Fractura para niños
Una fractura es cuando un objeto o material se rompe en dos o más pedazos debido a una fuerza o presión. Imagina que doblas un clip de papel una y otra vez; eventualmente, se romperá. Eso es una fractura. En los materiales, esto sucede cuando aparecen pequeñas separaciones o grietas. Si la separación es como un tirón directo, se llama grieta. Si es un deslizamiento o corte, se llama grieta de corte.
Las fracturas pueden ser de dos tipos principales:
- Las fracturas frágiles ocurren de repente, sin que el material se estire o cambie de forma antes de romperse. Piensa en un vaso de vidrio que se cae y se rompe.
- Las fracturas dúctiles ocurren cuando el material se estira o se deforma mucho antes de romperse. Un buen ejemplo es un chicle que se estira antes de partirse.
La resistencia a la fractura es la cantidad de fuerza que un material puede soportar antes de romperse. Entender cómo se rompen los materiales es muy importante para diseñar cosas seguras y duraderas.
Contenido
¿Qué es la resistencia a la fractura?
La resistencia a la fractura, también conocida como resistencia a la rotura, es la fuerza máxima que un material puede aguantar antes de que se rompa. Para saber esto, los científicos suelen hacer una prueba de tracción. En esta prueba, estiran una muestra del material y miden cuánta fuerza se necesita para romperla. El punto donde se rompe es la resistencia a la fractura.
Los materiales que se estiran mucho antes de romperse (dúctiles) tienen una resistencia a la fractura diferente a los que se rompen de golpe (frágiles). Si un material dúctil se estira mucho, puede seguir deformándose sin romperse, a menos que la fuerza sea muy grande.
Tipos de fracturas en materiales
Los materiales se rompen de diferentes maneras, y cada tipo de fractura tiene características especiales.
¿Cómo ocurre la fractura frágil?
En las fracturas frágiles, el material se rompe sin estirarse o deformarse mucho antes. Es como cuando un cristal se rompe: no se dobla, simplemente se parte. Estas fracturas suelen ocurrir muy rápido, a veces a velocidades muy altas, y absorben poca energía. Una vez que la grieta empieza, a menudo sigue creciendo incluso si la fuerza que la causó disminuye.
En materiales con una estructura cristalina (como muchos metales), la fractura frágil puede ocurrir por "escisión". Esto significa que la grieta se abre a lo largo de planos débiles dentro de la estructura del material. En materiales sin una estructura cristalina definida (como el vidrio), la fractura puede tener una forma curva, como una concha, y se llama fractura concoidea.
Los científicos han descubierto que las grietas pueden propagarse incluso más rápido que la velocidad del sonido en un material, un fenómeno llamado fractura supersónica. Esto se ha observado en materiales como el caucho.
Para evitar las fracturas frágiles, es importante controlar tres cosas: la resistencia del material a las grietas, la cantidad de fuerza que se le aplica y el tamaño de cualquier pequeño defecto que ya tenga el material. Otros factores como la temperatura o la velocidad a la que se aplica la fuerza también influyen.
¿Cómo ocurre la fractura dúctil?
En la fractura dúctil, el material se estira y se deforma mucho antes de romperse. Piensa en un alambre de cobre que se estira y se vuelve más delgado antes de romperse. Esta deformación se llama "cuello" porque el material se estrecha en un punto. La grieta se propaga lentamente porque el material absorbe mucha energía al deformarse.
Como la fractura dúctil implica mucha deformación, la energía de la fuerza se dispersa por esa deformación antes de que la grieta avance. Los pasos básicos de una fractura dúctil son: se forman pequeños huecos dentro del material, estos huecos se unen formando una grieta, la grieta crece y finalmente el material se rompe. A menudo, la superficie de la rotura tiene forma de copa y cono. Estos huecos suelen formarse alrededor de pequeñas impurezas o en los bordes de los granos del material.
Modos de fractura y sus características
Hay tres formas principales en que una grieta puede abrirse en un material, según lo propuso el científico George Rankine Irwin:
- Modo I: La grieta se abre como si la estuvieras tirando directamente, separando las dos partes. Es como abrir una cremallera.
- Modo II: La grieta se desliza, como si estuvieras empujando una parte de la grieta sobre la otra.
- Modo III: La grieta se desgarra, como si estuvieras retorciendo las dos partes en direcciones opuestas.
La forma en que una grieta se mueve nos dice mucho sobre cómo se rompe el material. En la fractura dúctil, la grieta se mueve despacio y el material alrededor de la punta de la grieta se deforma mucho. Una grieta dúctil normalmente no seguirá creciendo a menos que se aplique más fuerza, y a menudo se detiene si se quita la fuerza. En cambio, en la fractura frágil, las grietas se extienden muy rápido con poca o ninguna deformación. Una vez que una grieta frágil comienza, suele seguir creciendo.
Las grietas también se clasifican por cómo atraviesan la estructura del material:
- Fractura transgranular: La grieta pasa a través de los granos individuales del material. Esto es lo más común a temperatura ambiente.
- Fractura intergranular: La grieta se propaga a lo largo de los límites entre los granos del material. Esto es más común cuando las temperaturas son muy altas y los límites de los granos se debilitan.
Pruebas para estudiar la fractura
Para entender y medir cómo se rompen los materiales, se realizan diferentes pruebas. Una de las más importantes es determinar la resistencia a la fractura (Kc). Las dos pruebas más comunes para esto son la prueba de flexión de tres puntos y la prueba de tensión compacta.
En estas pruebas, se usa una muestra del material con una pequeña muesca. Esta muesca se afila para simular una grieta real. Luego, se aplica una fuerza para que la grieta crezca un poco. Con la información de la fuerza aplicada y el tamaño de la grieta, los científicos pueden calcular la resistencia a la fractura del material. Esto ayuda a los ingenieros a elegir los materiales adecuados para diferentes usos y a diseñar estructuras más seguras.
Fractura frágil en cerámica y vidrio
La cerámica y el vidrio se rompen de manera diferente a los metales. Las cerámicas son muy resistentes y funcionan bien a altas temperaturas, pero son muy frágiles. Esto significa que tienen una baja resistencia a la fractura cuando se estiran. Sin embargo, en el uso diario, la cerámica a menudo se usa bajo compresión (cuando se aprieta), y en ese caso, su resistencia es muy alta, incluso más que la de muchos metales.
Debido a su fragilidad y a cómo se fabrican, las cerámicas suelen tener pequeños defectos que pueden causar fracturas frágiles. Por eso, al diseñar con cerámica, los ingenieros deben considerar la probabilidad de que ocurran estas fracturas.
Fallas importantes por fractura
Las fracturas frágiles han causado fallas importantes en la historia, con consecuencias graves. Aunque no son tan comunes como otros tipos de fallas, sus efectos pueden ser muy serios. Algunos ejemplos históricos notables de fallas atribuidas a fracturas frágiles incluyen:
- Recipientes a presión: La gran inundación de melaza en Boston en 1919 y la falla de un tanque de melaza en Nueva Jersey en 1973.
- Puentes: El colapso de un tramo del puente King Street en 1962, el colapso del puente de plata en 1967 y una falla parcial del puente Hoan en 2000.
- Barcos: El Titanic en 1912, los Barcos de la libertad durante la Segunda Guerra Mundial y el SS Schenectady en 1943.
Galería de imágenes
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Curva de tensión vs. tensión típica del aluminio
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Fractura frágil en vidrio
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Fractura de una biela de aluminio de una bicicleta, donde Brillante = fractura quebradiza, Obscura = fractura por fatiga.
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Falla dúctil de una muestra tensada axialmente
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Representación esquemática de los pasos en fractura dúctil (en tensión pura)
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Superficie de fractura dúctil de aluminio 6061-T6
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Modos de separación de grietas por fractura
Véase también
En inglés: Fracture Facts for Kids
- Fractura por estrés ambiental
- Fatiga (material)
- Ingeniería forense
- Ingeniería de materiales forenses
- Fractografía
- Fractura (geología)
- Fractura (mineralogía)
- Teselación de Gilbert
- Coalescencia microvoide
