Integral J
La integral J mide la energía que se libera en la punta de una fisura cuando esta crece. Es aplicable a materiales tenaces con gran deformación plástica antes de la fractura. En tecnología de soldadura se utiliza para evaluar de manera realista el peligro de fractura de las soldaduras.
Mecanismo fisicoquímico de acción
En la punta de la fisura se concentra la tensión. En materiales tenaces, el material se deforma plásticamente antes de que la fisura continúe. La integral J es una integral de línea alrededor de la punta de la fisura. Calcula la energía potencial liberada por unidad de área al avanzar la fisura. Es independiente del camino de integración siempre que el camino esté en el material elástico-plástico. La integral J captura tanto la energía de deformación elástica como la plástica. Extiende el concepto de tasa de liberación de energía de la mecánica de fractura elástico-lineal a comportamiento no lineal del material.
Relevancia metalúrgica y riesgos en la soldadura
Las soldaduras suelen tener tensiones residuales y cambios microestructurales. La entrada de calor modifica la tenacidad. En materiales tenaces (p. ej., acero estructural), la zona plástica en la punta de la fisura es grande. La mecánica de fractura elástico-lineal subestima el peligro de fractura. La integral J proporciona valores más precisos para la tenacidad a la fractura. Un valor crítico JIc caracteriza el inicio del crecimiento inestable de la fisura. Si la carga es tan alta que la integral J supera JIc, la soldadura se rompe sin previo aviso. En la zona de soldadura, la tenacidad a la fractura puede disminuir significativamente debido a cambios microestructurales (p. ej., formación de grano grueso, martensita). Entonces JIc es bajo y la unión falla antes.
Práctica de taller e instrucciones de actuación
La integral J no se mide directamente en el taller. Se determina en laboratorio con probetas normalizadas (p. ej., según ASTM E1820). Para el práctico es importante: el material debe tener una tenacidad a la fractura suficiente JIc. Los valores típicos para acero estructural están, según la calidad del acero y la temperatura, entre 50 y 200 kJ/m². En uniones soldadas se examinan por separado la zona afectada por el calor y el metal de aporte. Si se eligen parámetros de soldadura con una entrada de calor demasiado alta, el grano se engruesa y JIc disminuye. Una entrada de calor demasiado baja puede generar martensita y empeorar también la tenacidad. Por tanto: seguir la especificación de soldadura, respetar la temperatura de precalentamiento y la temperatura entre pasadas. Si una soldadura debe soportar cargas elevadas, el cliente suele exigir la verificación de la tenacidad a la fractura mediante JIc. Entonces hay que extraer probetas de la soldadura y hacerlas examinar.