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# Tenacidad a la fractura del acero y comportamiento en la punta de la grieta
La tenacidad a la fractura es la resistencia a la propagación de grietas en un estado de carga y restricción determinado.
**[Anders Bergström](/es/noticias/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Leer una ficha técnica 47 min de lectura Actualizado 16 ago 2026 Revisado con evidencia
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- [Qué mide la tenacidad a la fractura del acero](/es/wiki/leer-una-ficha-t%C3%A9cnica/tenacidad-a-la-fractura-del-acero-y-comportamiento-en-la-punta-de-la-grieta#qué-mide-la-tenacidad-a-la-fractura-del-acero "Qué mide la tenacidad a la fractura del acero")
- [El marco de la mecánica de la fractura: Griffith, Irwin y K](/es/wiki/leer-una-ficha-t%C3%A9cnica/tenacidad-a-la-fractura-del-acero-y-comportamiento-en-la-punta-de-la-grieta#el-marco-de-la-mecánica-de-la-fractura-griffith-irwin-y-k "El marco de la mecánica de la fractura: Griffith, Irwin y K")
- [Cuándo son válidos KIC y LEFM para el acero](/es/wiki/leer-una-ficha-t%C3%A9cnica/tenacidad-a-la-fractura-del-acero-y-comportamiento-en-la-punta-de-la-grieta#cuándo-son-válidos-kic-y-lefm-para-el-acero "Cuándo son válidos KIC y LEFM para el acero")
- [Tenacidad elastoplástica: J, CTOD y curvas R](/es/wiki/leer-una-ficha-t%C3%A9cnica/tenacidad-a-la-fractura-del-acero-y-comportamiento-en-la-punta-de-la-grieta#tenacidad-elastoplástica-j-ctod-y-curvas-r "Tenacidad elastoplástica: J, CTOD y curvas R")
- [Temperatura, transición dúctil-frágil y plasticidad en la punta de la grieta](/es/wiki/leer-una-ficha-t%C3%A9cnica/tenacidad-a-la-fractura-del-acero-y-comportamiento-en-la-punta-de-la-grieta#temperatura-transición-dúctil-frágil-y-plasticidad-en-la-punta-de-la-grieta "Temperatura, transición dúctil-frágil y plasticidad en la punta de la grieta")
- [Soldaduras, zonas afectadas por el calor y comportamiento local en la punta de la grieta](/es/wiki/leer-una-ficha-t%C3%A9cnica/tenacidad-a-la-fractura-del-acero-y-comportamiento-en-la-punta-de-la-grieta#soldaduras-zonas-afectadas-por-el-calor-y-comportamiento-local-en-la-punta-de-la-grieta "Soldaduras, zonas afectadas por el calor y comportamiento local en la punta de la grieta")
- [Crecimiento de grietas por fatiga y función de ΔK](/es/wiki/leer-una-ficha-t%C3%A9cnica/tenacidad-a-la-fractura-del-acero-y-comportamiento-en-la-punta-de-la-grieta#crecimiento-de-grietas-por-fatiga-y-función-de-δk "Crecimiento de grietas por fatiga y función de ΔK")
- [Aplicación de las normas y de los datos de tenacidad al diseño de estructuras de acero](/es/wiki/leer-una-ficha-t%C3%A9cnica/tenacidad-a-la-fractura-del-acero-y-comportamiento-en-la-punta-de-la-grieta#aplicación-de-las-normas-y-de-los-datos-de-tenacidad-al-diseño-de-estructuras-de-acero "Aplicación de las normas y de los datos de tenacidad al diseño de estructuras de acero")
## Qué mide la tenacidad a la fractura del acero
La tenacidad a la fractura es la resistencia a la propagación de una grieta en un estado especificado de carga y restricción. Esta definición es deliberadamente más limitada que «resistencia». Un valor de tenacidad describe cómo responde un cuerpo fisurado cuando la fuerza impulsora en la punta de la grieta alcanza un nivel crítico o cuando la grieta comienza a crecer. No describe todos los modos de fallo posibles de un producto de acero.
Los parámetros de fractura responden a distintas preguntas de evaluación de la punta de la grieta.
| Parámetro | Qué describe | Aplicación típica |
|---|---|---|
| KIC | Intensidad crítica de tensiones elástica en condiciones cualificadas de deformación plana | Evaluación de fractura elastico-lineal |
| JIC | Fuerza impulsora elastoplástica de la grieta en la iniciación | Fractura con plasticidad considerable en la punta de la grieta |
| CTOD crítico δ | Desplazamiento de apertura de la punta de la grieta en un evento de fractura especificado | Aceros y soldaduras sensibles a la transición |
| Curva R | Resistencia a medida que progresa la extensión estable de la grieta | Desgarro dúctil y estabilidad del crecimiento de la grieta |
Por tanto, un valor informado corresponde a un método de ensayo, una geometría de probeta, una orientación de la grieta, una temperatura, una velocidad de carga y un intervalo de validez determinados. K\IC\, J\IC\, el CTOD δ crítico y una curva R son parámetros de fractura relacionados, pero no son valores intercambiables. Para convertir uno en otro se requieren un comportamiento adecuado del material, una geometría apropiada y supuestos de comportamiento elastoplástico.
### La resistencia a la propagación de grietas no es la resistencia a la tracción
Una probeta de tracción sin grietas mide la resistencia a la deformación y a la rotura a través de una sección relativamente uniforme. Su límite elástico indica la tensión a la que comienza una deformación plástica significativa; la resistencia última a la tracción registra la máxima tensión nominal de tracción; el alargamiento indica la capacidad de deformación después de alcanzar el límite elástico; y la dureza proporciona una medida indirecta de la resistencia a la indentación y, en algunos casos, una resistencia aproximada. Ninguna de estas mediciones responde directamente a la pregunta de si una grieta existente se propagará.
Una mayor resistencia a la fluencia no indica automáticamente una mayor tenacidad a la fractura. Strong evidence
Esta distinción es importante incluso al comparar aceros con designaciones conocidas, como ASTM A36 y ASTM A572 Grado 50. Un límite elástico más alto no significa automáticamente una mayor tenacidad a la fractura. Los mecanismos de endurecimiento pueden elevar el límite elástico y, al mismo tiempo, reducir la cantidad de deformación plástica que una punta de grieta restringida puede tolerar, particularmente a baja temperatura. El espesor de la chapa puede tener un efecto similar al aumentar la restricción en la punta de la grieta. El manual de 2016 de la Federal Highway Administration sobre puentes de acero describe la consecuencia práctica: un acero de mayor resistencia o de mayor espesor puede requerir una mayor tenacidad porque aumentan la tensión y la restricción en la punta de la grieta, lo que incrementa el riesgo de fractura.
La ductilidad a tracción tampoco es un sustituto. Un acero puede mostrar un alargamiento considerable en una barra lisa, mientras que una entalla, un defecto de soldadura, una característica lamelar o una condición de transición a baja temperatura puede producir una fractura frágil. El ensayo de dureza está aún más alejado del problema de la grieta; puede ayudar a identificar variaciones del tratamiento térmico, pero no establece K\IC\, J\IC\ ni el CTOD crítico.
La vida a fatiga responde a una pregunta diferente. Bajo cargas repetidas, el parámetro cíclico que impulsa la propagación de la grieta suele ser el intervalo del factor de intensidad de tensiones ΔK, no un único valor de tenacidad a la fractura monotónica. NASA-HDBK-5010, Volumen 2 (2023), proporciona la relación para el Modo I en una placa con una grieta central:
**K = βσ√(πa)**
#### No confundir el crecimiento por fatiga con la fractura estática
Un valor de tenacidad estática describe la resistencia frente a un evento de fractura definido. La extensión cíclica de la grieta se evalúa mediante el intervalo de intensidad de tensiones ΔK y un modelo de crecimiento de grieta.
donde β tiene en cuenta la geometría, σ es la tensión aplicada y *a* es la dimensión de la grieta utilizada por el modelo. En condiciones de carga cíclica, ΔK cambia con el intervalo de tensiones y el tamaño de la grieta. Un acero puede resistir una fractura rápida con un valor determinado de K y, aun así, acumular lentamente propagación de la grieta por fatiga durante miles o millones de ciclos.
[](/images/uploads/1af23bc7-78e9-4c24-af9b-3374f1f46306/wiki-inline-a-steel-plate-with-a-sharp-crack-and-a-magnified-crack-tip-stress-and-plasticity-2027x2560.avif "Ampliar imagen — Tenacidad a la fractura del acero y comportamiento en la punta de la grieta")The crack tip concentrates load into a small region where elastic and plastic deformation control fracture.
### La punta de la grieta como región determinante
#### Términos fundamentales de la punta de la grieta
Factor de intensidad de tensiones K
Parámetro elástico que describe la amplitud del campo de tensiones próximo a la punta.
Integral J
Parámetro elastoplástico impulsor de la grieta que representa la energía disponible para la extensión de esta.
CTOD δ
Desplazamiento de apertura de la punta de la grieta asociado con la deformación próxima a dicha punta.
Curva R
Registro de la resistencia a la fractura a medida que progresa la extensión estable de la grieta.
La tensión nominal lejos de una grieta puede ser moderada, mientras que el campo local de tensiones y deformaciones en la punta de la grieta puede ser intenso. Una grieta aguda concentra la carga aplicada en una región pequeña. A. A. Griffith describió la propagación de grietas mediante un balance energético: el crecimiento se produce cuando la reducción de la energía elástica de deformación puede compensar el coste energético de crear nuevas superficies de fractura. Posteriormente, G. R. Irwin expresó el campo elástico en la punta de la grieta mediante el factor de intensidad de tensiones, lo que hizo posible relacionar la carga, la longitud de la grieta, la geometría del componente y la severidad local en la punta de la grieta.
Estudios, directrices y normas de mecánica de la fractura referenciados en orden cronológico.
Para una zona plástica suficientemente pequeña, la mecánica de la fractura elástico-lineal considera K como el parámetro rector. ASTM E399-24 utiliza este enfoque para determinar K\IC\ a partir de probetas metálicas preagrietadas por fatiga, sometidas predominantemente a condiciones elástico-lineales y de deformación plana. La probeta debe ser suficientemente grande para que la plasticidad en la punta de la grieta siga siendo pequeña en relación con sus dimensiones; de lo contrario, el valor medido puede ser un resultado condicional y no una tenacidad válida en deformación plana.
Esta limitación explica por qué una probeta de tracción no puede representar el ala fisurada de un puente, un recipiente a presión o una unión soldada. El componente real tiene un tamaño y una forma de grieta, un gradiente de tensiones, un espesor, un estado de tensiones residuales y un nivel de restricción determinados. Además, la grieta puede encontrarse en el metal base, el metal de soldadura o una zona afectada por el calor. ISO 15653:2018 aborda la tenacidad a la fractura de soldaduras mediante K, el CTOD δ y el equivalente experimental de la integral J, utilizando grietas de fatiga situadas en regiones relevantes de la soldadura.
Cuando la plasticidad en la punta de la grieta no es pequeña o uniforme, se requieren métodos elastoplásticos. J mide la fuerza impulsora energética en esas condiciones, mientras que el CTOD mide la apertura de la punta de la grieta asociada con un evento de fractura especificado. En 2008, NIST informó de que los ensayos elastoplásticos tienen en cuenta la plasticidad no uniforme en la punta de la grieta y las distribuciones complejas de tensiones y deformaciones al predecir la propagación inestable de grietas en el acero.
### Iniciación, crecimiento estable y fractura inestable
La pregunta central de ingeniería no es simplemente «¿Cuál es la tenacidad de este acero?». Es la siguiente: dada una grieta conocida bajo una carga conocida, ¿la grieta permanecerá estable, se propagará de forma estable o desencadenará una fractura rápida?
La iniciación de la grieta es la primera propagación a partir de la grieta preexistente. Después de la iniciación, el material puede admitir un crecimiento estable de la grieta, mientras la deformación plástica y mecanismos como la formación de huecos dúctiles absorben energía. La resistencia puede aumentar con la propagación de la grieta; este comportamiento se representa mediante una curva J-R, una curva de resistencia CTOD u otra curva R. Si la fuerza impulsora aplicada a la grieta supera esa resistencia, puede producirse una fractura inestable.
ASTM E1820 mide el comportamiento de fractura en el Modo I mediante K, J y CTOD, ya sea como valores puntuales o como curvas de resistencia. ISO 12135:2021 especifica asimismo métodos cuasiestáticos que utilizan K, el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta δ, J y curvas R para probetas metálicas homogéneas preagrietadas por fatiga. ASTM E1290 se centra en los valores críticos de CTOD correspondientes a eventos especificados de propagación de la grieta y es especialmente pertinente para la transición de dúctil a frágil a medida que disminuye la temperatura.
Estos resultados deben permanecer vinculados a su método. Un valor de K\IC\ obtenido mediante ASTM E399-24 no debe introducirse en una evaluación estructural basada en J sin una justificación, y un CTOD crítico obtenido en un ensayo de soldadura conforme a ISO 15653:2018 no debe tratarse como una propiedad universal de un grado de acero. La restricción de la probeta, el modo de carga, la temperatura, la ubicación de la grieta, la velocidad de carga y la definición elegida de «iniciación» influyen en el resultado. El número solo es significativo junto con esa información contextual del ensayo.
## El marco de la mecánica de la fractura: Griffith, Irwin y K
### El balance energético de Griffith
Un componente de acero no se fractura simplemente porque su tensión nominal supere el límite elástico o la resistencia a la tracción indicados para un determinado grado. Una grieta cambia el problema: la carga aplicada libera energía de deformación elástica a medida que la grieta se propaga, mientras que las nuevas superficies de fractura consumen energía. A. A. Griffith expresó esta competencia mediante un criterio energético. La extensión de la grieta se vuelve posible cuando la tasa de liberación de energía G alcanza el valor crítico Gc del material:
G≥GcPara un sólido frágil ideal, Griffith relacionó Gc principalmente con la energía superficial necesaria para crear las dos nuevas caras de la grieta. Los aceros reales no son sólidos frágiles ideales. La deformación plástica, la formación de microhuecos, la clivación, el puenteo de la grieta, las tensiones residuales y otros procesos absorben energía adicional cerca de la punta de la grieta. Por tanto, la resistencia medida refleja tanto el material como las condiciones en las que se ensaya la grieta.
Esta perspectiva energética constituye la base de la mecánica de la fractura porque vincula la carga, las dimensiones de la grieta y la resistencia a la propagación de la grieta. También explica por qué la resistencia por sí sola no puede describir una estructura agrietada. Un acero de alta resistencia puede soportar una tensión nominal elevada y, sin embargo, un defecto suficientemente grande sometido a una restricción intensa puede provocar la fractura antes de que se produzca la fluencia generalizada. Por el contrario, un acero de menor resistencia, pero con mayor resistencia a la propagación de grietas, puede tolerar el mismo defecto de forma más segura.
La resistencia pertinente no es una constante universal del grado de acero. La temperatura, la velocidad de carga, el espesor, el estado tensional, la orientación de la grieta, la ubicación de la soldadura y el suceso seleccionado como fallo pueden modificar el valor medido. El desgarro estable y la clivación inestable son resultados diferentes, aunque se produzcan en probetas fabricadas a partir de la misma colada de acero.
### El campo de tensiones en la punta de la grieta según Irwin
G. R. Irwin convirtió el concepto energético de Griffith en una descripción práctica del campo elástico que rodea la punta de una grieta. En la mecánica de la fractura lineal elástica, las tensiones próximas a la punta aumentan aproximadamente con la inversa de la raíz cuadrada de la distancia r desde la punta:
σij≈K2πrfij(θ)Aquí, fij(θ) describe la distribución angular de la tensión, mientras que K determina su amplitud. La singularidad matemática no se prolonga hasta una tensión infinita en un acero real: en la punta se forma una zona plástica, por pequeña que sea. La mecánica de la fractura lineal elástica sigue siendo útil cuando dicha zona es pequeña en comparación con las dimensiones de la probeta, el tamaño de la grieta y el ligamento resistente restante, de modo que el campo circundante es predominantemente elástico.
Los tres modos básicos de carga de la grieta.
| Modo | Movimiento de la punta de la grieta | Descripción típica |
|---|---|---|
| Modo I | Apertura | Carga de tracción normal al plano de la grieta |
| Modo II | Deslizamiento en el plano | Desplazamiento cortante dentro del plano de la grieta |
| Modo III | Desgarro antiplano | Desplazamiento cortante fuera del plano de la grieta |
El modo I es el caso principal en la evaluación de la fractura de aceros. Abre las caras de la grieta mediante la aplicación de una carga de tracción normal al plano de la grieta. El modo II produce deslizamiento en el plano, y el modo III produce desgarro antiplano; las estructuras reales pueden experimentar cargas en modo mixto, pero muchos procedimientos de diseño y ensayo comienzan con el modo I porque suele gobernar la fractura por tracción.
Irwin también relacionó el campo de la punta de la grieta con la liberación de energía. Para un material linealmente elástico,
G=K2E′donde E′=E en estado de tensión plana y E′=E/(1−ν2) en estado de deformación plana. Esta relación muestra por qué un valor crítico de intensidad de tensiones puede representar la resistencia a la fractura únicamente cuando las hipótesis de elasticidad y las condiciones de restricción son adecuadas. ASTM E399-24 determina KIC en condiciones predominantemente linealmente elásticas y de deformación plana, utilizando probetas metálicas preagrietadas por fatiga. Sus requisitos de tamaño y validez tienen por objeto mantener la plasticidad en la punta de la grieta suficientemente pequeña para que KIC sea un valor significativo de tenacidad a la fractura en deformación plana.
Cuando la plasticidad no es pequeña, K por sí solo puede no describir el estado de la punta de la grieta. ISO 12135:2021 incluye K, el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta δ, J y curvas de resistencia para ensayos cuasiestáticos de probetas metálicas homogéneas. ASTM E1820 también utiliza K, J y CTOD, ya sea como valores puntuales o como curvas que muestran la resistencia durante la extensión estable de la grieta. Estas magnitudes están relacionadas mediante la mecánica de la fractura, pero KIC, JIC, CTOD y una curva R no son denominaciones intercambiables.
### Intensidad de tensiones, geometría y tamaño de la grieta
NASA-HDBK-5010, Volumen 2, proporciona el factor de intensidad de tensiones en modo I para una placa con una grieta central mediante
K=βσπadonde σ es la tensión nominal aplicada, a es la dimensión de la grieta utilizada según la convención geométrica indicada, y β es un factor de corrección geométrica. En una grieta pasante central, a suele representar la semilongitud de la grieta; en otras configuraciones, la dimensión de la grieta se define de manera diferente. La ecuación muestra directamente la interacción: duplicar la tensión duplica K, mientras que cuadruplicar el tamaño de la grieta también lo duplica.
β no es una constante del material ni describe el grado, la dureza o la tenacidad del acero. Tiene en cuenta la anchura finita, los efectos de borde, la forma de la grieta, la configuración de la probeta y la disposición de la carga. Una probeta de tracción compacta, una probeta de flexión con entalla lateral y una placa ancha con una grieta central pueden estar fabricadas con el mismo acero y tener la misma tensión y la misma longitud nominal de grieta, pero producir distintos factores de intensidad de tensiones porque sus correcciones geométricas son diferentes. El manual de tolerancia al daño AFGROW describe este mismo principio: la respuesta elástica en la punta de la grieta depende de la carga, la geometría y las dimensiones de la grieta.
Para cargas cíclicas, NASA identifica ΔK, el intervalo de intensidad de tensiones durante un ciclo de carga, como el parámetro de control del crecimiento de grietas por fatiga conforme al modelo de mecánica de la fractura lineal elástica aplicable. Por tanto, la fractura puede producirse después de que una grieta haya crecido bajo cargas repetidas, aunque la tensión inicial estuviera por debajo del nivel final de fractura estática.
La condición K=KIC solo es significativa cuando la probeta y la carga cumplen los requisitos de la norma pertinente. El manual de la FHWA sobre puentes de acero describe las combinaciones de tamaño de grieta y tensión inferiores a K=KIC como estables dentro de ese modelo, no como universalmente seguras. Las secciones gruesas y los aceros de alta resistencia pueden desarrollar una mayor restricción en la punta de la grieta, lo que reduce la capacidad de la plasticidad para embotar la grieta. El metal de soldadura, las líneas de fusión y las zonas afectadas térmicamente requieren una atención específica; ISO 15653:2018 contempla la tenacidad a la fractura de soldaduras mediante K, CTOD δ y el equivalente experimental de la integral J. Por tanto, el valor declarado debe interpretarse junto con su método, la geometría de la probeta, la ubicación de la grieta, la temperatura, la velocidad de carga y los límites de validez.
## Cuándo son válidos KIC y LEFM para el acero
### ASTM E399-24 y la tenacidad en deformación plana
ASTM E399-24 proporciona un procedimiento específico para medir la tenacidad a la fractura en deformación plana, KIC, en materiales metálicos. Utiliza probetas preagrietadas por fatiga, cargadas predominantemente en Modo I, bajo condiciones en las que la respuesta se mantiene principalmente dentro del régimen elástico lineal. El resultado no es simplemente «la tenacidad del acero». Es un parámetro material cualificado únicamente cuando la probeta, la grieta, la temperatura, la velocidad de carga y los requisitos de validez respaldan el modelo de deformación plana.
La distinción es importante porque KIC describe la intensidad de tensiones en el momento de la extensión inestable de la grieta bajo una intensa restricción en la punta de la grieta. No mide el límite elástico, la dureza, la ductilidad ni la resistencia a la fatiga. Un acero puede tener una elevada resistencia a la tracción y, aun así, presentar una baja resistencia a la propagación de grietas a baja temperatura. Por el contrario, un acero de resistencia moderada puede tolerar una grieta mayor si su microestructura y las condiciones de ensayo producen una mayor resistencia a la fractura.
La base es el criterio energético de A. A. Griffith: una grieta se propaga cuando la energía elástica liberada por un pequeño incremento de su crecimiento es suficiente para crear las nuevas superficies de fractura. G. R. Irwin expresó el campo de tensiones elásticas próximo a la punta de la grieta mediante el factor de intensidad de tensiones, K. Para una placa con una grieta central, NASA-HDBK-5010, Volumen 2, expresa la relación del Modo I como
K=βσπa,donde β tiene en cuenta la geometría, σ es la tensión aplicada y a es la dimensión de la grieta utilizada por la convención seleccionada. La ecuación muestra por qué un valor de tenacidad no puede separarse del tamaño de la grieta, la tensión y la geometría. AFGROW también considera que la respuesta en la punta de la grieta, dentro del régimen elástico, es una función de la carga, la geometría y las dimensiones de la grieta.
Por tanto, un resultado válido de KIC es un parámetro límite de fractura, no una constante universal específica de un grado de acero. El resultado se aplica a una condición definida de Modo I y deformación plana. No debe sustituirse directamente por un valor de JIC, CTOD o una curva R. ASTM E1820 puede evaluar la tenacidad en Modo I mediante K, J y CTOD, incluidos valores puntuales y curvas de resistencia, mientras que ISO 12135:2021 cubre métodos cuasiestáticos que utilizan K, el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta δ, J y curvas de resistencia. Estos métodos abordan situaciones en las que el comportamiento elastoplástico en la punta de la grieta es significativo.
[](/images/uploads/7e05d89f-f771-451a-80e2-b5a22ea454e4/wiki-inline-a-comparison-of-small-scale-yielding-and-extensive-crack-tip-plasticity-in-steel-1920x1094.avif "Ampliar imagen — Tenacidad a la fractura del acero y comportamiento en la punta de la grieta")LEFM is appropriate only when crack-tip plasticity remains small relative to the specimen and ligament.
### Plasticidad a pequeña escala y límites de la zona plástica
#### Límite de validez
No denomine KIC a un resultado cuando la zona plástica de la punta de la grieta no sea pequeña en comparación con el espesor de la probeta, el ligamento residual, la longitud de la grieta y otras dimensiones que controlan el ensayo. Dicho resultado puede ser condicional, en lugar de constituir una tenacidad cualificada en deformación plana.
LEFM supone que la mayor parte de la probeta permanece en régimen elástico y que cualquier plasticidad queda confinada en una pequeña región situada inmediatamente delante de la grieta. Esta región, denominada habitualmente zona plástica de la punta de la grieta, debe ser pequeña en comparación con el espesor de la probeta, el ligamento residual, la longitud de la grieta y las demás dimensiones que controlan el ensayo. Si llega a ser demasiado grande, la carga medida ya no representa un campo predominantemente elástico en la punta de la grieta. El resultado aún puede describir la geometría ensayada, pero no constituye un KIC cualificado en deformación plana.
La razón física es sencilla. La deformación plástica embota la punta de la grieta, redistribuye las tensiones y relaja el campo elástico singular predicho por la solución de Irwin. En condiciones de plasticidad a pequeña escala, esa región alterada es suficientemente limitada para que K siga caracterizando el campo circundante. Cuando la zona plástica ocupa una parte sustancial del ligamento residual o del espesor, un único parámetro elástico ya no puede describir con precisión el estado en la punta de la grieta.
Un aumento de la tensión aplicada incrementa la zona plástica. Lo mismo ocurre con una disminución del límite elástico. Una probeta delgada también permite una mayor deformación a través del espesor y una mayor relajación plástica que una probeta gruesa. Estos efectos pueden producir una carga de fractura aparentemente mayor, aunque el resultado refleje una reducción de la restricción y no una mayor resistencia intrínseca a la propagación de la grieta. Denominar KIC a un resultado de este tipo sin cumplir los requisitos de validez de la norma exagera lo que demuestra el ensayo.
Cuando el comportamiento elastoplástico controla el fenómeno, J, CTOD o una curva de resistencia suelen ser más informativos. ASTM E1290 se centra en valores críticos de CTOD correspondientes a eventos especificados de extensión de la grieta y resulta especialmente útil para aceros que presentan una transición dúctil-frágil al disminuir la temperatura. ISO 15653:2018 se aplica a métodos relacionados de tenacidad a la fractura en soldaduras, incluidas las grietas de fatiga situadas en el metal de soldadura y en las zonas afectadas por el calor. Esa ubicación puede ser tan importante como la designación nominal de la chapa.
### Restricción, espesor y validez de la probeta
Restricción **Restricción** Grado en que el material circundante limita la deformación plástica en la punta de una grieta; una mayor restricción generalmente favorece un estado tensional triaxial y puede reducir la tolerancia aparente a la fractura.
La restricción describe hasta qué punto el material circundante impide el flujo plástico en la punta de la grieta. La deformación plana, favorecida normalmente por un mayor espesor y un ligamento residual suficientemente grande, impone una mayor restricción que la tensión plana. Una mayor restricción suprime la relajación plástica y puede reducir la tolerancia aparente a la fractura medida durante el ensayo. Por tanto, el mismo acero puede producir distintos valores de tenacidad en secciones delgadas y gruesas, o en probetas con diferentes orientaciones de la grieta y dimensiones del ligamento residual.
El espesor no es un detalle de ensayo meramente accesorio. Modifica el estado tensional a través de la sección y afecta a que la punta de la grieta experimente la restricción triaxial necesaria para una interpretación en deformación plana. La geometría de la probeta también es importante: las probetas de tracción compacta y de flexión con grieta lateral pueden generar distintas combinaciones de longitud de grieta, ligamento residual, flexión y restricción. Un resultado obtenido con una geometría no debe transferirse a un detalle estructural sin comprobar las condiciones correspondientes en la punta de la grieta.
La guía de la FHWA para puentes de acero plantea directamente la implicación para el diseño: las combinaciones de tamaño de grieta y tensión inferiores a K=KIC son estables dentro del modelo de mecánica de la fractura aplicable, mientras que los aceros de mayor resistencia y mayor espesor pueden requerir una mayor tenacidad porque aumentan la tensión y la restricción en la punta de la grieta, incrementando el riesgo de fractura. La guía no establece un único límite numérico específico de cada grado de acero que sea aplicable a todos los detalles de un puente. Los ingenieros deben evaluar el tamaño real del defecto, el intervalo de tensiones, la geometría, el espesor, la resistencia del acero, la temperatura y las hipótesis relativas a la inspección.
Por tanto, un valor declarado debe identificarse según su condición. Un KIC cualificado cumple los requisitos pertinentes de deformación plana y validez de la probeta. Un valor condicional, identificado a menudo como KQ, es un resultado de fractura medido que no ha demostrado el cumplimiento de dichos requisitos. Un valor elastoplástico dependiente de la geometría puede ser útil para esa probeta y esa disposición de carga, pero no es intercambiable con KIC. La temperatura, la velocidad de carga, la orientación de la grieta, la ubicación de la soldadura y el crecimiento estable de la grieta pueden modificar el resultado determinante antes de que se produzca la fractura inestable. Por ello, el comportamiento en la punta de la grieta debe asociarse con el parámetro y el modelo de validez utilizados en el diseño.
## Tenacidad elastoplástica: J, CTOD y curvas R
La mecánica de la fractura lineal-elástica (LEFM) es aplicable cuando la zona plástica en la punta de la grieta es pequeña en comparación con la probeta y el ligamento remanente. En esas condiciones, el factor de intensidad de tensiones K describe la intensidad del campo elástico en la punta de la grieta, y KIC puede representar la tenacidad de fractura en deformación plana. ASTM E399-24 determina KIC utilizando probetas metálicas preagrietadas por fatiga, sometidas a condiciones predominantemente lineales-elásticas y de deformación plana. Sus requisitos de validez no son detalles administrativos: si la plasticidad se extiende por una parte excesiva del ligamento, el valor de KIC notificado no constituye un límite válido del material en deformación plana.
Cuando el acero alcanza la fluencia alrededor de una grieta, el campo en la punta de la grieta se vuelve no uniforme y la carga aplicada ya no queda representada adecuadamente por K por sí solo. La deformación plástica absorbe energía, modifica la restricción en la punta de la grieta y puede producir desgarro estable antes de la fractura inestable. El análisis de NIST de 2008 sobre la fractura del acero describe los ensayos elastoplásticos como un medio para tener en cuenta estas complejas distribuciones de tensión-deformación y mejorar las predicciones de propagación inestable de grietas. El resultado pertinente puede ser entonces un valor J, un valor de CTOD o una curva completa de resistencia, en lugar de un único KIC.
### ASTM E1820 y la resistencia basada en J
La integral J es un parámetro impulsor de la fractura elastoplástica. En términos físicos, representa la energía disponible para la extensión de la grieta por unidad de área de grieta recién creada, con unidades de energía por área, habitualmente kJ/m2 o N/mm. Para una grieta suficientemente restringida y en condiciones en las que el campo J caracteriza la deformación próxima a la punta, J puede describir la intensidad de la carga en la punta de la grieta, tanto elástica como plástica. No es simplemente otro nombre para K.
En el caso límite lineal-elástico, una relación como
J=K2E′conecta ambos parámetros, donde E′=E en tensión plana y E′=E/(1−ν2) en deformación plana. Esta ecuación no hace que J y K sean intercambiables en general. Se aplica a la contribución elástica bajo supuestos definidos; el trabajo plástico, la geometría de la probeta, la extensión de la grieta y la restricción pueden hacer que las magnitudes medidas se comporten de manera diferente.
ASTM E1820 proporciona procedimientos para el Modo I utilizando K, J y CTOD, notificados como valores puntuales o como curvas de resistencia. Las probetas de tracción compacta, o C(T), y de flexión con grieta lateral única, o SE(B), son configuraciones habituales. El ensayo comienza con una probeta preagrietada por fatiga; posteriormente se registran la carga y el desplazamiento a medida que se carga la grieta. Los cambios de compliancia, los procedimientos de descarga o las mediciones posteriores al ensayo pueden utilizarse para estimar la extensión de la grieta y separar las contribuciones elástica y plástica a J.
Por tanto, un valor como JIC es condicional. Depende de las definiciones de iniciación, del tamaño de la probeta, de la preparación de la grieta, de la reducción de los datos y de la validez establecidas por la norma. Una probeta pequeña puede producir un resultado útil de evaluación preliminar, pero no cumplir los requisitos de tamaño o restricción necesarios para obtener una tenacidad de iniciación transferible. La misma cautela se aplica a las soldaduras: ISO 15653:2018 aborda las grietas situadas en el metal de soldadura y en las zonas afectadas por el calor, y utiliza K, CTOD δ y el equivalente experimental de la integral J. Los valores del metal base no pueden sustituir automáticamente a los de esas ubicaciones.
### CTOD como desplazamiento en la punta de la grieta
CTOD, escrito δ, mide el desplazamiento de apertura en la punta de la grieta. En lugar de expresar la severidad de la grieta como un flujo de energía o como la amplitud de un campo elástico de tensiones, describe cuánto se separan las dos caras de la grieta cerca de la punta original. En un acero sometido a fluencia, esa apertura incluye los efectos del embotamiento de la punta de la grieta y de la deformación plástica. Se alcanza un CTOD crítico cuando se produce un evento especificado de fractura o de extensión de la grieta.
Esto hace que CTOD sea especialmente útil cuando la plasticidad es considerable y cuando una descripción basada en el desplazamiento se corresponde estrechamente con el desgarro observado. ASTM E1290 se centra en valores críticos de CTOD correspondientes a eventos especificados de extensión de la grieta y es particularmente pertinente para aceros que experimentan una transición dúctil-frágil al disminuir la temperatura. Un ensayo a baja temperatura puede mostrar poco desgarro estable antes de la clivación, mientras que un ensayo a mayor temperatura puede mostrar embotamiento seguido de extensión dúctil. El evento seleccionado es importante.
CTOD y J están relacionados mediante modelos de mecánica de la fractura y procedimientos de conversión específicos de cada norma, pero miden magnitudes diferentes. Un valor de CTOD no puede convertirse automáticamente en JIC sin formular supuestos sobre el campo en la punta de la grieta, el límite elástico, la geometría y el régimen de deformación. CTOD tampoco equivale a KIC. ISO 12135:2021 sitúa K, CTOD δ, J y las curvas de resistencia dentro de un mismo marco cuasiestático para probetas metálicas homogéneas, pero ese marco común no elimina sus definiciones diferenciadas.
### Curvas de resistencia frente a valores puntuales
Una curva R registra la resistencia a la fractura a medida que avanza la extensión de la grieta. La variable horizontal suele ser el crecimiento estable de la grieta, Δa; la variable vertical puede ser J, CTOD u otro parámetro de fractura permitido. La curva puede ascender porque la grieta se embota, se produce deformación plástica y, posteriormente, se requiere una fuerza impulsora cada vez mayor para continuar el desgarro. Su pendiente contiene información que un único valor de iniciación no puede proporcionar.
Esta distinción es importante en los aceros estructurales dúctiles. Un valor puntual puede identificar el inicio de una extensión significativa de la grieta, mientras que la curva R muestra si la probeta puede tolerar un desgarro estable adicional antes de que la fuerza impulsora aplicada alcance la curva. La intersección entre la fuerza impulsora aplicada de J o CTOD y la curva ascendente de resistencia puede indicar un crecimiento estable; una pérdida posterior de separación entre la fuerza impulsora y la resistencia puede indicar una fractura inestable. El resultado depende de la geometría y de la restricción, por lo que no constituye una constante universal del grado de acero.
La temperatura, la velocidad de carga, el espesor, la ubicación de la soldadura, la orientación de la grieta y la geometría de la probeta afectan a la curva. Un resultado obtenido con C(T) y otro obtenido con SE(B) pueden diferir incluso si las probetas se han extraído de la misma colada de acero. Una “tenacidad” notificada sin indicar su parámetro, la definición de extensión de la grieta, la temperatura del ensayo, la velocidad de carga y los límites de validez está incompleta. ASTM E1820, ISO 12135:2021 e ISO 15653:2018 proporcionan procedimientos, no autorización para tratar los datos de J, CTOD, K y de las curvas R como intercambiables.
## Temperatura, transición dúctil-frágil y plasticidad en la punta de la grieta
### Comportamiento de fractura dependiente de la temperatura
La temperatura puede desplazar el comportamiento de fractura del acero entre el desgarro dúctil y la clivación frágil. Strong evidence
El acero no tiene una única tenacidad de fractura fija para todas las condiciones de servicio. La temperatura modifica el equilibrio entre la deformación plástica en la punta de la grieta y la clivación. A medida que desciende la temperatura, el movimiento de las dislocaciones se vuelve más difícil en muchos aceros ferríticos y de baja aleación. Una punta de grieta que anteriormente podía embotarse mediante flujo plástico puede alcanzar, en cambio, una tensión crítica para la clivación rápida. El resultado puede ser una transición brusca, a lo largo de un intervalo de temperaturas relativamente estrecho, desde un desgarro dúctil estable hasta una fractura frágil inestable.
Este comportamiento se describe habitualmente como transición dúctil-frágil (DBT). Es especialmente importante en los aceros ferríticos de estructura cúbica centrada en el cuerpo, incluidos muchos tipos utilizados en puentes, equipos a presión, tuberías y estructuras fabricadas. Por lo general, los aceros inoxidables austeníticos no presentan la misma transición pronunciada en condiciones normales de servicio, porque su estructura cúbica centrada en las caras conserva una mayor ductilidad a bajas temperaturas, aunque la condición de la aleación, el historial térmico de la soldadura, la velocidad de carga y el entorno siguen afectando la respuesta a la fractura.
Por tanto, un valor de tenacidad medido a temperatura ambiente no puede transferirse automáticamente a una estructura sometida a temperaturas bajo cero. También debe considerarse la fuerza impulsora de la grieta. NASA-HDBK-5010, Volumen 2, expresa el factor de intensidad de tensiones en el Modo I para una placa con una grieta central como:
K=βσπadonde a es el tamaño de la grieta, σ es la tensión aplicada y β es un factor de corrección geométrica. La temperatura no aparece explícitamente en esta ecuación, pero modifica la resistencia del material con la que se compara K. Una estructura puede experimentar la misma tensión nominal y el mismo tamaño de grieta a dos temperaturas, pero presentar márgenes frente a la fractura muy diferentes.
El efecto de la temperatura también depende de la velocidad de carga. Una carga más rápida deja menos tiempo para la acomodación plástica y puede desplazar el comportamiento de transición aparente hacia temperaturas más elevadas. La restricción tiene un efecto similar. Las secciones gruesas, las grietas profundas, los frentes de grieta agudos y los detalles de soldadura restringidos suprimen la deformación en la punta de la grieta, lo que hace más probable la clivación que en un ensayo realizado con una probeta delgada con una grieta superficial.
### CTOD crítico y aceros sensibles a la transición
El desplazamiento de apertura en la punta de la grieta, o CTOD δ, describe el desplazamiento de apertura asociado con la deformación cerca de una punta de grieta. El CTOD crítico no es una designación general de un tipo de acero. Es un valor medido vinculado a un evento de fractura especificado, una geometría de ensayo, una temperatura, una velocidad de carga y una ubicación de la grieta determinadas.
ASTM E1290 aborda el CTOD crítico en eventos especificados de extensión de grieta y es especialmente pertinente para materiales metálicos que experimentan una transición dúctil-frágil al disminuir la temperatura. El evento puede implicar el inicio de un desgarro estable, una cantidad definida de extensión de grieta o una fractura inestable, según el procedimiento y la interpretación. En consecuencia, un valor de δc debe incluir la definición del evento; los valores asociados con eventos diferentes no deben considerarse intercambiables.
A temperaturas más elevadas, un acero ferrítico puede presentar un embotamiento considerable de la punta de la grieta, seguido de un desgarro dúctil estable. En ese caso, el CTOD puede interpretarse junto con una curva de resistencia, que registra el aumento de la resistencia a la fractura a medida que la grieta se extiende. A temperaturas más bajas, el mismo acero puede presentar poca extensión estable antes de la clivación. El CTOD pertinente puede disminuir bruscamente, y un valor puntual único puede ocultar el cambio de un comportamiento controlado por el desgarro a una rotura controlada por la clivación.
ASTM E1820 permite la evaluación del Modo I mediante K, J y CTOD, ya sea como valores puntuales o como curvas de resistencia. ISO 12135:2021 especifica asimismo métodos cuasiestáticos que utilizan la intensidad de tensiones, el CTOD δ, la integral J y curvas de resistencia para probetas metálicas homogéneas preagrietadas por fatiga. Estos parámetros describen comportamientos relacionados en la punta de la grieta, pero no son numéricamente intercambiables. K es adecuado para campos predominantemente elásticos; J y CTOD son más útiles cuando se desarrolla una plasticidad apreciable.
La distinción se vuelve esencial en el acero soldado. ISO 15653:2018 abarca los ensayos de tenacidad de fractura de soldaduras con grietas de fatiga situadas en el metal de soldadura o en las zonas afectadas térmicamente, y utiliza K, CTOD δ y el equivalente experimental de la integral J. Una soldadura puede contener material de grano grueso en la zona afectada térmicamente, inclusiones, tensiones residuales, gradientes de dureza y zonas frágiles locales. Por tanto, su resultado de CTOD puede diferir considerablemente del resultado de la placa base, incluso cuando ambos tienen la misma designación nominal de acero.
### Fractura elastoplástica y dinámica
La mecánica de fractura elastico-lineal es aplicable cuando la zona plástica en la punta de la grieta permanece pequeña en comparación con las dimensiones de la probeta y con la geometría pertinente de la grieta. ASTM E399-24 utiliza esta base para determinar KIC en condiciones predominantemente elastico-lineales y de deformación plana, con probetas metálicas preagrietadas por fatiga. Los requisitos de validez son importantes. Un valor que no los cumpla no constituye un KIC válido en deformación plana, aunque el ensayo haya producido una superficie de fractura de aspecto limpio.
Cuando la plasticidad es considerable, el campo en la punta de la grieta no se representa adecuadamente mediante un único valor elástico de intensidad de tensiones. La integral J, el CTOD y las curvas de resistencia pueden captar la deformación elastoplástica y el crecimiento estable de la grieta, pero su interpretación sigue dependiendo de la restricción y del tamaño de la probeta. La fluencia no uniforme produce gradientes a través del espesor y a lo largo del frente de grieta. La deformación local puede concentrarse en una región mientras otras regiones permanecen mayormente elásticas.
El análisis de NIST de 2008 sobre la fractura dinámica del acero explica por qué son necesarios los ensayos de tenacidad de fractura elastoplástica cuando la plasticidad no uniforme en la punta de la grieta y las distribuciones complejas de tensión-deformación influyen en la propagación inestable de la grieta. Bajo impacto o una carga que aumenta rápidamente, la respuesta de la punta de la grieta puede diferir de la de un ensayo cuasiestático, porque el flujo plástico, la propagación de ondas, la inercia y la velocidad de la grieta interactúan. En ese caso, los datos de tenacidad estática pueden sobrestimar o subestimar la resistencia disponible durante el evento real.
Por tanto, todo resultado de tenacidad significativo debe identificar el parámetro y la norma, la temperatura, la velocidad de carga, la geometría de la probeta, el espesor y la restricción, la orientación y ubicación de la grieta, la condición de la soldadura cuando corresponda y los límites de validez. Sin esos datos, afirmar «la tenacidad del acero» constituye una declaración incompleta.
## Soldaduras, zonas afectadas por el calor y comportamiento local en la punta de la grieta
Un componente de acero soldado no posee un único valor de tenacidad que pueda transferirse automáticamente. Su chapa base, metal de soldadura, límite de fusión y zona afectada por el calor (ZAC) pueden presentar composiciones, estructuras de grano, tensiones residuales y restricciones en la punta de la grieta diferentes. Por tanto, un resultado de tenacidad obtenido en la chapa base no puede calificar la unión a menos que se demuestre que la ubicación de la grieta, el procedimiento de soldeo, el historial térmico y las condiciones de ensayo son representativos.
### ISO 15653:2018 para la tenacidad a la fractura de soldaduras
ISO 15653:2018 especifica los ensayos de tenacidad a la fractura para componentes metálicos soldados mediante el factor de intensidad de tensiones K, el desplazamiento de apertura en la punta de la grieta δ (CTOD) y un equivalente del integrando J determinado experimentalmente. Estos parámetros describen diferentes aspectos del comportamiento de la punta de la grieta. K es el más apropiado cuando la deformación sigue siendo suficientemente elástica y resulta aplicable la plasticidad a pequeña escala. El CTOD describe el desplazamiento de apertura asociado con la deformación elastoplástica en la punta de la grieta. J representa la energía disponible para la extensión de la grieta y resulta útil cuando la plasticidad es demasiado extensa para una interpretación válida de elasticidad lineal.
La norma no es simplemente una tabla de valores de tenacidad de soldaduras por grado. Proporciona métodos para preparar y ensayar probetas cuyas grietas de fatiga se posicionan deliberadamente en regiones concretas de la soldadura. Esa ubicación forma parte del resultado. Una probeta ensayada con la grieta en el metal de soldadura depositado responde a una pregunta diferente de la que responde una probeta cuya grieta sigue la ZAC o toma muestras del límite de fusión.
Esta distinción es importante porque un valor de CTOD o J comunicado solo es significativo junto con su temperatura de ensayo, velocidad de carga, geometría de la probeta, orientación de la grieta, ubicación de la grieta y evaluación de validez. Un resultado de soldadura obtenido mediante un procedimiento no puede asignarse automáticamente a todas las uniones fabricadas con la misma designación nominal de acero. El aporte térmico, la temperatura entre pasadas, las condiciones de protección, los consumibles, la secuencia de pasadas, la restricción, el tratamiento térmico posterior al soldeo y las reparaciones mediante soldadura pueden modificar la respuesta local en la punta de la grieta.
Por tanto, ISO 15653:2018 debe leerse junto con las normas generales de fractura utilizadas para metales homogéneos. ISO 12135:2021 abarca métodos cuasiestáticos basados en K, δ, J y curvas de resistencia, mientras que ASTM E1820 evalúa el comportamiento en Modo I mediante K, J y CTOD, incluidos tanto los valores puntuales como las curvas de resistencia al crecimiento de grieta. Estos métodos no hacen que K, J y CTOD sean intercambiables. Un CTOD crítico correspondiente a un evento especificado de extensión de grieta no es la misma propiedad que KIC, JIC o una curva R.
[](/images/uploads/7d568a7d-864b-4874-8bcd-bc04bfee2f90/wiki-inline-a-polished-and-etched-steel-weld-cross-section-showing-weld-metal-fusion-boundar-1920x1288.avif "Ampliar imagen — Tenacidad a la fractura del acero y comportamiento en la punta de la grieta")Weld fracture performance depends strongly on the local region sampled by the crack.
### Metal de soldadura frente a zona afectada por el calor
El metal de soldadura solidifica a partir del baño fundido y puede contener granos columnares, bandas de segregación, inclusiones y regiones recalentadas producidas por pasadas posteriores. Su tenacidad depende de la composición depositada y del ciclo térmico de soldadura, no solo de la designación nominal de la chapa base. El control del hidrógeno, la velocidad de enfriamiento, la dilución y la composición química del consumible pueden afectar a la microestructura resultante y a la probabilidad de clivaje o desgarro dúctil.
Zona afectada por el calor (ZAC) **Zona afectada por el calor (ZAC)** Región del metal base adyacente a una soldadura cuya microestructura y propiedades fueron modificadas por el calor de la soldadura sin llegar a fundirse.
La ZAC tampoco es un material único. Al desplazarse hacia el exterior desde el límite de fusión, puede incluir regiones de grano grueso, grano fino, intercríticas y subcríticas. La ZAC de grano grueso puede presentar una tenacidad reducida cuando las temperaturas máximas favorecen el crecimiento de grano y el enfriamiento posterior produce una estructura de transformación menos favorable. Una región de grano fino puede responder de manera diferente, mientras que una zona intercrítica puede contener áreas transformadas y no transformadas mezcladas. El mínimo local puede encontrarse en una banda estrecha que una grieta de fatiga posicionada de forma amplia no llegue a muestrear.
En consecuencia, la colocación de la grieta de fatiga es decisiva. Una grieta centrada en el metal de soldadura mide principalmente el metal depositado y sus defectos locales. Una grieta situada en la ZAC mide una subregión térmica seleccionada, siempre que la precarga de fatiga permanezca donde se pretendía. Una grieta orientada a lo largo del límite de fusión explora una interfaz con cambios abruptos de composición, orientación de grano, dureza y comportamiento de deformación. Pequeñas desviaciones en la alineación de la entalla pueden desplazar la grieta hacia una región diferente y alterar la tenacidad aparente.
El resultado también puede depender de si el ensayo registra el inicio de la fractura o el crecimiento estable de la grieta. Una región de la soldadura puede resistir el clivaje inicial y, sin embargo, mostrar un desgarro dúctil rápido una vez iniciada la extensión; otra puede mantener un crecimiento estable, pero fallar con un valor de iniciación bajo. Los datos de las curvas de resistencia pueden revelar esta diferencia con mayor claridad que un único punto crítico.
### Microestructura, tensión residual y colocación de la grieta
La tensión residual de soldadura modifica el estado tensional inicial en la grieta. Una tensión residual de tracción puede aumentar la carga efectiva de apertura en un defecto incluso cuando la tensión nominal aplicada externamente es moderada. También puede modificar el crecimiento de la precarga de fatiga e interactuar con la restricción impuesta por una chapa gruesa, una reparación rígida o una soldadura cercana. El alivio de tensiones, la redistribución durante el servicio y la plastificación local complican la interpretación, pero no justifican ignorar la tensión residual durante la evaluación.
La restricción local es igualmente importante. El mismo acero nominal puede mostrar un comportamiento diferente en la punta de la grieta en una probeta delgada, una unión gruesa restringida y un detalle estructural con elevada triaxialidad. En términos de elasticidad lineal, NASA-HDBK-5010, Volume 2, proporciona K=βσπa para una placa con una grieta central, donde β representa la geometría. Una soldadura modifica algo más que la geometría: el módulo elástico, el comportamiento en el límite elástico, la tensión térmica y la forma del frente de grieta pueden variar a través de la probeta.
Las inclusiones y los defectos de falta de fusión pueden actuar como concentradores locales de tensiones o iniciar microhuecos delante de la grieta principal. En el límite de fusión, los cambios cristalográficos y la falta de correspondencia en la deformación pueden intensificar la restricción local. Estos efectos pueden producir trayectorias de fractura que abandonen la región prevista, especialmente cuando la grieta encuentra una zona vecina más tenaz o más débil.
Por tanto, una interpretación defendible de la tenacidad de una soldadura identifica el procedimiento de soldeo, la ubicación de la soldadura, la orientación de la grieta, la temperatura, el modo de carga, las dimensiones de la probeta y el evento de fallo. Sin esa información, un resultado numérico describe una configuración local ensayada, no todas las soldaduras fabricadas con ese acero base.
## Crecimiento de grietas por fatiga y función de ΔK
[](/images/uploads/95aceee6-33d2-4360-8061-76d0120e11f0/wiki-inline-a-steel-structural-plate-with-a-growing-fatigue-crack-progressing-from-repeated-1920x1434.avif "Ampliar imagen — Tenacidad a la fractura del acero y comportamiento en la punta de la grieta")A crack can grow under repeated loading before the maximum load reaches a critical fracture condition.
### De la carga cíclica a la fractura crítica
Una estructura de acero puede tolerar una grieta durante muchos miles o millones de ciclos de carga sin experimentar una fractura inmediata. Esto no significa que la grieta sea inocua. Cada ciclo de carga a tracción puede prolongar la grieta una pequeña cantidad, reduciendo gradualmente la sección resistente restante y aumentando la intensidad de tensiones en el extremo de la grieta. Por tanto, el crecimiento de grietas por fatiga es un proceso subcrítico; la fractura final es un fenómeno independiente, regido por la condición del extremo de la grieta bajo la carga máxima aplicada.
Esta distinción se basa en el marco establecido por A. A. Griffith y ampliado por G. R. Irwin. El criterio energético de Griffith describe cuándo la prolongación de una grieta pasa a ser energéticamente favorable, mientras que la formulación de Irwin en términos de intensidad de tensiones relaciona la carga aplicada, la geometría de la grieta y el campo de tensiones en su extremo. Para una placa con una grieta central, NASA-HDBK-5010, Volume 2, proporciona la relación del Modo I:
K=βσπadonde K es el factor de intensidad de tensiones, β es un factor de corrección geométrica, σ es la tensión nominal aplicada y a es la dimensión de la grieta utilizada por el modelo. La misma tensión nominal produce condiciones diferentes en el extremo de la grieta cuando cambian la forma o la posición de la grieta, las superficies libres, el espesor o la geometría estructural.
Durante la carga cíclica, la grieta puede crecer mientras el valor máximo de K permanezca por debajo del límite de tenacidad a la fractura aplicable. Una vez que la grieta alcanza un tamaño suficiente, o que la tensión aplicada aumenta lo suficiente, la condición de carga máxima puede alcanzar un valor crítico como KIC, un CTOD crítico o un criterio de fractura basado en J. A continuación puede producirse una propagación inestable. Por tanto, una estructura puede sobrevivir a cargas de servicio repetidas por debajo de un K crítico y, aun así, acumular una prolongación de la grieta. “Por debajo de KIC” no equivale a “sin daño”.
Esta separación también explica por qué la tenacidad a la fractura no es la misma propiedad que la resistencia a la fatiga. Un KIC elevado puede retrasar la fractura inestable, pero por sí solo no especifica la velocidad de prolongación de una grieta por fatiga. A la inversa, una evaluación del crecimiento de grietas no puede sustituir a un ensayo de tenacidad. ASTM E399-24 determina KIC en condiciones predominantemente lineales-elásticas y de deformación plana, utilizando probetas metálicas preagrietadas por fatiga; su validez depende de limitar la plasticidad en el extremo de la grieta en relación con las dimensiones de la probeta.
### ΔK como parámetro impulsor de la fatiga
Para un ciclo con cargas mínima y máxima, el intervalo de intensidad de tensiones en el Modo I es
ΔK=Kmax−Kmin.NASA-HDBK-5010, Volume 2, identifica ΔK como el parámetro de control del crecimiento cíclico de grietas dentro del modelo de fractura por fatiga lineal-elástico aplicable. El valor máximo, Kmax, cumple una función diferente: se compara con el criterio de fractura para determinar el fallo instantáneo. Utilizar únicamente KIC para predecir la vida a fatiga confunde estas dos comprobaciones.
El cálculo de ΔK debe utilizar la geometría de la grieta y el intervalo de carga, no simplemente el intervalo de tensión nominal. Para una placa con una grieta central y una geometría fija, el intervalo puede expresarse como
ΔK=βΔσπa,pero β puede cambiar con la longitud de la grieta, la anchura finita, la proximidad a los bordes, la flexión, los orificios, los rigidizadores o los detalles de soldadura. Una grieta superficial, una grieta de esquina, un defecto interno y una grieta pasante no comparten el mismo factor de corrección. El manual de tolerancia al daño de AFGROW de 2024 también describe la respuesta del extremo de la grieta mediante un factor de intensidad de tensiones dependiente de la carga, la geometría y las dimensiones de la grieta.
La relación de cargas también es importante. Definiendo R=Kmin/Kmax, dos ciclos con el mismo ΔK pueden producir comportamientos de crecimiento diferentes cuando sus tensiones medias difieren. El cierre de la grieta, la tensión residual de tracción, la plasticidad en el extremo de la grieta y los efectos de la secuencia de cargas pueden modificar la fuerza impulsora efectiva. Un ciclo con R negativo o bajo puede cerrar parcialmente la grieta, mientras que un ciclo con R alto la mantiene abierta durante una mayor parte del historial de carga. Por tanto, la evaluación debe indicar el espectro de cargas y el modelo de crecimiento de grietas, en lugar de asignar una única velocidad de crecimiento universal a un grado de acero.
También debe identificarse el modo de carga pertinente. La apertura en el Modo I es la base habitual para ΔK, pero los componentes de cizallamiento y desgarro pueden influir en los pies de soldadura, los defectos de soldadura, los orificios para elementos de fijación y las uniones estructurales complejas. Cuando la plasticidad en el extremo de la grieta no es pequeña en comparación con las dimensiones de la probeta o de la estructura, pueden ser más adecuados los métodos basados en la integral J, CTOD o curvas de resistencia. ASTM E1820 e ISO 12135:2021 abarcan estos diferentes parámetros de fractura; sus valores no son intercambiables con KIC.
### Intervalos de inspección y resistencia residual
La tolerancia al daño comienza con una grieta inicial supuesta, seleccionada a menudo a partir de la calidad de fabricación, los datos sobre defectos de soldadura, la capacidad de inspección previa o un tamaño crítico de detección especificado. A continuación, la grieta se hace avanzar a través del espectro de cargas de servicio mediante un modelo apropiado basado en ΔK, con ajustes por la relación de cargas, la geometría, las tensiones residuales, la temperatura y la ubicación de la soldadura. El metal de soldadura y las zonas afectadas térmicamente pueden requerir propiedades y ubicaciones de grieta independientes; ISO 15653:2018 aborda específicamente la tenacidad a la fractura de soldaduras mediante K, CTOD δ y el equivalente experimental de la integral J.
Los intervalos de inspección deben vincularse al intervalo previsto entre el tamaño de grieta considerado detectable y el tamaño crítico, teniendo en cuenta la incertidumbre del modelo y el error de inspección. En cada punto de evaluación, la resistencia residual se comprueba utilizando Kmax, no ΔK. El cálculo determina si el tamaño actual de la grieta y la carga máxima de servicio permanecen por debajo del límite aplicable de tenacidad o de la curva de resistencia. La temperatura, el espesor, el grado de restricción, la velocidad de carga y la ubicación de la grieta pueden reducir el margen, especialmente en secciones gruesas o cerca de la transición dúctil-frágil.
#### Secuencia de tolerancia al daño
1. **Defecto inicial** Suponga un defecto inicial basándose en la calidad de fabricación, los datos sobre defectos de soldadura, la capacidad de inspección o un tamaño de detección especificado.
2. **Crecimiento subcrítico** Haga avanzar la grieta a través del espectro de cargas de servicio utilizando un modelo apropiado basado en ΔK.
3. **Inspección** Inspeccione antes de que la grieta alcance el tamaño admisible o crítico, teniendo en cuenta el error de inspección y la incertidumbre del modelo.
4. **Resistencia residual** Compruebe la grieta actual frente al criterio de fractura bajo carga máxima utilizando Kmax, CTOD, J o una curva de resistencia, según corresponda.
El resultado es una secuencia interconectada: suponer una grieta inicial, predecir su prolongación subcrítica, inspeccionar antes de que alcance el límite admisible y verificar la resistencia residual frente a un criterio de tenacidad a la fractura. El fallo puede producirse en cualquiera de las partes de esta secuencia. Una grieta puede crecer demasiado entre inspecciones, o una grieta que antes era aceptable puede verse sometida a una carga máxima elevada y fracturarse de inmediato. Por eso, la vida a fatiga y la tenacidad a la fractura deben comunicarse y evaluarse como magnitudes separadas, pero relacionadas.
## Aplicación de las normas y de los datos de tenacidad al diseño de estructuras de acero
Un resultado de tenacidad a la fractura no es una propiedad general de un grado de acero, como lo es el límite elástico nominal. Describe una grieta definida, una probeta, un modo de carga, una temperatura y un criterio de fallo determinados. A continuación, el resultado debe relacionarse con la grieta y el campo de tensiones del componente. Un valor KIC obtenido a partir de una probeta gruesa con prefisura de fatiga no puede sustituirse simplemente por un valor de CTOD procedente de un ensayo de soldadura, ni por una curva J-R medida en un acero dúctil.
### Selección del método de ensayo
Utilice ASTM E399-24 cuando la cuestión de diseño se refiera a un factor crítico de intensidad de tensiones, KIC, válido en condiciones de deformación plana y dentro del régimen lineal-elástico. El método emplea probetas metálicas con prefisura de fatiga y solo es aplicable cuando la zona plástica en la punta de la grieta permanece pequeña en comparación con las dimensiones de la probeta. Sus requisitos de validez no son detalles administrativos: un espesor insuficiente, una plastificación excesiva o un resultado no válido de la probeta implican que el valor notificado no es un KIC válido, aunque el ensayo haya producido una fractura limpia.
Para un comportamiento elastoplástico, seleccione ASTM E1820 o ISO 12135:2021. ASTM E1820 evalúa la fractura en Modo I mediante K, J y el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta (CTOD), ya sea como un valor puntual o como una curva de resistencia. ISO 12135:2021 proporciona métodos cuasiestáticos para K, CTOD δ, J y curvas R en probetas metálicas homogéneas con prefisura de fatiga. Estos métodos son más adecuados cuando se produce una plasticidad sustancial en la punta de la grieta, cuando la extensión estable de la grieta es relevante o cuando se requiere una integral J o una curva de resistencia en lugar de un único valor lineal-elástico.
Utilice ASTM E1290 para una evaluación centrada en CTOD, especialmente cuando la medida de diseño sea el desplazamiento crítico de apertura de la punta de la grieta asociado a un evento específico de extensión de la grieta. El CTOD suele ser útil en aceros que pasan de un comportamiento dúctil a uno frágil al disminuir la temperatura, pero un valor crítico de CTOD sigue estando vinculado a la definición del evento, la geometría de la probeta y la temperatura de ensayo. No es intercambiable con JIC ni con KIC.
Las normas principales y los parámetros de fractura que abordan.
| Norma | Uso principal | Parámetros o enfoque |
|---|---|---|
| ASTM E399-24 | Tenacidad a la fractura en deformación plana | KIC en condiciones predominantemente elásticas-lineales y de deformación plana |
| ASTM E1820 | Comportamiento de fractura en modo I | K, J, CTOD y curvas de resistencia |
| ASTM E1290 | Desplazamiento crítico de apertura de la punta de la grieta | CTOD en eventos especificados de extensión de la grieta |
| ISO 12135:2021 | Ensayos cuasiestáticos de metales homogéneos | K, CTOD δ, J y curvas de resistencia |
| ISO 15653:2018 | Ensayos de tenacidad a la fractura de soldaduras | K, CTOD δ y equivalente experimental de la integral J |
#### Advertencia sobre la ubicación de la soldadura
Interprete la tenacidad de la soldadura según la ubicación de la grieta. El metal de soldadura, la línea de fusión, la zona afectada por el calor de grano grueso, las regiones intercríticas y la placa base no afectada pueden presentar microestructuras, tensiones residuales y comportamientos de transición diferentes.
Las construcciones soldadas requieren un método específico para soldaduras. ISO 15653:2018 contempla los ensayos de tenacidad a la fractura de uniones soldadas mediante K, CTOD δ y el equivalente experimental de la integral J, con grietas de fatiga situadas en el metal de soldadura o en las zonas afectadas por el calor. Esta distinción es importante porque el metal de soldadura, el material de la zona afectada por el calor de grano grueso, las regiones intercríticas y la chapa base no afectada pueden presentar microestructuras, tensiones residuales, inclusiones y temperaturas de transición diferentes. Un resultado obtenido en la chapa base no califica automáticamente todas las ubicaciones de una soldadura.
La elección también depende de la carga. La apertura en Modo I es el punto de partida habitual, pero la carga en modo mixto, la carga de impacto o dinámica, el crecimiento cíclico y el desgarro posterior a la iniciación pueden requerir análisis independientes. NASA-HDBK-5010, Volumen 2, expresa la intensidad en Modo I para una placa con una grieta central como
K=βσπa,donde β es un factor de corrección geométrica, σ es la tensión aplicada y a es la dimensión de la grieta utilizada por el modelo. En condiciones de carga cíclica, ΔK —no KIC— gobierna la velocidad de crecimiento de la grieta por fatiga. Un ensayo estático de tenacidad a la fractura no puede proporcionar una ley de crecimiento por fatiga.
### Interpretación correcta de un informe de tenacidad
Comience por la designación del acero y la forma del producto: por ejemplo, una chapa ASTM A572/A572M Grado 50 no es automáticamente equivalente a un consumible de soldadura, a un perfil laminado ni a una chapa templada y revenida de otra designación. Registre el tratamiento térmico, el espesor y, cuando se proporcionen, los datos de resistencia y de temperatura de transición.
#### Información mínima que debe conservarse de un informe de tenacidad
- **Material** Designación del acero, forma del producto, espesor, tratamiento térmico y orientación.
- **Probeta** Tipo de probeta, dimensiones, geometría de la grieta y procedimiento de prefisuración por fatiga.
- **Condiciones del ensayo** Temperatura, velocidad de carga, control de la carga y modo de carga aplicado.
- **Resultado de fractura** KIC, KQ condicional, JIC, CTOD δ o un punto de una curva J-R, junto con la declaración de validez.
- **Mecanismo de fallo** Clivación, desgarro dúctil, salto súbito, extensión estable o fractura mixta.
El informe debe indicar el tipo y las dimensiones de la probeta, como una probeta de tracción compacta o de flexión en tres puntos con entalla lateral única, además de la orientación. “L-T” y “T-L” identifican relaciones diferentes entre la dirección de la grieta y la dirección de laminación del producto; pueden producir resultados distintos. En el caso de una soldadura, determine si la grieta se encuentra en el metal de soldadura, la línea de fusión, la zona afectada por el calor de grano grueso u otra ubicación objeto de estudio.
Exija también el procedimiento de prefisuración por fatiga, la medición final de la longitud de la grieta, la temperatura de ensayo, la velocidad de carga y el control de la carga. La temperatura debe relacionarse con el caso de servicio, no describirse simplemente como temperatura ambiente. El informe debe identificar el parámetro de fractura —KIC, KQ condicional, JIC, CTOD δ o un punto de una curva J-R— e incluir la declaración de validez de la norma. Un KQ condicional no es un KIC válido a menos que se cumplan los requisitos de deformación plana y de tamaño.
Por último, examine el modo de fallo. La clivación, el desgarro dúctil, el pop-in, la extensión estable y la fractura mixta tienen implicaciones diferentes. Un valor numérico sin la descripción del aspecto de la fractura y el registro de extensión de la grieta oculta el mecanismo que controló el resultado.
### Del espécimen de laboratorio a la evaluación estructural
La probeta de laboratorio proporciona un resultado de caracterización del material bajo un estado de restricción concreto. La estructura presenta su propia geometría de grieta, espesor, triaxialidad, tensión residual, detalle de soldadura, historial de carga y temperatura. La evaluación estructural debe establecer la conexión entre ambos.
Una combinación de tamaño de grieta y tensión inferior a K = KIC puede permanecer estable dentro del modelo de mecánica de la fractura aplicable. Limited evidence
Para un caso predominantemente lineal-elástico, calcule la intensidad de tensiones del componente utilizando la forma real de la grieta y el factor geométrico correspondiente; a continuación, compare el resultado con un valor de tenacidad válido a la temperatura y orientación pertinentes. El manual de la FHWA para puentes de acero describe la condición básica: las combinaciones de tamaño de grieta y tensión inferiores a K = KIC pueden permanecer estables dentro del modelo de mecánica de la fractura aplicable. Esta comparación no es suficiente cuando la plastificación es extensa. Utilice J, CTOD o una curva de resistencia cuando el desgarro estable y la extensión de la grieta formen parte de la respuesta. El análisis de 2008 del NIST sobre la fractura dinámica en acero explica por qué son necesarios los ensayos elastoplásticos cuando la plasticidad no uniforme en la punta de la grieta y los complejos campos de tensión-deformación influyen en la propagación inestable.
Esto se basa en los fundamentos establecidos por el criterio energético de A. A. Griffith y el campo de tensiones en la punta de la grieta de G. R. Irwin. Ninguno de los dos considera la tenacidad como independiente de la geometría y de la carga. Por tanto, una evaluación práctica debe tener en cuenta los límites de detección de grietas, la forma probable del defecto, el intervalo de inspección, las tensiones residuales y secundarias, la restricción y si el fallo corresponde a la iniciación o al crecimiento estable.
Antes de aceptar cualquier respuesta propuesta a la pregunta «¿Cuál es la tenacidad de este acero?», pregunte:
1\. ¿Qué norma y qué parámetro de fractura se utilizaron: KIC conforme a ASTM E399-24, J o CTOD conforme a ASTM E1820, ISO 12135:2021, CTOD conforme a ASTM E1290 o ISO 15653:2018 para una soldadura? 2. ¿Cuáles son la designación del acero, la forma del producto, el espesor, la orientación, el tipo de probeta y la ubicación de la grieta? 3. ¿Cuáles fueron el procedimiento de prefisuración por fatiga, la temperatura, la velocidad de carga y el modo de fallo? 4. ¿Es válido el valor notificado conforme a la norma indicada o es un valor condicional? 5. ¿Utiliza el cálculo estructural la geometría real de la grieta, la restricción, el modo de carga y la temperatura de servicio? 6. ¿La cuestión determinante es la iniciación, el desgarro estable, la fractura frágil o el crecimiento cíclico de la grieta?
Sin esas definiciones y condiciones de servicio, «la tenacidad del acero» es una pregunta incompleta.
**De un vistazo**
Parámetros principales de fractura
KIC, JIC, CTOD crítico δ y curvas R
Variables de control clave
Carga, temperatura, geometría, restricción, espesor y ubicación de la grieta
Modo principal de carga
Apertura de la grieta en modo I
Parámetro de fatiga cíclica
ΔK
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