Ductilidad
La ductilidad es una propiedad mecánica comúnmente descrita como la capacidad de estirado de un material (por ejemplo, en alambre). En la ciencia de los materiales, la ductilidad se define por el grado en que un material puede soportar la deformación plástica bajo tensión de tracción antes de fallar. La ductilidad es una consideración importante en ingeniería y fabricación, ya que define la idoneidad de un material para determinadas operaciones de fabricación (como el trabajo en frío) y su capacidad para absorber sobrecargas mecánicas. Algunos metales que generalmente se describen como dúctiles incluyen el oro y el cobre. Sin embargo, no todos los metales experimentan falla dúctil, ya que algunos pueden caracterizarse con falla frágil como el hierro fundido. Los polímeros generalmente pueden verse como materiales dúctiles, ya que normalmente permiten la deformación plástica.
La maleabilidad , una propiedad mecánica similar, se caracteriza por la capacidad de un material para deformarse plásticamente sin fallar bajo tensión de compresión. Históricamente, los materiales se consideraban maleables si podían formarse mediante martillazos o laminados. El plomo es un ejemplo de un material que es relativamente maleable pero no dúctil.
Ciencia de los Materiales
La ductilidad es especialmente importante en la metalurgia, ya que los materiales que se agrietan, rompen o rompen bajo tensión no se pueden manipular mediante procesos de formación de metales como martillado, laminado, trefilado o extrusión. Los materiales maleables pueden formarse en frío mediante estampado o prensado, mientras que los materiales quebradizos pueden moldearse o termoformarse.
Se producen altos grados de ductilidad debido a los enlaces metálicos, que se encuentran predominantemente en los metales; esto conduce a la percepción común de que los metales son dúctiles en general. En los enlaces metálicos, los electrones de la capa de valencia están deslocalizados y compartidos entre muchos átomos. Los electrones deslocalizados permiten que los átomos metálicos se deslicen entre sí sin estar sujetos a fuertes fuerzas de repulsión que harían que otros materiales se rompieran.
La ductilidad del acero varía según los componentes de la aleación. El aumento de los niveles de carbono disminuye la ductilidad. Muchos plásticos y sólidos amorfos, como Play-Doh, también son maleables. El metal más dúctil es el platino y el metal más maleable es el oro. Cuando se estiran mucho, estos metales se distorsionan mediante la formación, reorientación y migración de dislocaciones y maclas de cristal sin un endurecimiento perceptible.
Cuantificación de la ductilidad
Las cantidades comúnmente utilizadas para definir la ductilidad en una prueba de tensión son el porcentaje de elongación (a veces indicado como 
El porcentaje de reducción en el área se puede escribir como:
donde el área de interés es el área de la sección transversal del calibre del espécimen.
De acuerdo con el Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley, significativo denota alrededor de un 5,0 por ciento de elongación.
Temperatura de transición dúctil-frágil
Los metales pueden sufrir dos tipos diferentes de fracturas: fractura frágil o fractura dúctil. La propagación de fallas ocurre más rápido en materiales frágiles debido a la capacidad de los materiales dúctiles de sufrir deformación plástica. Por lo tanto, los materiales dúctiles pueden soportar más tensión debido a su capacidad para absorber más energía antes de fallar que los materiales quebradizos. La deformación plástica da como resultado el material siguiendo una modificación de la ecuación de Griffith, donde la tensión crítica de fractura aumenta debido al trabajo plástico requerido para extender la fisura que se suma al trabajo necesario para formar la fisura - trabajo correspondiente al aumento de energía superficial que resulta de la formación de una superficie de grieta adicional.La deformación plástica de los metales dúctiles es importante ya que puede ser un signo de falla potencial del metal. Sin embargo, el punto en el que el material muestra un comportamiento dúctil frente a un comportamiento frágil no solo depende del material en sí, sino también de la temperatura a la que se aplica la tensión al material. La temperatura en la que el material cambia de frágil a dúctil o viceversa es crucial para el diseño de productos metálicos de carga. La temperatura mínima a la que el metal pasa de un comportamiento frágil a un comportamiento dúctil, o de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil, se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT). Por debajo del DBTT, el material no podrá deformarse plásticamente, y la tasa de propagación de grietas aumenta rápidamente, lo que lleva a que el material experimente una falla por fragilidad rápidamente. Además, DBTT es importante ya que, una vez que un material se enfría por debajo del DBTT, tiene una tendencia mucho mayor a romperse con el impacto en lugar de doblarse o deformarse (fragilización por baja temperatura). Por lo tanto, el DBTT indica que a medida que disminuye la temperatura, la capacidad de un material para deformarse de manera dúctil disminuye y, por lo tanto, la tasa de propagación de grietas aumenta drásticamente. En otras palabras, los sólidos son muy quebradizos a temperaturas muy bajas y su tenacidad se vuelve mucho mayor a temperaturas elevadas. el DBTT indica que a medida que la temperatura disminuye, la capacidad de un material para deformarse de manera dúctil disminuye y, por lo tanto, la tasa de propagación de grietas aumenta drásticamente. En otras palabras, los sólidos son muy quebradizos a temperaturas muy bajas y su tenacidad se vuelve mucho mayor a temperaturas elevadas. el DBTT indica que a medida que la temperatura disminuye, la capacidad de un material para deformarse de manera dúctil disminuye y, por lo tanto, la tasa de propagación de grietas aumenta drásticamente. En otras palabras, los sólidos son muy quebradizos a temperaturas muy bajas y su tenacidad se vuelve mucho mayor a temperaturas elevadas.
Para aplicaciones más generales, se prefiere tener un DBTT más bajo para garantizar que el material tenga un rango de ductilidad más amplio. Esto asegura que se inhiban las grietas repentinas para evitar fallas en el cuerpo de metal. Se ha determinado que cuantos más sistemas de deslizamiento tiene un material, más amplio es el rango de temperaturas en el que se exhibe el comportamiento dúctil. Esto se debe a que los sistemas de deslizamiento permiten más movimiento de dislocaciones cuando se aplica tensión al material. Por lo tanto, en materiales con una menor cantidad de sistemas de deslizamiento, las dislocaciones a menudo se ven atrapadas por obstáculos que conducen al endurecimiento por deformación, lo que aumenta la resistencia de los materiales y los hace más frágiles. Por esta razón, las estructuras FCC son dúctiles en un amplio rango de temperaturas, las estructuras BCC son dúctiles solo a altas temperaturas, y las estructuras HCP a menudo son frágiles en amplios rangos de temperaturas. Esto lleva a que cada una de estas estructuras tenga diferentes desempeños a medida que se acercan a la falla (fatiga, sobrecarga y agrietamiento por tensión) bajo varias temperaturas, y muestra la importancia del DBTT en la selección del material correcto para una aplicación específica. Por ejemplo, el zamak 3 muestra una buena ductilidad a temperatura ambiente pero se rompe cuando se golpea a temperaturas bajo cero. DBTT es una consideración muy importante en la selección de materiales que están sujetos a esfuerzos mecánicos. Un fenómeno similar, la temperatura de transición vítrea, ocurre con vidrios y polímeros, aunque el mecanismo es diferente en estos materiales amorfos. El DBTT también depende del tamaño de los granos dentro del metal, ya que normalmente un tamaño de grano más pequeño conduce a un aumento en la resistencia a la tracción. dando como resultado un aumento en la ductilidad y una disminución en el DBTT. Este aumento en la resistencia a la tracción se debe a los tamaños de grano más pequeños que dan como resultado el endurecimiento de los límites de grano dentro del material, donde las dislocaciones requieren una tensión mayor para pasar por alto los límites de grano y continuar propagándose por todo el material. Se ha demostrado que al continuar refinando los granos de ferrita para reducir su tamaño, de 40 micras a 1,3 micras, es posible eliminar el DBTT por completo para que nunca ocurra una fractura frágil en el acero ferrítico (ya que el DBTT requerido sería por debajo del cero absoluto). donde las dislocaciones requieren un mayor esfuerzo para evitar los límites de grano y continuar propagándose por todo el material. Se ha demostrado que al continuar refinando los granos de ferrita para reducir su tamaño, de 40 micras a 1,3 micras, es posible eliminar el DBTT por completo para que nunca ocurra una fractura frágil en el acero ferrítico (ya que el DBTT requerido sería por debajo del cero absoluto). donde las dislocaciones requieren un mayor esfuerzo para evitar los límites de grano y continuar propagándose por todo el material. Se ha demostrado que al continuar refinando los granos de ferrita para reducir su tamaño, de 40 micras a 1,3 micras, es posible eliminar el DBTT por completo para que nunca ocurra una fractura frágil en el acero ferrítico (ya que el DBTT requerido sería por debajo del cero absoluto).
En algunos materiales, la transición es más pronunciada que en otros y normalmente requiere un mecanismo de deformación sensible a la temperatura. Por ejemplo, en materiales con una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc), el DBTT es evidente, ya que el movimiento de las dislocaciones del tornillo es muy sensible a la temperatura porque la reorganización del núcleo de la dislocación antes del deslizamiento requiere activación térmica. Esto puede ser problemático para aceros con un alto contenido de ferrita. Esto resultó en graves grietas en el casco de los barcos Liberty en aguas más frías durante la Segunda Guerra Mundial, lo que provocó muchos hundimientos. DBTT también puede verse influenciado por factores externos como la radiación de neutrones, lo que conduce a un aumento en los defectos de la red interna y una disminución correspondiente en la ductilidad y aumento en DBTT.
El método más preciso para medir el DBTT de un material es la prueba de fractura. Por lo general, la prueba de flexión de cuatro puntos en un rango de temperaturas se realiza en barras prefisuradas de material pulido. Normalmente se utilizan dos pruebas de fractura para determinar el DBTT de metales específicos: la prueba Charpy V-Notch y la prueba Izod. La prueba de muesca en V Charpy determina la capacidad de absorción de energía de impacto o la dureza de la muestra midiendo la diferencia de energía potencial que resulta de la colisión entre una masa en un péndulo en caída libre y la muesca en forma de V maquinada en la muestra, lo que resulta en la péndulo rompiendo la muestra. El DBTT se determina repitiendo esta prueba en una variedad de temperaturas y observando cuándo la fractura resultante cambia a un comportamiento frágil que ocurre cuando la energía absorbida disminuye drásticamente. La prueba Izod es esencialmente la misma que la prueba Charpy, siendo el único factor diferenciador la ubicación de la muestra; En el primero la muestra se coloca verticalmente, mientras que en el segundo la muestra se coloca horizontalmente con respecto al fondo de la base.
Para experimentos realizados a temperaturas más altas, aumenta la actividad de dislocación. A cierta temperatura, las dislocaciones protegen la punta de la grieta hasta tal punto que la tasa de deformación aplicada no es suficiente para que la intensidad de la tensión en la punta de la grieta alcance el valor crítico de fractura ( KiC ). La temperatura a la que esto ocurre es la temperatura de transición dúctil-frágil. Si los experimentos se realizan a una tasa de deformación más alta, se requiere más protección contra dislocaciones para evitar la fractura frágil y se eleva la temperatura de transición.
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