La ductilidad expresa la deformación plástica que el acero admite antes de romperse. La tenacidad se relaciona con la resistencia a la fractura y la energía implicada; su significado preciso depende del ensayo. La fragilidad describe una rotura con deformación plástica limitada en las condiciones consideradas. Un acero con buen alargamiento a temperatura ambiente puede sufrir una fractura frágil en un componente frío, entallado o con elevada restricción en la punta de una grieta.
Qué propiedad mide cada ensayo
La resistencia a la tracción y el límite elástico indican niveles de tensión. Por sí solos no caracterizan completamente la ductilidad ni la resistencia frente a una grieta existente.
| Medida | Magnitud informada | Alcance de la interpretación |
|---|---|---|
| Alargamiento después de rotura | A, % | Extensión permanente sobre una longitud inicial de referencia definida; incluye la estricción localizada. |
| Reducción de área | Z o RA, % | Contracción de la sección de rotura, condicionada por la probeta y el método de medida. |
| Trabajo bajo la curva de tracción | Energía por volumen inicial, normalmente MJ/m³ | Depende de la trayectoria tensión–deformación medida y de las condiciones del ensayo. |
| Impacto Charpy con entalla en V | Energía absorbida, J | Probeta entallada rota por un péndulo a una temperatura especificada. |
| Tenacidad a la fractura en deformación plana | KIc, MPa√m | Ensayo válido con pregrieta de fatiga, comportamiento predominantemente elástico lineal y elevada restricción. |
| Evaluación elastoplástica de fractura | JIc, kJ/m²; CTOD, mm | Resistencia a la iniciación o propagación, con requisitos de validez propios de cada parámetro. |
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Cómo interpretar la ductilidad a tracción
Para medir el alargamiento después de rotura se reúnen las partes según el método de ensayo y se compara la longitud final Lᵤ con la inicial L₀. La reducción de área compara la sección inicial S₀ con la mínima Sᵤ después de romper:
A = 100 × (Lᵤ − L₀) / L₀
Z = 100 × (S₀ − Sᵤ) / S₀
En un ejemplo de cálculo, L₀ = 50 mm y Lᵤ = 62,5 mm dan A = 25%. Con S₀ = 80 mm² y Sᵤ = 40 mm² resulta Z = 50%. Cada porcentaje describe un cambio geométrico distinto y no tiene por qué coincidir con el otro.
El alargamiento uniforme corresponde al instante de fuerza máxima; a partir de esa etapa se desarrolla una estricción difusa importante. El término tampoco implica que la deformación sea idéntica en todos los puntos del tramo medido. El alargamiento después de rotura incluye la contribución del cuello. El valor registrado por un extensómetro en la rotura puede incluir deformación elástica: conviene comprobar símbolo y método antes de compararlo con una longitud medida tras descargar. Una mayor longitud de referencia reparte la extensión localizada sobre una longitud inicial mayor y puede reducir el porcentaje obtenido con probetas comparables. Mantenga iguales longitud de referencia, sección, orientación y temperatura. ASTM E8 y E8M emplean convenciones distintas para la longitud de referencia de la mayoría de las probetas redondas; convertir pulgadas a milímetros deja esa diferencia sin resolver.
La conformabilidad de la chapa también depende de la trayectoria de deformación, los bordes, la geometría del doblado y la resistencia local a la fractura. El alargamiento a tracción aislado no determina un radio mínimo de plegado ni un límite seguro de conformado.
Energía de tracción y energía Charpy
El área bajo la curva ingenieril tensión–deformación hasta la rotura representa trabajo por volumen inicial del tramo de referencia, siempre que ambas magnitudes estén definidas de forma coherente. La deformación debe introducirse como fracción: al integrar una tensión en MPa se obtiene MJ/m³. Utilizar directamente un eje de deformación porcentual sin dividir entre 100 introduce un error de factor 100. Tras la estricción, el resultado sigue siendo una medida del trabajo a escala de probeta; la deformación dentro del cuello es muy heterogénea. Multiplicar resistencia a la tracción por alargamiento tampoco reproduce el área de la curva real.
Charpy mide la energía absorbida al impactar una barra entallada. Una probeta habitual de tamaño completo mide 55 × 10 × 10 mm y tiene una entalla en V de 2 mm de profundidad; el péndulo golpea la cara opuesta. La energía en julios depende del tamaño de probeta, las geometrías de entalla y percutor, la orientación y la temperatura. ASTM E23 e ISO 148-1 describen métodos de ensayo; los criterios de aceptación proceden de la especificación de producto o construcción aplicable.
Los productos delgados pueden exigir probetas reducidas. Sus energías y su comportamiento de transición deben tratarse según las disposiciones aplicables; una conversión basada únicamente en la relación de áreas puede inducir a error. El informe debe conservar los valores individuales, el promedio exigido, las dimensiones y la temperatura. La energía no ofrece una conversión directa universal a KIc o JIc.
Qué aporta la tenacidad a la fractura
Los ensayos de mecánica de fractura incorporan una pregrieta aguda generada por fatiga y miden la resistencia al inicio o avance de la grieta. KIc exige cumplir las condiciones de validez de deformación plana y comportamiento predominantemente elástico lineal. Su unidad, MPa√m, combina tensión con la raíz cuadrada de una longitud. Un resultado provisional KQ solo se convierte en KIc tras superar las comprobaciones correspondientes. ASTM E399 es el método pertinente; su alcance actual excluye la caracterización de fractura por clivaje.
Cuando la fractura implica plasticidad apreciable, pueden utilizarse J y la apertura en la punta de la grieta, CTOD. J expresa energía por área de grieta: 1 kJ/m² = 1 N/mm. Un JIc válido caracteriza el inicio del desgarro estable; la curva de resistencia J describe su evolución con el avance de grieta. CTOD es un desplazamiento, normalmente en milímetros. ASTM E1820 aborda estas medidas y ASTM E1921 ofrece un marco para aceros ferríticos que presentan clivaje en la región de transición.
La evaluación de un componente requiere además tamaño de defecto, geometría, tensiones aplicadas y residuales, temperatura e historia de carga. La carga cíclica y la fisuración ambiental precisan su propio análisis. Un alargamiento elevado, por sí solo, deja sin resolver la tolerancia a grietas.
Condiciones que favorecen la fractura frágil
La baja temperatura, la carga rápida y una elevada restricción en la punta de grieta pueden favorecer el clivaje en aceros ferríticos susceptibles. El espesor y la geometría de la grieta modifican esa restricción y limitan la deformación plástica local. También influyen composición, estructura de grano e historial de procesamiento.
- El refinamiento de grano suele mejorar la resistencia al clivaje en aceros ferríticos; el crecimiento de grano puede perjudicarla.
- El trabajo en frío modifica la resistencia y la ductilidad remanente. El tratamiento térmico cambia las fases y su distribución; el efecto sobre la tenacidad depende del acero y del ciclo aplicado.
- La soldadura genera propiedades locales diferentes en el metal de soldadura y la zona afectada térmicamente. El certificado de la chapa base no representa todas las regiones de la unión.
- Inclusiones, segregación y exposiciones fragilizantes pueden reducir la resistencia local a la fractura. El material ensayado debe reproducir el estado suministrado o el estado tras la exposición en servicio.
Los aceros ferríticos suelen presentar un intervalo de temperaturas en el que cambia el modo de fractura. Una temperatura de transición necesita un criterio explícito, como cierta energía absorbida o fracción de fractura por cizallamiento, y la configuración de ensayo. Distintos criterios o tamaños pueden producir temperaturas distintas. Los inoxidables austeníticos conservan generalmente buena tenacidad a baja temperatura, sin la transición ferrítica tan pronunciada; aun así, deben verificarse grado, estado del producto y soldaduras.
Un ensayo Charpy a −20°C no autoriza por sí solo el funcionamiento a −20°C. La evaluación considera reglas de diseño, temperatura mínima del metal, espesor, tensiones, defectos, fabricación y cargas. La dureza tampoco permite determinar la tenacidad mediante una conversión universal.
Qué comprobar en el informe
- Identifique grado, colada o lote, espesor, estado de suministro y lugar de extracción. Distinga metal base, metal de soldadura y zona afectada térmicamente.
- Para alargamiento, registre norma, orientación y geometría de probeta, longitud inicial y si se informa alargamiento uniforme, en rotura o después de rotura.
- Para Charpy, compruebe edición de norma, dimensiones de probeta y entalla, orientación, percutor, temperatura, resultados individuales y regla de aceptación.
- Para tenacidad a la fractura, identifique parámetro, orientación de pregrieta, temperatura y velocidad de carga, dimensiones y declaración de validez. Conserve la denominación provisional si falta algún requisito.
- Compare con las exigencias concretas del producto y del proyecto. Estados Unidos, Reino Unido, Australia y Canadá pueden utilizar normas y ediciones distintas; el país, por sí solo, no demuestra equivalencia entre informes.
Por ejemplo, «25% de alargamiento sobre 50 mm» y «60 J a −20°C» responden a preguntas distintas. Sin el resto de los datos, ninguno establece una clasificación completa de ductilidad, una tenacidad de diseño o una temperatura mínima de servicio. La guía de selección del nivel de resistencia conecta estas comprobaciones con la especificación; la comparación de S275 y S355 aporta el contexto de esos grados.