Dentro de los conceptos básicos de la industria de los metales, la mecánica de fractura es uno de los más importantes a conocer. A continuación, veremos de qué se trata y por qué es importante.
¿Qué es la mecánica de fractura?
Podemos decir que la mecánica de fractura es la culminación del proceso de deformación plástica. Se manifiesta, en general, como la separación o la fragmentación de un cuerpo sólido en dos o en más partes. Ello, bajo la acción de un estado de gases.
Cuando se somete a los metales a ensayos de tracción, algunos de estos pueden presentar una estricción en la zona central de la probeta, para romper con los valores de reducción de área. En algunos casos, el número total de ello puede llegar al 100%. A ese tipo de fractura se le da el nombre de fractura dúctil. No obstante, otros sólidos presentan fracturas precedidas por muy pequeñas cantidades de deformación plástica, con una fisura que se propaga velozmente a lo largo de planos cristalográficos bien definidos. Estos últimos poseen una baja energía en términos superficiales. Es a este tipo de fractura que se le da el nombre de fractura frágil.
¿Cómo se diferencia la fractura dúctil de la fractura frágil?
Hay, hoy en día, mucha confusión todavía en lo que respecta a la forma de diferenciar los dos tipos de fractura anteriormente mencionados. Esto tiene que ver, en particular, con que se suele considerar el proceso global de deformación que conduce al fenómeno de la fractura. Pese a eso, un metal puede fallar por diferentes razones. Una frecuente es el clivaje, que consiste en un proceso de fractura frágil luego de una deformación macroscópica. Se puede tener, en un metal, una deformación plástica global despreciable, no obstante, que termine fallando de manera dúctil.
Aunque es cierto que estas diferencias son importantes en términos conceptuales e históricos del funcionamiento de los metales, también es cierto que desde el punto de vista de la ingeniería, es fundamental caracterizar el proceso de fractura en función de que este se produzca de forma lenta o rápida. La fractura rápida se destaca en particular por la propagación inestable de una fisura en una estructura. Es decir, cuando la fisura empieza a crecer, el sistema de cargas produce una propagación acelerada de aquella. En lo que respecta a la fractura lenta, esta es una propagación estable que necesita para su mantenimiento un aumento continuo de las cargas que se aplican.
El análisis de Griffith
Al respecto del funcionamiento de la mecánica de fractura, un estudio publicado en la Universidad Nacional de La Plata explica que:
El análisis de Griffith se basa en la primera ley de la termodinámica, que establece que en un sistema cerrado la energía se conserva. Dos tipos de energía son consideradas, energía de deformación y energía de superficie. Consideramos dos probetas en forma de láminas, delgadas, sujetas a una tensión de tracción “σ”. Una probeta tiene una fisura, que es muy pequeña en longitud respecto al ancho de la lámina; la otra no tiene fisura. Si cada una de estas probetas es cargada en tracción hasta obtener el mismo desplazamiento, habrá una pequeña diferencia en los gráficos carga-deformación, ya que se requerirá menos carga para extender la probeta fisurada que la no fisurada, una dada cantidad. La energía elástica almacenada en cada probeta hasta una dada deformación “Δ”, está dada por el área bajo la curva correspondiente y es igual a “½.P.Δ”, donde “P” para la probeta fisurada es menor que para la probeta no fisurada. Griffith usó esta diferencia en la energía elástica almacenada para desarrollar una teoría para la rotura frágil. Razonó que, para ir del estado sin fisura al fisurado, no hay solo una disminución en la energía elástica, sino también un incremento en la energía de superficie, debido a la creación de una nueva superficie con fisura.
El estudio realizado por Griffith se basó fundamentalmente en comprender el funcionamiento de la fractura del vidrio de sílice. Este es un material sumamente frágil. Se ha analizado la resistencia teórica de ese tipo de vidrio y la tensión generada en presencia de pequeñas fracturas.
