Fragilidad

Un material es frágil si al ser sometido a esfuerzos se fractura con poca deformación elástica y sin deformación plástica significativa. Los materiales frágiles absorben relativamente poca energía antes de fracturarse, incluso aquellos de alta resistencia. La rotura suele ir acompañada de un chasquido agudo.

Cuando se utiliza en ciencia de materiales, generalmente se aplica a materiales que fallan cuando hay poca o ninguna deformación plástica antes de fallar. Una prueba es hacer coincidir las mitades rotas, que deben encajar exactamente ya que no se ha producido ninguna deformación plástica.

Fragilidad en diferentes materiales

Polímeros

Las características mecánicas de los polímeros pueden ser sensibles a los cambios de temperatura cercanos a la temperatura ambiente. Por ejemplo, el poli(metacrilato de metilo) es extremadamente frágil a una temperatura de 4 °C, pero experimenta una mayor ductilidad con el aumento de temperatura.

Los polímeros amorfos son polímeros que pueden comportarse de manera diferente a diferentes temperaturas. Pueden comportarse como un vidrio a bajas temperaturas (la región vítrea), un sólido gomoso a temperaturas intermedias (la región coriácea o de transición vítrea) y un líquido viscoso a temperaturas más altas (la región de flujo gomoso y de flujo viscoso). Este comportamiento se conoce como comportamiento viscoelástico. En la región vítrea, el polímero amorfo será rígido y quebradizo. Al aumentar la temperatura, el polímero se volverá menos quebradizo.

Metales

Algunos metales muestran características frágiles debido a sus sistemas de deslizamiento. Cuantos más sistemas de deslizamiento tiene un metal, menos frágil es, porque puede ocurrir deformación plástica a lo largo de muchos de estos sistemas de deslizamiento. Por el contrario, con menos sistemas de deslizamiento, puede ocurrir menos deformación plástica y el metal será más quebradizo. Por ejemplo, los metales HCP (hexagonal close pack) tienen pocos sistemas de deslizamiento activos y suelen ser frágiles.

Cerámica

Las cerámicas son generalmente quebradizas debido a la dificultad del movimiento de dislocación o deslizamiento. Hay pocos sistemas de deslizamiento en cerámicas cristalinas por los que una dislocación sea capaz de desplazarse, lo que dificulta la deformación y hace que la cerámica sea más quebradiza.

Los materiales cerámicos generalmente presentan enlaces iónicos. Debido a la carga eléctrica de los iones y su repulsión de los iones con carga similar, el deslizamiento está aún más restringido.

Cambio de materiales frágiles

Los materiales se pueden cambiar para que sean más o menos frágiles.

Endurecimiento

Cuando un material ha alcanzado el límite de su resistencia, generalmente tiene la opción de deformarse o fracturarse. Un metal naturalmente maleable puede hacerse más fuerte impidiendo los mecanismos de deformación plástica (reducción del tamaño del grano, endurecimiento por precipitación, endurecimiento por trabajo, etc.), pero si esto se lleva al extremo, la fractura se convierte en el resultado más probable y el material puede volverse más fuerte. volverse quebradizo. Por lo tanto, mejorar la dureza del material es un acto de equilibrio.

Los materiales naturalmente quebradizos, como el vidrio, no son difíciles de endurecer de manera efectiva. La mayoría de estas técnicas implican uno de dos mecanismos: desviar o absorber la punta de una grieta que se propaga o crear tensiones residuales cuidadosamente controladas para que las grietas de ciertas fuentes predecibles se cierren a la fuerza. El primer principio se utiliza en vidrio laminado donde dos láminas de vidrio están separadas por una capa intermedia de polivinilbutiral. El polivinilbutiral, como polímero viscoelástico, absorbe la grieta en crecimiento. El segundo método se utiliza en vidrio templado y hormigón pretensado. Prince Rupert's Drop ofrece una demostración del endurecimiento del vidrio. Los polímeros frágiles se pueden endurecer mediante el uso de partículas metálicas para iniciar grietas cuando una muestra se somete a estrés; un buen ejemplo es el poliestireno de alto impacto o HIPS. Las cerámicas estructurales menos frágiles son el carburo de silicio (principalmente debido a su alta resistencia) y la circona endurecida por transformación.

Se utiliza una filosofía diferente en los materiales compuestos, donde las fibras de vidrio quebradizas, por ejemplo, están incrustadas en una matriz dúctil como la resina de poliéster. Cuando se somete a tensión, se forman grietas en la interfaz vidrio-matriz, pero se forman tantas que se absorbe mucha energía y, por tanto, el material se endurece. El mismo principio se utiliza para crear compuestos de matriz metálica.

Efecto de la presión

Generalmente, la resistencia a la fragilidad de un material puede aumentar mediante presión. Esto sucede como ejemplo en la zona de transición frágil-dúctil a una profundidad aproximada de 10 kilómetros (6,2 millas) en la corteza terrestre, en la que la roca tiene menos probabilidades de fracturarse y más probabilidades de deformarse dúctilmente (ver rheid).

Crecimiento de grietas

La fractura supersónica es un movimiento de grietas más rápido que la velocidad del sonido en un material frágil. Este fenómeno fue descubierto por primera vez por científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Metales en Stuttgart (Markus J. Buehler y Huajian Gao) y el Centro de Investigación IBM Almaden en San José, California (Farid F. Abraham).