Mecanismo de propagación de la fractura en materiales frágiles (Valoración de 5.00 sobre 5, resultante de 1 votos)

Cuestiones relativas a máquinas, motores, piezas, componentes, tecnologías de fabricación, etc.
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#303144
Hola a todos:

Soy nuevo en el foro, pero este post me ha llamado la atención y me he decidido a presentarme aquí.

En los mecanismos de fractura hay libros enteros escritos, pero para una aproximación creo que puede valer la Wikipedia. http://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1n ... a_fractura

Simplificando muy mucho enormemente (no me crucifiquen por la falta de rigurosidad), y sin entrar en distinciones entre fracturas dúctiles (o plásticas) y fracturas frágiles, todo empieza porque a nivel microscópico las tensiones a las que está aplicado el material producen una grieta ya sea por separación de los átomos / moléculas que lo forman (distorsión de la red cristalina) o por separación intergranular (sobre todo en materiales metálicos y en procesos de fatiga). Esta microgrieta actúa como un concentrador de tensiones (hay una imagen esquemática en la página de la Wikipedia). Todo esto hace que la microgrieta se convierta en un iniciador, indicando el sentido de propagación. Es como rasgar una tela, si han visto como se hace: se corta un trozo en el borde y se estira; ese corte hace que se separe la urdimbre y concentra las tensiones en su extremo. Los átomos / moléculas a un lado y al otro de la microgrieta se comportan como planos separados. Ahora extrapolen todo esto a una macrogrieta.

¿Cómo beneficiarse de este efecto? Iniciando nosotros la grieta. Por ejemplo, para separar la biela del sombrerete he visto hacer microperforaciones mediante un láser para que se rompa justo por ahí. Una especie de “rómpase por la línea de puntos”. También he visto usar el láser en los salpicaderos de los coches, para hacer el hueco por donde saldrá el airbag (recuerden que antes se hacía una especie de tapa de plástico).

¿Cómo detener la grieta? Bueno, una forma es disminuir la concentración de tensiones. Seguro que han visto una pinza de amarre de herramientas para una fresadora (http://www.llorachmilvus.com/index.php? ... &Itemid=60). Si abren la imagen, verán que tienen unas líneas que pueden servir como grietas, y que al final de esas líneas han hecho una especie de agujero. Ese agujero sirve para disipar las tensiones y que la pinza no se parta por esas grietas. O, por lo menos, para retrasar la rotura lo máximo posible.

En cuanto al blindaje... Je, la boca se me hace un charco... Sí, poner varias placas hace que el conjunto sea más difícil de romper que una pieza enteriza. La razón es que esos espacios entre las placas no permiten que se propaguen las tensiones. Son disipadores. En los acorazados (vean esta página http://www.historialago.com/av_0425_blindaje.htm) sí, se usaban planchas muy gruesas; pero también se dejaban espacios intermedios que servían para tener una cámara de flotación (al cerrar mamparos) y como espacio “disipador” en caso de que un proyectil o torpedo penetrase. Más modernamente, en los tanques se usa el blindaje tipo Chobham, que consiste en una empaquetadura de planchas metálicas y cerámicas que tratan de que el proyectil disipe toda su energía y mitigar su poder de penetración. Pero eso ya es tema de otro post, hilo o como se llame.

Bueno, bueno. Y ahora, ¿dónde están las pivitas por aquí?
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#303161
Muchas gracias howard, nunca había visto un post tan completo en alguien que ha entrado sin presentarse :wink , muy interesante todo lo expuesto una pregunta en el caso por ejemplo de las bielas, y las rótulas partidas a drede(aceros templados muy frágiles) sabes si en este acto se produce una deformación plástica que varié las medidas? o lo que es lo mismo un cristal que se ha roto es idéntico en medidas si juntamos perfectamente sus trozos?
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#303207
La pregunta tiene su miga.

Por definición, fractura frágil es aquella en la que no ha habido deformación. Así que sí, en principio no hay deformación y las dos partes casan "perfectamente". En este enlace se ven unas fotos de fracturas frágiles y dúctiles.

http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/d ... itulo6.pdf

NOTA PARA LOS PURISTAS: Sí, es verdad; en la fractura frágil, sobre todo si se lleva a cabo de forma mecánica (un golpe, tracción...) aparece una pequeña zona de deformación en el punto de inicio de la fractura, pero después esta se transmite de forma frágil. Por eso en los casquillos muy templados que comentabas al principio la rotura se hace por dilatación térmica de un extremo; así no queda una muesca o deformación, y como está fuertemente templado pues casi ni se abre al romperse (nótese que he puesto casi, ¿eh?)

En el caso de las bielas... Adjunto foto de biela partida por fractura y biela montada.

http://www.micapeak.com/winona/bmw/bmw_cracked_rod.jpg

http://www.tunacan.net/t4/tour/pics/con ... 0t4rod.jpg

Los métodos que conozco para fracturar las bielas se basan en el mismo principio: la aplicación de una “presión hacia fuera” al agujero del cigüeñal hasta que las tensiones generadas son suficientemente
elevadas para fracturarla. Como las bielas suelen estar hechas de materiales de gran resistencia, la rotura se produce por alcanzar el límite de fractura en lugar del de rotura plástica.

La fractura puede tener lugar bajo una de estas dos condiciones: esfuerzo plano o deformación plana, dependiendo del grosor del elemento. Por lo general, las bielas son suficientemente gruesas para resistir una fractura por deformación plana. En presencia de una entalla en V o de una grieta, la fractura se produce bajo condiciones esencialmente elásticas, con una zona de plasticidad limitada en la punta de la grieta.

Hay un parámetro llamado "factor de intensidad de tensiones" que caracteriza la extensión de la grieta. (Dejo documentación al final). Cuando este parámetro alcanza cierto valor, la grieta se propaga y se produce la rotura por fractura. Ese valor crítico del "factor de intensidad de tensiones" en condiciones de deformación plana se denomina "tenacidad a la fractura por deformación" y es un valor característico de cada material. Disminuir la temperatura (criogenia) o aumentar la velocidad de deformación disminuyen este valor de tenacidad, pero aumentar la longitud de la grieta preexistente o disminuir el área de fractura aumentarán el factor de intensidad de tensiones.

Métodos para fracturar las bielas aprovechando lo expuesto arriba:

- Hacer pasar un haz de electrones a lo largo de un plano de separación deseado.
- Disponer agujeros en el plano de fractura a través de los cuales se introduce la fuerza de fractura que actúa de manera perpendicular al plano de fractura (las microperforaciones láser de las que hablé).
- Usar un tratamiento térmico o congelación para hacer frágil el área de fractura.
- Aplicar una fuerza estática o de impulso que actúe perpendicularmente al plano de fractura.
- Accionar unos mandrinos de expansión que usan una disposición de cuña.

Un último detalle. Puesto que las bielas se hacen de materiales de elevada resistencia, se requiere que la fuerza de fractura sea muy grande. Esto a veces tiene un efecto negativo en la calidad de la biela fracturada, especialmente en las bielas de gran tamaño en un entorno de alta producción. A veces se producen problemas como deformación plástica, que la misma técnica de rotura no funciona para bielas de tamaños diferentes, rotura repetida de los elementos de la máquina que ejercen la fuerza, y calidad deficiente de la biela fracturada.

Para saber más sobre fracturas he encontrado esto interesante, de menos a más ladrillo:

http://www.unav.es/adi/UserFiles/File/1 ... a_2009.pdf

http://www.argitalpenak.ehu.es/p291-con ... cturas.pdf

materias.fi.uba.ar/6716/Mecanica de fractura lineal - elastica_1.pdf

http://www.ing.unlp.edu.ar/aeron/catedr ... 0rev01.pdf

http://oa.upm.es/77/1/tesis_fjrojo.pdf

(Releo y no sé si me he pasado dos pueblos o no he llegado)
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#303219
:majesty Muy buen material, estudiare todo a ver que saco en claro, Saludos y bienvenido., :cheers
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#303282
Ya está tardando Reivindicador a pasarse por aquí. :cheers :cheers
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#303301
JORDIM escribió:Ya está tardando Reivindicador a pasarse por aquí. :cheers :cheers


¿Y qué voy a decir JORDIM?. Me ha parecido que Howard ha tenido una excelente intervención de entrada y además la ha dejado muy bien ilustrada.

Hola, hola, Howard y

Salud colegas
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