Entendiendo 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 resulta cuando los átomos en 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 granos o a lo largo de fronteras de grano cuando se someten a tensiones suficientemente altas. Este proceso es típicamente rápido.

Cualquiera que haya dejado caer y roto un plato o la punta de un lápiz está familiarizado con materiales frágiles. Ejemplos 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 partirse fácilmente. La fragilidad puede ocurrir en metales, cerámicas, plásticos, vidrio y materiales compuestos.

¿Qué es la fragilidad en ciencia de materiales?

En ciencia de materiales, la fragilidad es la propiedad que caracteriza la inclinación de un material a fracturarse con deformación plástica mínima. Los materiales frágiles tienen una pobre 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 más oportunidad de dislocarse hacen que los materiales sean menos frágiles. Otras, donde los átomos tienen pocos sistemas de deslizamiento, resultan en materiales más frágiles.

¿Qué es un ejemplo de fragilidad?

La fragilidad puede ser una propiedad innata o inducida por factores externos. Materiales inherentemente frágiles incluyen vidrio, ladrillos, cáscaras de huevo, grafito y metales alcalinos como magnesio. Materiales que no son inherentemente frágiles pero se vuelven frágiles debido a ciertos factores, como temperaturas frías de operación, corrosión intergranular y fragilización por hidrógeno, incluyen aceros de bajo y alto 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 extensión del material. Mientras que algunos materiales, como la mayoría de cerámicas y vidrios, son inherentemente frágiles debido a sus estructuras atómicas y falta de sistemas de deslizamiento disponibles, algunos materiales normalmente dúctiles pueden volverse frágiles al disminuir las temperaturas.

Materiales normalmente dúctiles también pueden fragilizarse por hidrógeno o corrosión a lo largo de fronteras de grano. La fragilización por hidrógeno ocurre vía una variedad de mecanismos complejos que aún no se comprenden completamente. La característica común es que átomos de hidrógeno (no moléculas de gas H2) difunden en el metal y causan estragos. Los efectos deletéreos pueden ser causados por la formación de especies gaseosas que elevan la presión interna, la formación de compuestos frágiles de estado sólido, o al aumentar la tasa de movimiento de dislocación, lo que incrementa la tasa de propagación de grietas en el metal.

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

¿Cuáles son las causas de la fragilidad?

Las causas de la fragilidad no son las mismas para cada material. La lista siguiente describe algunas causas comunes en detalle:

1. Materiales amorfos (como el vidrio) no tienen estructuras atómicas organizadas. No hay forma fácil para que los átomos se deslicen entre sí. Las dislocaciones, que son defectos a nivel atómico en cristales, están fijadas en su lugar, haciendo que los materiales amorfos sean frágiles.
2. Fuertes enlaces iónicos entre átomos cargados resisten el deslizamiento y hacen el material frágil. Este es a menudo el caso con 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 dislocación.
4. Materiales con menos sistemas de deslizamiento, u oportunidades para la dislocación de átomos, son más frágiles que materiales con más sistemas de deslizamiento.
5. Impurezas, o átomos extraños, en un material pueden causar fragilidad. Este es el caso de la fragilización por hidrógeno y para algunas aleaciones como el hierro fundido.

¿Cuáles son los diferentes materiales frágiles?

Algunos ejemplos de materiales frágiles se describen a continuación:

1. Vidrio

El vidrio es uno de los materiales frágiles más conocidos. Es frágil debido a su estructura amorfa. La disposición atómica del vidrio carece de la estructura organizada de materiales cristalinos. Sin planos atómicos organizados que puedan deslizarse entre sí, la tensión que tiende a separar los átomos no puede aliviarse. Eventualmente superará la fuerza de los enlaces interatómicos, resultando en la formación de grietas que se propagan rápidamente a través del material, causándole romperse repentinamente.

2. Cerámicas

El término cerámicas se aplica a una amplia gama de materiales como cemento, esmalte, ladrillo, porcelana y alfarería. Para cerámicas cristalizadas, las estructuras atómicas están compuestas principalmente de fuertes enlaces iónicos entre átomos cargados. Estos enlaces iónicos forman cristales que dificultan que los planos atómicos se deslicen entre sí. Consecuentemente, es difícil que los átomos se disloquen, lo que hace el material frágil.

3. Grafito

El grafito es una forma cristalina blanda y frágil de carbono con estructura hexagonal compacta (HCP). La fragilidad puede atribuirse a la estructura cristalina de un material y el número de sistemas de deslizamiento que tiene. Materiales con estructuras cristalinas que tienen menos sistemas de deslizamiento son más frágiles porque sus átomos son más resistentes a dislocarse. 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 en el mismo plano, pero enlaces débiles entre planos. Tanto esto como su estructura HCP contribuyen a que el grafito sea frágil.

4. Aleaciones con baja plasticidad

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

¿Cuál es la importancia de identificar la fragilidad?

Es importante identificar materiales frágiles por las implicaciones que pueden tener en la implementación exitosa y durabilidad de un diseño. Los materiales frágiles a menudo se seleccionan por su alta resistencia. Sin embargo, como pueden fracturarse con poca o ninguna advertencia, la falla frágil puede ser catastrófica. Se recomienda seleccionar materiales más dúctiles que puedan sostener las cargas requeridas por el material frágil en los diseños.

¿Cómo se determina la fragilidad?

La fragilidad se determina realizando un ensayo de tracción y calculando la ductilidad de un material. Un material se considera frágil si exhibe baja ductilidad durante un ensayo de tracción. El método de ensayo estándar para ensayos de tracción en materiales metálicos es ASTM E8. El procedimiento correspondiente para plásticos se encuentra en ASTM D638. Un ensayo de tracción consiste en preparar una probeta a dimensiones estandarizadas y luego aplicar una carga de tracción constantemente creciente hasta que la probeta se rompe. Los valores de tensión y deformación experimentados por la probeta se registran y usan para determinar la ductilidad y, indirectamente, su fragilidad.

¿Cuál es la fórmula para la fragilidad?

No hay una fórmula específica para la fragilidad. Sin embargo, la fragilidad de un material puede deducirse de una de las dos fórmulas de ductilidad mostradas a continuación:

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

Cuanto menor sea la ductilidad medida, más frágil se considera el material. La fórmula de porcentaje de elongación es la misma que la fórmula de deformación de ingeniería.
Consulte nuestro artículo "Cómo calcular la ductilidad" para una visión más detallada del tema.

¿Cuáles son los tipos de fragilidad?

Los dos tipos de fracturas frágiles son transgranular e intergranular. Se describen en 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 cambian de dirección para seguir los planos de escisión más débiles. Tamaños de grano grandes (menos fronteras de grano) permiten que las grietas se propaguen más rápido porque las fronteras de grano impiden la extensión de la grieta. Por tanto, tamaños de grano grandes contribuyen a niveles más altos de fragilidad.
2. Intergranular: Las grietas se propagan a lo largo de las fronteras de grano del material. Esto es común cuando las fronteras de grano son frágiles, causado por fragilización por hidrógeno y corrosión intergranular.

¿Cuál 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. Entender el papel de la mecánica de fractura y materiales dúctiles vs 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 "quebradizo"?

"Frágil" y "quebradizo" se usan a menudo como sinónimos. Sin embargo, hay diferencias en sus definiciones. "Frágil" simplemente describe un material que se rompe fácilmente. Mientras que "quebradizo" también describe materiales que se rompen fácilmente, se refiere más específicamente a materiales que son duros, rígidos y carecen de deformación plástica significativa antes de romperse. En ciencia de materiales, "quebradizo" (brittle) es más específico, ya que indica falta de ductilidad, significando que el material se fractura con deformación mínima. "Frágil" es un término más amplio y puede describir materiales que pueden no ser técnicamente quebradizos pero que aún se dañan fácilmente.

Resumen

Este artículo presentó la fragilidad, explicó qué es y discutió los diferentes tipos de materiales frágiles. Para más información sobre fragilidad, contacte a un representante de Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements es graduado en Ingeniería Mecánica con honores (B.Eng) y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria incluye roles significativos en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló una profunda comprensión de los procesos e innovaciones de ingeniería.

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