Comprensión de la fragilidad:definición, causas, ejemplos y materiales comunes

La fragilidad es una propiedad del material que describe su tendencia a fracturarse con poca o ninguna deformación plástica cuando se le aplica tensión. El comportamiento frágil se produce cuando los átomos de un material no pueden deslizarse entre sí manteniendo la integridad general de la estructura de la red atómica. Las grietas en materiales frágiles se forman y propagan rápidamente ya sea a través de los granos o a lo largo de los límites de los mismos cuando se someten a tensiones suficientemente altas. Este proceso suele ser rápido.
Cualquiera que alguna vez haya dejado caer y se haya roto un plato o la punta de un lápiz está familiarizado con los materiales quebradizos. Ejemplos de materiales frágiles incluyen vidrio, cerámica, grafito y aleaciones con baja ductilidad, como aceros con alto contenido de carbono y hierro fundido.
Este artículo revisará el concepto de fragilidad, explicará sus causas y describirá ejemplos de materiales frágiles.

¿Qué es la fragilidad?

La fragilidad es la tendencia de un material a romperse, agrietarse o romperse fácilmente. La fragilidad puede ocurrir en metales, cerámica, plásticos, vidrio y materiales compuestos.

¿Qué es la fragilidad en la ciencia de los materiales?

En ciencia de materiales, la fragilidad es la propiedad que caracteriza la inclinación de un material a fracturarse con una mínima deformación plástica. Los materiales frágiles tienen poca capacidad para absorber energía antes de fracturarse.

¿Qué es la fragilidad en química?

En química, la fragilidad se refiere a la incapacidad de un material para deformarse debido a su microestructura atómica. Algunas microestructuras donde los átomos tienen muchos sistemas de deslizamiento y tienen más oportunidades de dislocarse hacen que los materiales sean menos quebradizos. Otros, como aquellos en los que los átomos tienen pocos sistemas de deslizamiento, hacen que los materiales sean más frágiles.

¿Qué es un ejemplo de fragilidad?

La fragilidad puede ser una propiedad innata o inducida por factores externos. Los materiales que son inherentemente frágiles incluyen vidrio, ladrillos, cáscaras de huevo, grafito y metales alcalinos como el magnesio. Los materiales que no son inherentemente frágiles pero que se vuelven quebradizos debido a ciertos factores, como temperaturas de funcionamiento frías, corrosión intergranular y fragilización por hidrógeno, incluyen aceros con bajo y alto contenido de carbono y titanio.

¿Cuándo ocurre la fragilidad del material?

La fragilidad es una propiedad física intensiva de un material, lo que significa que no se ve afectada por el tamaño o la extensión del material. Si bien algunos materiales, como la mayoría de las cerámicas y los vidrios, son inherentemente frágiles debido a sus estructuras atómicas y a la falta de sistemas de deslizamiento disponibles, algunos materiales normalmente dúctiles pueden volverse quebradizos a medida que disminuyen las temperaturas.

Normalmente, los materiales dúctiles también pueden volverse quebradizos por el hidrógeno o la corrosión a lo largo de los límites de los granos. La fragilización por hidrógeno se produce mediante una variedad de mecanismos complejos que aún no se comprenden completamente. La característica común es que los átomos de hidrógeno (no las moléculas de gas H2) se difunden en el metal y causan estragos. Los efectos nocivos pueden ser causados por la formación de especies gaseosas que aumentan la presión interna, la formación de compuestos frágiles en estado sólido o por la mejora de la velocidad del movimiento de dislocación, lo que aumenta la velocidad de propagación de grietas en el metal.

La corrosión intergranular ocurre cuando un metal es atacado preferentemente por un agente corrosivo en lo que pueden ser puntos débiles de su superficie:los límites entre los granos. La corrosión intergranular normalmente resulta en la deposición de productos de corrosión frágiles entre los granos, reemplazando el metal normalmente dúctil y proporcionando una ruta de fractura fácil a través del material frágil no deseado.

¿Cuáles son las causas de la fragilidad?

Las causas de la fragilidad no son las mismas para todos los materiales. La siguiente lista describe algunas de las causas comunes con más detalle:

1. Los materiales amorfos (como el vidrio) no tienen estructuras atómicas organizadas. No existe una manera fácil para que los átomos se escapen entre sí. Las dislocaciones, que son defectos a nivel atómico en los cristales, quedan fijadas en su lugar, haciendo que los materiales amorfos se vuelvan quebradizos.
2. Los fuertes enlaces iónicos entre átomos cargados resisten el deslizamiento y hacen que el material se vuelva quebradizo. Este suele ser el caso de los materiales cerámicos.
3. Las bajas temperaturas pueden reducir la energía térmica de los átomos dentro de un material y hacerlos más resistentes al deslizamiento y la dislocación.
4. Los materiales con menos sistemas de deslizamiento u oportunidades de dislocación de átomos son más frágiles que los materiales con más sistemas de deslizamiento.
5. Las impurezas o átomos extraños en un material pueden causar fragilidad. Este es el caso de la fragilización por hidrógeno y de algunas aleaciones como el hierro fundido.

¿Cuáles son los diferentes materiales frágiles?

A continuación se describen algunos ejemplos de materiales frágiles:

1. Vidrio

El vidrio es uno de los materiales frágiles más conocidos. Es frágil debido a su estructura amorfa. La disposición del vidrio a nivel atómico carece de la estructura organizada de los materiales cristalinos. Sin planos atómicos organizados que puedan deslizarse unos contra otros, no se puede aliviar la tensión que tiende a separar los átomos entre sí. Eventualmente excederá la fuerza de los enlaces interatómicos, lo que resultará en la formación de grietas que se propagan rápidamente a través del material, provocando que se rompa repentinamente.

2. Cerámica

El término cerámica se aplica a una amplia gama de materiales como cemento, esmalte, ladrillo, porcelana y cerámica. Para las cerámicas cristalizadas, las estructuras atómicas se componen principalmente de fuertes enlaces iónicos entre átomos cargados. Estos enlaces iónicos forman cristales que dificultan el deslizamiento de los planos atómicos entre sí. En consecuencia, es difícil que los átomos se disloquen, lo que hace que el material se vuelva quebradizo.

3. Grafito

El grafito es una forma cristalina de carbono suave y quebradiza con una estructura cristalina hexagonal compacta (HCP). La fragilidad se puede atribuir a la estructura cristalina de un material en particular y al número de sistemas de deslizamiento que tiene la estructura. Los materiales con estructuras cristalinas que tienen menos sistemas de deslizamiento son más frágiles porque sus átomos son más resistentes a la dislocación. Las estructuras HCP en grafito tienen tres sistemas de deslizamiento, mientras que los sistemas cúbicos centrados en las caras (FCC) en otro alótropo de carbono, el diamante, tienen 12 sistemas de deslizamiento. Además, el grafito tiene fuertes enlaces covalentes entre átomos dentro del mismo plano, pero enlaces débiles entre planos. Tanto esto como su estructura HCP contribuyen a que el grafito sea quebradizo.

4. Aleaciones de baja plasticidad

Las aleaciones con baja plasticidad, como el hierro fundido y el titanio, también son ejemplos de materiales frágiles. La estructura cristalina tiene un gran impacto en la fragilidad de una aleación. Por ejemplo, los materiales que tienen una estructura FCC, como el cobre, son más dúctiles que los materiales que tienen una estructura HCP, como el titanio o el magnesio. Las estructuras FCC cuentan con 12 sistemas de deslizamiento mientras que las estructuras HCP solo cuentan con 3 sistemas de deslizamiento. Tener 3 sistemas de deslizamiento hace que las estructuras de HCP sean más frágiles porque los átomos dentro de su estructura son más resistentes a la dislocación.

¿Cuál es la importancia de identificar la fragilidad?

Es importante identificar los materiales frágiles debido a las implicaciones que pueden tener en la implementación exitosa y la durabilidad de un diseño. A menudo se seleccionan materiales frágiles para los diseños debido a su alta resistencia. Sin embargo, debido a que los materiales frágiles pueden fracturarse sin previo aviso, la falla frágil puede ser catastrófica. Se recomienda seleccionar materiales más dúctiles que puedan soportar las cargas requeridas por el material frágil en los diseños.

¿Cómo se determina la fragilidad?

La fragilidad se determina completando una prueba de tracción y calculando la ductilidad de un material. Se considera que un material es frágil si muestra baja ductilidad durante una prueba de tracción. El método de prueba estándar para realizar pruebas de tracción en materiales metálicos es ASTM E8. El procedimiento correspondiente para plásticos se puede encontrar en ASTM D638. Un ensayo de tracción consiste en preparar una probeta con dimensiones estandarizadas y luego aplicar una carga de tracción en constante aumento hasta que la probeta se rompa. Los valores de tensión y deformación experimentada por la muestra se registran y utilizan para determinar la ductilidad e, indirectamente, su fragilidad.

¿Cuál es la fórmula de la fragilidad?

No existe una fórmula específica para la fragilidad. Sin embargo, la fragilidad de un material se puede deducir de una de las dos fórmulas de ductilidad que se muestran a continuación:

La ductilidad se define como el porcentaje de elongación total experimentado por el material desde el inicio del ensayo hasta la fractura, o el porcentaje correspondiente de reducción del área de la sección transversal experimentada por un material en el momento de la fractura.

Cuanto menor es la ductilidad medida, más frágil se considera un material. La fórmula del porcentaje de alargamiento es la misma que la fórmula para la deformación de ingeniería.
Consulte nuestro artículo "¿Cómo calcular la ductilidad?" para obtener una descripción más detallada del tema de la ductilidad. 

¿Cuáles son los tipos de fragilidad?

Los dos tipos de fracturas frágiles son transgranulares e intergranulares. Se describen con más detalle a continuación:

1. Transgranular:las grietas se propagan a través de los granos del material. Las grietas siguen el camino de menor resistencia y cambiarán de dirección para seguir los planos de escisión más débiles. Los tamaños de grano grandes (menos límites de grano) permiten que las grietas se propaguen más rápidamente porque los límites de grano impiden la extensión de las grietas. Por lo tanto, los tamaños de grano grandes contribuyen a mayores niveles de fragilidad.
2. Intergranular:las grietas se propagan a lo largo de los límites de los granos del material. Esto es común cuando los límites de los granos son frágiles, lo cual es causado por la fragilización por hidrógeno y la corrosión intergranular.

¿Qué es lo opuesto a la fragilidad?

La ductilidad se considera lo opuesto a la fragilidad. La ductilidad es la propiedad del material que describe la capacidad de un material para deformarse plásticamente. Comprender el papel de la mecánica de fractura y los materiales dúctiles versus frágiles es esencial para diseñar piezas y estructuras seguras, efectivas y duraderas.

¿Es la fragilidad una propiedad física?

Sí, la fragilidad es una propiedad física. Caracteriza cómo los átomos en la estructura física del material interactúan entre sí cuando se aplica tensión.

¿Cuál es la diferencia entre “frágil” y “frágil”?

"Frágil" y "frágil" se utilizan a menudo como sinónimos. Sin embargo, existen diferencias entre sus definiciones. "Frágil" simplemente describe un material que se rompe fácilmente. Si bien "frágil" también describe materiales que se rompen fácilmente, se refiere más específicamente a materiales que son duros, rígidos y carecen de una deformación plástica significativa antes de romperse. En ciencia de materiales, "frágil" tiene una definición más específica, ya que indica una falta de ductilidad, es decir, el material se fractura con una deformación mínima. "Frágil" es un término más amplio y puede describir materiales que pueden no ser técnicamente frágiles pero que aún así se dañan fácilmente.

Resumen

Este artículo presentó la fragilidad, explicó qué es y analizó los diferentes tipos de materiales frágiles. Para obtener más información sobre la fragilidad, comuníquese con un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements es un Licenciado en Ingeniería Mecánica con honores y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

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