciplina que
estudia el comportamiento del material en
presencia de defectos
Conceptos bsicos
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6.2 MODOS DE FRACTURA
Modo I
Modo II
Modo III
MODO I: modo de abertura
MODO II: modo de deslizamiento
MODO III: modo de desgarro
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6.3 TENACIDAD A FRACTURA
Condicin de rotura
cGEaYcKK
DefectoK: factor de intensidad de tensiones K = f(Y, , a)
Y: Factor geomtrico (adimensional)
: Tensin aplicada al componente (MPa)
a: Tamao del defecto (m)
Kc: tenacidad a fractura (propiedad del material)
E: Mdulo elstico del material (MPa)
Gc: Energa necesaria, por unidad de rea, para
crear nuevas superficies de rotura (kJ/m2)
Unidades (SI): MPam1/2 o MNm-3/2
La fractura sbita de un elemento estructural tiene lugar cuando el factor de
intensidad de tensiones (K) alcanza un valor crtico, que es precisamente la tenacidad
a fractura del material (KC)
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/5/50/EdgeCrack2D.png -
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6.4 VALORES DE LA TENACIDAD A FRACTURA
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6.5 DISEO BASADO EN LA MECNICA DE LA FRACTURA
Variables a considerar
Ejemplo: Kc y a fijadas por una aplicacin especfica
Tenacidad a fractura (Kc)
Tensin aplicada ( )
Tamao de defecto (a)
aY
KccTensin admisible:
Sc
diseo
Si por el contrario y Kc estn prefijadas
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cc
Y
K1a
S: Coeficiente de
seguridad
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6.6 ASPECTOS FSICOS DE LA ROTURA DCTIL
Mecanismo de propagacin de fisuras por desgarro
Propio de materiales dctiles (metales y aleaciones)
Gran cantidad de deformacin plstica
Superficie de fractura muy rugosa y mate
Gran zona plstica en fondo de fisura
Formacin y crecimiento de microhuecos
Enromamiento del fondo de fisura
Gran consumo de energa (alto Gc)
Macroscpicos Microscpicos
1 mm 50 m
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6.7 ASPECTOS FSICOS DE LA ROTURA FRGIL
Macroscpicos Microscpicos
50 m
Mecanismo de propagacin de fisuras por clivajes
Propio de materiales frgiles (cermicos y vidrios)
Muy pequea o nula deformacin plstica
Superficie de fractura lisa y brillante
Pequea zona plstica en el fondo de fisura
Despegue de planos cristalogrficos (clivajes)
No enromamiento (o poco) del fondo de fisura
Pequeo consumo de energa (bajo Gc)
5 mm
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6.8 TENACIDAD AL IMPACTO
Es la capacidad de un material para resistir cargas dinmicas de impacto.
La tenacidad combina la resistencia y deformabilidad de un material, expresndose como el trabajo
desarrollado por ste cuando se deforma y rompe por efecto de una fuerza sbita exterior.
Los materiales tenaces absorben con facilidad la energa cintica de una masa que choca contra ellos.
Resistencia al impacto: energa consumida en la rotura producida por el choque de otro cuerpo. El
principal mtodo para determinar esta propiedad es el ensayo Charpy
La energa de impacto corresponde al rea delimitada por la
curva fuerza -desplazamiento.
La energa de impacto por unidad de volumen se corresponde
con el rea delimitada por la curva tensin-deformacin.
Fuerza
Tensin
Desplazamiento
Deformacin
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h0
hf
M
Mordazas
Las mquinas utilizadas constan de un pndulo provisto
de una maza que parte de una altura h0, cae describiendo
un arco, golpea y rompe la probeta, alcanzando una
elevacin menor al final, hf. Con estos valores se calcula
la diferencia de energa potencial, que es la energa de
impacto absorbida por la probeta durante su rotura.
Ensayo Charpy
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Las muescas provocadas por mecanizado, fabricacin o diseo deficientes, ocasionan concentracin
de esfuerzos, reduciendo la tenacidad del material.
La sensibilidad a las entallas de un material puede evaluarse comparando las energas absorbidas
por probetas con entalla y sin ella. Las energas absorbidas por probetas con entalla son mucho
menores si el material es sensible a este tipo de defectos
Probetas Charpy
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Resultados
Curva de transicin dctil frgil
El ensayo Charpy se realiza a varias temperaturas para definir la curva de transicin dctil frgil
Su principal uso es la seleccin de materiales resistentes a la rotura frgil
A bajas temperaturas el material se comporta de forma frgil (energa absorbida pequea)
A altas temperaturas el comportamiento ser dctil (energa absorbida alta)
Zona intermedia: Zona de transicin (salto brusco)
Energa
Temperatura
Zona frgil
Zona dctil
Zona de
transicin
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Curva de transicin dctil frgil
% ductilidad Temperatura
Energa Temperatura
Expansin Lateral Temperatura
Temperatura, C
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6.9 ACTIVIDADES DE SEGUIMIENTO