Fragilidad

Un material es frágil si, al ser sometido a tensión , se fractura con poca deformación elástica y sin una deformación plástica significativa . Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de fracturarse, incluso los de alta resistencia . La rotura suele ir acompañada de un chasquido agudo.

Cuando se utiliza en la ciencia de los materiales , generalmente se aplica a materiales que fallan cuando hay poca o ninguna deformación plástica antes de la falla. Una prueba es hacer coincidir las mitades rotas, que deberían encajar exactamente ya que no se ha producido ninguna deformación plástica.

Las características mecánicas de los polímeros pueden ser sensibles a los cambios de temperatura cerca de la temperatura ambiente. Por ejemplo, el poli(metacrilato de metilo) es extremadamente frágil a una temperatura de 4 ˚C, ^[1] pero experimenta una mayor ductilidad con el aumento de temperatura.

Los polímeros amorfos son polímeros que pueden comportarse de manera diferente a diferentes temperaturas. Pueden comportarse como un vidrio a bajas temperaturas (la región vítrea), como un sólido gomoso a temperaturas intermedias (la región de transición vítrea o correosa) y como un líquido viscoso a temperaturas más altas (la región de flujo gomoso y la región de flujo viscoso). Este comportamiento se conoce como comportamiento viscoelástico . En la región vítrea, el polímero amorfo será rígido y quebradizo. Con el aumento de la temperatura, el polímero se volverá menos quebradizo.

Algunos metales muestran características frágiles debido a sus sistemas de deslizamiento . Cuantos más sistemas de deslizamiento tenga un metal, menos frágil será, porque puede producirse una deformación plástica a lo largo de muchos de estos sistemas de deslizamiento. Por el contrario, con menos sistemas de deslizamiento, puede producirse una menor deformación plástica y el metal será más frágil. Por ejemplo, los metales HCP (hexagonales compactos ) tienen pocos sistemas de deslizamiento activos y suelen ser frágiles.

Las cerámicas son generalmente frágiles debido a la dificultad del movimiento de dislocación o deslizamiento. Existen pocos sistemas de deslizamiento en cerámicas cristalinas a lo largo de los cuales una dislocación puede moverse, lo que dificulta la deformación y hace que la cerámica sea más frágil.

Los materiales cerámicos generalmente presentan enlaces iónicos . Debido a la carga eléctrica de los iones y a su repulsión de iones con carga similar, el deslizamiento se ve aún más restringido.

Los materiales se pueden modificar para que sean más frágiles o menos frágiles.

Cuando un material ha alcanzado el límite de su resistencia, normalmente tiene la opción de deformarse o fracturarse. Un metal naturalmente maleable puede hacerse más fuerte impidiendo los mecanismos de deformación plástica (reduciendo el tamaño del grano , endurecimiento por precipitación , endurecimiento por deformación , etc.), pero si esto se lleva al extremo, la fractura se convierte en el resultado más probable y el material puede volverse quebradizo. Por lo tanto, mejorar la tenacidad del material es un acto de equilibrio.

Los materiales naturalmente frágiles, como el vidrio , no son difíciles de endurecer de manera efectiva. La mayoría de estas técnicas implican uno de dos mecanismos : desviar o absorber la punta de una grieta que se propaga o crear tensiones residuales cuidadosamente controladas para que las grietas de ciertas fuentes predecibles se cierren a la fuerza. El primer principio se utiliza en el vidrio laminado , donde dos láminas de vidrio están separadas por una capa intermedia de butiral de polivinilo . El butiral de polivinilo, como polímero viscoelástico , absorbe la grieta creciente. El segundo método se utiliza en el vidrio templado y el hormigón pretensado . Prince Rupert's Drop ofrece una demostración del endurecimiento del vidrio . Los polímeros frágiles se pueden endurecer utilizando partículas metálicas para iniciar grietas cuando se somete a tensión una muestra; un buen ejemplo es el poliestireno de alto impacto o HIPS. Las cerámicas estructurales menos frágiles son el carburo de silicio (principalmente en virtud de su alta resistencia) y la zirconia endurecida por transformación .

En los materiales compuestos se utiliza una filosofía diferente , en la que , por ejemplo, se incrustan fibras de vidrio frágiles en una matriz dúctil, como la resina de poliéster . Cuando se tensan, se forman grietas en la interfaz entre el vidrio y la matriz, pero se forman tantas que se absorbe mucha energía y, por lo tanto, el material se endurece. El mismo principio se utiliza para crear compuestos de matriz metálica .

En general, la resistencia frágil de un material puede aumentarse mediante la presión . Esto sucede, por ejemplo, en la zona de transición frágil-dúctil a una profundidad aproximada de 10 kilómetros (6,2 mi) en la corteza terrestre , en la que la roca tiene menos probabilidades de fracturarse y más probabilidades de deformarse de manera dúctil (véase rheid ).

La fractura supersónica es un movimiento de grietas más rápido que la velocidad del sonido en un material frágil. Este fenómeno fue descubierto por primera vez ^{[ cita requerida ]} por científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Metales en Stuttgart ( Markus J. Buehler y Huajian Gao ) y el Centro de Investigación IBM Almaden en San José , California ( Farid F. Abraham ).

• Prueba de impacto Charpy
• Ductilidad
• Ingeniería forense
• Fractografía
• Prueba de resistencia al impacto Izod
• Mecanismos de refuerzo de materiales
• Tenacidad

• Lewis, Peter Rhys; Reynolds, K; Gagg, C (2004). Ingeniería de materiales forenses: estudios de casos . CRC Press. ISBN 978-0-8493-1182-6.
• Rösler, Joachim; Harders, Harald; Bäker, Martin (2007). Comportamiento mecánico de materiales de ingeniería: metales, cerámicas, polímeros y compuestos . Springer. ISBN 978-3-642-09252-7.
• Callister, William D.; Rethwisch, David G. (2015). Fundamentos de la ciencia y la ingeniería de materiales . Wiley. ISBN 978-1-119-17548-3.