Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
Unidad IV Procesamiento y propiedades de los materiales. Existe una relación importante entre estructura, procesamiento y propiedades. La correcta relación permite un desempeño adecuado de los elementos o piezas en servicio. Procesamiento. Los metales y aleaciones se procesan para obtener las formas deseadas. Algunos de los procesamientos más importantes son: Colado. Fusión de metales y aleaciones en hornos y su posterior vertido(colado) en moldes o lingoteras que produzcan la forma de las piezas que se requiere obtener. Soldadura. Unir partes mediante la fusión de metales o adición de un material de aporte. Maquinado. Usar el arranque de viruta por medio de herramientas de corte (cuchillas, fresas, brocas, punzones, etc) Metalurgia de polvos. Prensado de polvos metálicos en una matriz y su posterior sinterizado que permite unir los polvos en un solo cuerpo. Conformado o trabajado a presión. Procedimientos para dar forma a los metales mediante la aplicación de fuerzas o tensiones que provocan la deformación plástica de los metales o aleaciones Laminación. El laminado es un proceso en el que se reduce el espesor de una pieza larga a través de fuerzas de compresión ejercidas por un juego de rodillos, que giran apretando y halando la pieza entre ellos. El resultado del laminado puede ser una pieza terminada (por ejemplo, el papel aluminio), o puede ser la materia prima de procesos posteriores, como el troquelado, el doblado y la embutición. Proceso de deformación volumétrica,(reduce espesor), mediante fuerzas de compresión y cizallamiento, ejercidas por rodillos. Los rodillos giran en sentidos opuestos para que fluya el material entre ellos, (fuerzas originadas por rozamiento). Laminación en caliente. • Se debe realizar a una temperatura mayor a la temperatura de recristalización del metal. • Se lleva a cabo para aleaciones de aluminio y aceros aleados. Se manejan temperaturas entre 0.3 y 0.5 la temperatura de fusión. • Al trabajar en caliente, se requiere la aplicación de lubricantes como grafito y vidrio. Laminación en frio • Se lleva a cabo a temperatura ambiente. Se obtendrán láminas y tiras con un acabado superficial mejor, además se tienen mejores tolerancias dimensionales y mejores propiedades mecánicas. • Al trabajar en frio es necesario el uso y aplicación de: Lubricantes, a base de aceites vegetales Molinos de dos rodillos O molino de laminación básico, consiste en dos rodillos opuestos. Los rodillos en estos molinos tienen diámetros que van de 0.6 a 1.4 m. La configuración de dos rodillos puede ser reversible o no reversible. No reversible, los rodillos giran siempre en la misma dirección y el trabajo siempre pasa a través del mismo lado. Reversible, permite la rotación de los rodillos en ambas direcciones, de manera que el trabajo puede pasar a través de los rodillos en cualquier dirección. Esto permite una serie de reducciones que se hacen a través del mismo juego de rodillos, pasando simplemente el material de trabajo varias veces desde direcciones opuestas. La desventaja de la configuración reversible es el momento angular significativo debido a la rotación de grandes rodillos, entre otros problemas técnicos asociados a la reversibilidad de la dirección. Molino de tres rodillos En este tipo de molinos existen tres rodillos en una columna vertical y la dirección de rotación de cada rodillo permanece sin cambio. Para lograr una serie de reducciones continuas, se puede pasar el material de trabajo en cualquier dirección, ya sea elevando o bajando la tira después de cada paso. El equipo en un molino de tres rodillos se vuelve más complicado debido al mecanismo elevador que se necesita para elevar o bajar el material de trabajo. Molinos de 4 rodillos En los molinos de cuatro rodillos se usan dos rodillos de diámetro menor para hacer contacto con el material de trabajo y dos rodillos detrás como respaldo. Es posible obtener algunas ventajas al reducir el diámetro de los rodillos. La longitud de contacto entre los rodillos y el material de trabajo se reduce con un menor radio de los rodillos y esto conduce a fuerzas más bajas, menor momento de torsión, y menor potencia. Debido a las altas fuerzas de laminado, los rodillos menores podrían desviarse elásticamente con el paso de la laminación, sí no fuera por los rodillos más grandes de respaldo que los soportan. Otra configuración que permite el uso de rodillos menores contra el elemento de trabajo es el molino en conjunto o racimo. Consideraciones adicionales En la operación de laminado, al reducirse el espesor, aumenta el ancho y la longitud del material de trabajo. Como tal, existe una relación respecto a las dimensiones iniciales debido a la conservación del material, de modo que el volumen inicial es igual al volumen final: En el laminado plano también permanece constante la velocidad volumétrica del material, por tanto, la velocidad de entrada (inicial) y salida (final) del material se relacionan de la siguiente manera: Draft.- reducción de espesor de la pieza de trabajo. 𝑑 = 𝑡0 − 𝑡𝑓 𝑑 = 𝑑𝑟𝑎𝑓𝑡 ó 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑡0 = 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑡𝑓 = 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙Draft Draft Máximo.- la fricción aparece con un cierto coeficiente de fricción. (fuerza aplicada por rodillos * coeficiente). La fuerza de fricción es opuesta a ambos lados del rodillo, sin embargo, no son iguales. La fuerza de fricción es mayor a la entrada, haciendo que le material pase a través de los rodillos. La ecuación muestra que si la fricción es cero no habría disminución de espesor, por tanto, laminación imposible. 𝑑𝑚𝑎𝑥 = 𝜇 2 ∗ 𝑅 𝑑𝑚𝑎𝑥 = 𝑑𝑟𝑎𝑓𝑡 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝜇 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑅 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑖𝑙𝑙𝑜 Calcule el porcentaje de reducción durante una laminación en frio de una chapa de una aleación de aluminio de 0.120 a 0.040 plg. % 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑓𝑟𝑖𝑜 = 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 ∗ 100 % 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛 𝑓𝑟𝑖𝑜 = 0.12 − 0.04 0.12 ∗ 100 = 66.67 % Una palanquilla con un ancho de 12 plg y 1 plg de espesor se alimenta a través de un molino laminador de dos rodillos de 10 plg de radio cada una. El espesor del material de trabajo se reduce a 0.875 plg en un solo paso, a una velocidad de 50 rev/ min. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K= 40000 lb/plg2 y n=0.15, además el coeficiente de fricción entre los rodillos y el material de trabajo es 0,12. Calcule si es posible realizar esta operación Si es posible realizar la operación pues d<dmax Forja Proceso pieza de trabajo se moldea. Mediante fuerzas de compresión aplicadas matrices y herramientas. • Forjado producen partes discretas. • Además, es posible controlar el flujo de metal en una matriz. El forjado puede efectuarse a temperatura ambiente (forjado en frío), el cual requiere fuerzas más grandes, debido a la mayor resistencia del material de la pieza de trabajo, material debe poseer suficiente ductilidad a temperatura ambiente para someterse a deformación sin que se agriete. Las partes forjadas en frío tienen un buen acabado superficial y precisión dimensional. A temperaturas elevadas (forjado a temperatura media o en caliente), dependiendo de la temperatura. En cambio, el forjado en caliente requiere menores fuerzas, pero la precisión dimensional y el acabado superficial de las partes no son tan elevados como en el forjado en frío. Forjado en matriz abierta El forjado de matriz abierta se puede representar mediante una pieza de trabajo sólida colocada entre dos matrices planas y cuya altura se reduce por compresión,proceso que también se conoce como recalcado o forjado con matriz plana. El elemento de trabajo se comprime entre dos dados planos, permitiendo que el material fluya sin restricciones en una dirección lateral con respecto a las superficies del dado. Forjado por matriz de impresión y matriz cerrada. La pieza de trabajo toma la forma de la cavidad de la matriz mientras se va forjando entre dos matrices que poseen una forma específica. Proceso se realiza a temperaturas altas (mejorar la ductilidad de los metales y disminuir las fuerzas). Obsérvese que, en la figura, durante la deformación, parte del material fluye hacia el exterior y forma unos bigotes o rebaba de forja. Extrusion. En el proceso de extrusión una palanquilla, por lo general redonda, es forzada a pasar por una matriz o dado. Proceso de conformado por el que un material reduce o cambia su sección trasversal cuando se le fuerza a pasar a través de una matriz mediante presión. Los dos principales procesos de extrusión son la extrusión directa y la extrusión indirecta Se producen perfiles tanto solidos o huecos, obteniéndose piezas semi acabadas. La geometría del dado no cambia durante la operación entonces los productos extruidos tienen sección transversal constante. Tiene muchas aplicaciones importantes que incluyen: componentes para automóviles, bicicletas, motocicletas, maquinaria pesada, etc. Rieles para puertas corrediza, tubos de distintos perfiles transversales, perfiles estructurales y arquitectónicos, y marcos para puertas y ventanas. Los productos extruidos se pueden cortar en tramos, con lo que se pueden transformar en piezas discretas como engranes, soportes y perchas. Los procesos de extrusión modernos pueden brindar 4 principales ventajas. 1.- Se puede extruir una gran variedad de formas, en especial con extrusión en caliente, sin embargo, con la limitación de la sección transversal será la misma a lo largo de toda la pieza. 2.- La estructura de grano y las propiedades de resistencia se mejoran con la extrusión (en frio o en caliente). 3.- Son posibles tolerancias muy estrechas, en especial en frío. 4.- En algunas operaciones de extrusión se genera poco o ningún material de desperdicio. La mayoría de los metales utiliza extrusión en caliente, para reducir las fuerzas requeridas, eliminar los efectos del trabajo en frío y reducir las propiedades direccionales. El proceso también se puede utilizar para materiales de baja resistencia que no se pueden formar por estirado. Los metales que más comúnmente se someten a extrusión son: El plomo, cobre, latón, bronce, aleaciones de aluminio y magnesio. La obtención de las piezas metálicas por el proceso de extrusión se puede realizar para los siguientes materiales con las temperaturas adecuadas. Acero 1100 – 1250 °C Cobre 750 – 925 °C Aluminio 320 – 450 °C Extrusión en caliente Para metales y aleaciones que no tienen ductilidad suficiente a temperatura ambiente. La extrusión se hace a temperaturas elevadas, para reducir las fuerzas requeridas. Al igual que otras operaciones en caliente, la extrusión tiene requisitos especiales, debidos a las altas temperaturas de operación. Puede encontrarse un excesivo desgaste del dado. Enfriamiento problemático de la palanquilla caliente en la cámara, causando alta deformación o deformación no uniforme. Para prologar la vida del dado, pueden precalentare los dados de extrusión. En la palanquilla caliente se forma en la superficie una capa de óxido, a menos que se caliente en un horno con atmósfera inerte. Esta película puede ser abrasiva, causando un producto extruido no aceptable, en los casos que el buen acabado sea importante. Estirado. En el estirado o trefilado, la sección transversal de una barra o alambre se reducen o cambian, jalándolos a través de un dado o matriz. Las variables principales que intervienen en este proceso son: • Reducción de área transversal, • Ángulo del dado, • Fricción a lo largo de la interface dado-pieza • Velocidad de estirado. Luego se puede demostrar que, para cierta reducción de diámetro y ciertas condiciones de fricción, hay un ángulo óptimo de dado con el cual es mínima la fuerza de estirado. Sin embargo, estos cálculos no quieren decir que se deba hacer el proceso con este ángulo “optimo”, pues existirán otras consideraciones que tienen que ver con la calidad del producto. Velocidad de estirado dependen del material y de la reducción del área trasversal: 1 a 2.5 m/s para secciones pesadas. 50m/s para alambre muy delgado, como el que se usa para electroimanes. Los ángulos en el dado van de 6° a 15°. Nótese sin embargo que hay dos ángulos, el de entrada y el de aproximación. El objeto de la superficie de carga (cara interna) es ajustar el diámetro definitivo del producto (lo que se llama dimensionamiento) Embutición. Es una operación de formado de láminas metálicas que se usa para hacer piezas de forma acopada. Se realiza colocando una lámina de metal sobre la cavidad de un dado y empujando el metal hacia la cavidad de éste con un punzón. Aplicaciones: latas de bebidas, casquillos de municiones, lavabos, utensilios de cocina y partes de carrocería de automóviles. El embutido tiene limitaciones, se puede hacer algunas medidas simples que al menos darán una idea de las mismas. Relación de embutido: es una medida de la severidad de la operación. Es la relación entre el diámetro del disco inicial 𝐷𝑏 y el diámetro del punzón 𝐷𝑝. 𝐷𝑅 = 𝐷𝑏 𝐷𝑝 A mayor relación, mayor severidad de la operación, se puede considerar como un valor máximo de 2. Reducción: Es otra forma de caracterizar una operación 𝑟 = 𝐷𝑏 − 𝐷𝑝 𝐷𝑏 El valor de la reducción debe ser menor a 0.5 Se usa una operación de embutido para formar un vaso cilíndrico con un diámetro interior de 3 plg y una altura 2 plg, el tamaño de la forma inicial es de 5.5 plg y el espesor del material es 3/32 de plg. Con base en estos datos, ¿Es posible la operación? 𝐷𝑅 = 𝐷𝑏 𝐷𝑝 𝐷𝑅 = 5.5 3 = 1.833 𝑟 = 𝐷𝑏 − 𝐷𝑝 𝐷𝑏 𝑟 = 5.5 − 3 5.5 = 0.4545 ≈ 45,45% Defectos de piezas embutidas Conformado según la temperatura. Según la temperatura de conformado los tipos de trabajo pueden ser: Trabajado en caliente. Es aquel que logra deformación permanente de metales y aleaciones por encima de la temperatura de recristalización. Durante el trabajo en caliente se produce la recristalización del material. Ventajas del trabajo en caliente. No aumenta la dureza del metal ya que los granos distorsionados durante el proceso, pronto cambian a nuevos granos sin deformación. El metal se hace más tenaz pues los cristales formados son más pequeños y por lo tanto más numerosos, además porque se disminuye el espacio entre cristales y se segregan las impurezas. Se requiere menor fuerza y por lo tanto menor tiempo, ya que el material es más maleable Facilidad para empujar el metal a formas extremas cuando está caliente, sin roturas ni desgastes pues los cristales son más plegables y se forman continuamente. Se eliminan los poros en forma considerable debido a las altas presiones de trabajo. Desventajas del trabajo en caliente. Se tiene una rápida oxidación o formación de escamas en la superficie con el siguiente mal acabado superficial. No se pueden mantener tolerancias estrechas. Se requieren herramientas resistentes al calor que son relativamente costosas. Trabajo en frio. Deformación permanente de metales y aleaciones por debajo de la temperatura de recristalización. Durante el trabajo en frio se produce en cambio el endurecimiento (o acritud) del material debido a: Aumento en el número de dislocaciones Apilamientoy trabazón de las dislocaciones contra obstáculos (fronteras de grano, átomos extraños, planos que se cortan, etc) Trabazon o interacción de las dislocaciones en los planos de deslizamiento que se cortan. Acritud. - una propiedad mecánica que adquieren los metales como consecuencia de la deformación en frío, también conocida como proceso de endurecimiento por acritud, que aumenta su dureza, fragilidad y resistencia, aunque los hace perder, al mismo tiempo, su ductilidad o maleabilidad. (endurecimiento que sufren los materiales trabajados en frio). Material absorbe 1-10% de la energía proporcionada Cuando se trabaja en frío los cambios resultantes en la forma del material traen consigo marcas en la estructura de grano. Los cambios estructurales producen fragmentaciones del grano, movimientos de átomos y distorsión de la malla. Para el trabajo en frío se requieren presiones mucho mayores que en el trabajo en caliente. Como el metal permanece en un estado más rígido no es permanentemente deformado hasta que los esfuerzos aplicados han excedido el límite elástico. La cantidad de trabajo en frío que un metal soporta depende sobre todo de su ductilidad, mientras más dúctil sea el metal mejor podrá trabajarse en frío. Los metales puros pueden soportar una mayor deformación que los que tienen elementos aleantes, debido a que los metales de aleación incrementan la tendencia y rapidez del endurecimiento (Templabilidad). Ventajas • Mejor acabado • Tolerancias estrechas pues no hay contracción • Menor costo, pues no requiere hornos • Menor tiempo. Desventajas • Requiere de una potencia mayor en los equipos • Menor deformación volumétrica Recristalización. - La recristalización es la formación de una estructura de granos libres de deformación a partir de una estructura altamente deformada. Temperatura de recristalización. - es la temperatura a la que un metal altamente trabajado en frio se recristaliza. A mayor cantidad de deformación previa, menor la temperatura necesaria para iniciar el proceso de recristalización (deformación crítica del 7 %). Al aumentar el tiempo de recocido disminuye la temperatura de recristalización. Se introduce más endurecimiento por deformación en los metales que tienen inicialmente granos finos. Esto se traduce en mayor energía disponible y por lo tanto menor temperatura de recristalización Cuanto menores sean las temperaturas de trabajado en frío, mayor será la cantidad de deformación introducida, disminuyendo la temperatura de recristalización. Recocido.- Tratamiento que se aplica a las aleaciones con el fin de eliminar la acritud (Ablandamiento). Recocido total es el proceso mediante el cual la estructura distorsionada de la red trabajada en frio retorna a una estructura cuyo estado se encuentre libre de tensiones por medio de la aplicación de calor El recocido comprende 3 etapas. Recuperación. - Proceso a baja temperatura que produce alivio de tensiones producidas durante trabajado en frío. Se suministra suficiente energía térmica como para permitir el reordenamiento de las dislocaciones en configuraciones de menor energía. (poligonización) Se reduce ligeramente la resistencia, pero aumenta significativamente la ductilidad. Recristalización. - a temperaturas superiores a la de recristalización, aparecen nuevos granos libres de deformación. La resistencia a la tracción disminuye de forma importante y su ductilidad aumenta. Crecimiento de grano. - Conforme la temperatura aumenta, la rigidez de la red disminuye y la rapidez de crecimiento de grano es mayor. Factores que afectan el tamaño final de los granos recristalizados. Grado de deformación previa. Si aumenta la cantidad de deformación previa, se favorece la nucleación y disminuirá el tamaño final de grano. (Menor temperatura de recristalización) Tiempo a la temperatura de recocido. A mayor tiempo a la temperatura de recristalización mayor tamaño de grano Temperatura de recocido. Cuanto menor sea la temperatura por encima de la de recristalización, más fino será el tamaño de grano. Tiempo de calentamiento. Cuanto menor sea el tiempo de calentamiento a la temperatura de recocido, más fino será el tamaño de grano. Impurezas. Cuanto mayor sea la cantidad y más fina la distribución de impurezas insolubles, más fino será el tamaño final de grano. Recocido y sus etapas. Lámina de aleación de aluminio 5657 (0.8% Mg) mostrando las microestructuras obtenidas después de la laminación en frío 85 por ciento de reducción y subsiguiente tratamiento térmico (micrografías obtenidas por microscopia óptica a 100× y con luz polarizada). a) Trabajado en frío de 85 por ciento; sección longitudinal. Los granos se encuentran fuertemente alargados. b) Trabajado en frío de 85 por ciento y tratamiento de relajación de tensiones a 302°C (575°F) durante 1 hora . Se observa el inicio de la recristalización que mejora la formación de la lámina y c) Trabajado en frío de 85 por ciento y recocido a 316°C (600°F) durante 1 hora. Se observa una estructura de granos recristalizados y de bandas de granos no cristalizados. Propiedades de los materiales. Son las características de un material que pueden se evaluadas y cuantificadas mediante ensayos estandarizados (especificaciones de normas internacionales). Se puede considerar que las propiedades de un material son de tres tipos: Mecánicas, físicas y químicas. Propiedades Mecánicas. Son aquellas que determinan la aptitud de un material para resistir a las solicitaciones externas que tienden a deformarlo (esfuerzos). Las propiedades mecánicas más comunes son: Resistencia mecánica, la ductilidad y la rigidez (dureza). Aunque a menudo interesa la tenacidad (cargas de impacto), la resistencia a la fatiga (cargas fluctuantes) y resistencia a la termofluencia (altas temperaturas). Propiedades físicas. Son aquellas que dependen de la naturaleza del material y de su interacción con la energía. Dentro de las mismas se incluyen la conductividad eléctrica y térmica, la resistividad, la permeabilidad magnética, la capacidad calorífica, dilatación térmica, refracción, reflexión y absorción. Propiedades químicas. Son aquellas que dependen de la composición del material y definen su comportamiento frente al medio ambiente. Dentro de estas se incluye la resistencia a la corrosión y a la oxidación. Las propiedades mecánicas pueden ser determinadas mediante ensayos de laboratorio estandarizados, sus resultados pueden garantizar su comportamiento en condiciones de servicio. Antes de revisar los ensayos es necesario estudiar algunos conceptos previos: Deformación. - Cambio de forma de un material debido a los esfuerzos o tensiones. Puede ser: Deformación elástica. - Deformación de un material que desaparece cuando se retira la carga o tensión que la produjo. Deformación plástica. - Deformación de un material que no desaparece cuando se retira la carga o tensión que la produjo (deformación permanente). Representación esquemática de deformaciones por fuerzas de: a) Tracción, b) Compresión, c) Cizallamiento, d) Torsión Esfuerzo. - toda fuerza o par de fuerzas que actúan sobre un cuerpo, tendiendo a deformarlo. Tensión (esfuerzo). - Es igual a la fuerza media de tracción F sobre el área de la sección transversal de la probeta 𝐴𝑜.(sigma/área) 𝜎 = 𝐹 𝐴𝑜 Sus unidades son: 𝑁 𝑚2 ó 𝑃𝑎 𝑙𝑏 𝑖𝑛2 ó 𝑝𝑠𝑖 1𝐾𝑠𝑖 = 6.98𝑀𝑃𝑎 Tensión real. - Es igual a la fuerza media de tracción F sobre el área mínima de la sección transversal de la probeta Ai. 𝜎 = 𝐹 𝐴𝑖 Deformación ingenieril. 𝜀 = 𝑙 − 𝑙0 𝑙0 = ∆𝑙(𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎) 𝑙0(𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎) Plasticidad. Es la aptitud de un material paradeformarse plásticamente sin fracturarse. Puede manifestarse como: Ductilidad. Capacidad de un material para ser deformado permanentemente sin que ocurra fractura, cuando se aplica cargas de tracción. Maleabilidad. Capacidad de un material para ser deformado permanentemente sin que ocurra fractura, cuando se aplica cargas de compresión. Superplasticidad. Es la capacidad de algunas aleaciones metálicas como algunas de Al y Ti, de deformarse hasta el 2000% a temperaturas elevadas y velocidades bajas de carga. Aleación Titanio grado 5 (6Al-4V) Se alarga 12 % a temperatura ambiente A temperaturas de 840 a 870 C y a velocidades de carga de 0,00013 1/seg, se alarga de 750% a 1170 %. Diagrama esfuerzo-deformación Puntos críticos Límite de proporcionalidad Cuando un material es sometido a un esfuerzo de tracción, al principio trata de oponerse a la deformación y recobrar su forma original mientras la fuerza no exceda su límite de proporcionalidad. Este es el punto en el que el material está al límite de ser elástico, si el esfuerzo que experimenta se excede, el material aún puede comportarse elásticamente pero ya no recobrar su forma original. Límite de elasticidad Después del límite de proporcionalidad un material experimenta una deformación aun elástica, esto significa que todavía trata de resistir al esfuerzo y recuperar su forma; sin embargo, este es un punto bastante cercano al punto de fluencia. Punto de fluencia El punto de fluencia es aquella en el cual, el material deja su propiedad elástica; el esfuerzo ha superado su capacidad y desde este punto en adelante el material se comportará como un material plástico, es decir, ya no trata de recuperar su forma original. Esfuerzo máximo o último Llamado también esfuerzo último, en este punto el material a alcanzado su capacidad máxima de resistir al esfuerzo que actúa sobre ella, si la fuerza sigue actuando, entonces a partir de ahora el material colapsará hasta llegar al esfuerzo de rotura. Esfuerzo de rotura También conocida como el esfuerzo de fractura; este punto es aquella en la que el material sometido al esfuerzo llega a fracturarse de forma permanente. Regiones del diagrama E-D En el diagrama esfuerzo deformación, existen dos regiones importantes que representan las propiedades que experimenta un material cuando está sometido a esfuerzos; las cuales son: la región elástica y la región plástica. Región elástica Esta región comprende desde el inicio hasta el punto límite de elasticidad, en esta región el material presenta un comportamiento plástico, con mayor intensidad entre el punto inicial y el límite de proporcionalidad. Cabe destacar que entre el punto inicial y el punto límite de proporcionalidad se cumple la ley de HOOK que establece que la fuerza de tracción es directamente proporcional a la deformación. Región plástica Esta región empieza desde que el material llega al punto de fluencia, pasando por el punto de esfuerzo máximo hasta el punto en que se fractura el material. En esta región el material sufre una deformación permanente. Zonas importantes del diagrama esfuerzo deformación Desde que un material empieza a experimentar un esfuerzo sobre ella hasta que llega a fracturarse, podemos identificar varias zonas críticas: Zona elástica Es la zona que anteriormente ya mencionamos, en la que el material se comporta elásticamente. Zona de cedencia Esta zona se presenta justo después al punto de fluencia, en esta zona el material experimenta una deformación permanente plástica con un esfuerzo constante, hasta llegar a un punto en el que para seguir deformando al material requerirá un aumento en la intensidad del esfuerzo que lo deforma. Zona de endurecimiento Esta zona se presenta después de que el material haya experimentado una deformación con esfuerzo constante; llega un punto en el que es necesario aumentar el esfuerzo para sacarla de la zona de cedencia; desde que se aumenta esfuerzo, el material experimenta una deformación y al mismo tiempo experimenta un endurecimiento, es decir aumenta su grado de dureza hasta llegar al punto de esfuerzo máximo. Zona de estricción La zona de estricción comprende desde el punto de esfuerzo máximo hasta el punto de esfuerzo de rotura. En esta zona el material no puede soportar ni un esfuerzo constante, solo decreciente; el material empieza a formar un cuello en una región y a partir de ello llega a fracturarse cuando el esfuerzo sigue actuando sobre ella. Diferencia entre materiales dúctiles y frágiles Existe una clara diferencia entre el diagrama de materiales dúctiles y materiales frágiles; los materiales dúctiles presentan mayor pendiente mientras los frágiles menor pendiente; esto es debido a las propiedades elásticas que naturalmente presentan los materiales dúctiles. Ensayo de tracción. Consiste en someter una probeta de forma y dimensiones determinadas a un esfuerzo de tracción en la dirección de su eje, hasta romperla. Cuando se aplica una fuerza a una probeta, los enlaces entre los átomos se estiran y el material se alarga. Cuando se retira la fuerza, los enlaces regresan a su posición original y la probeta vuelve a su tamaño inicial (deformación elástica o temporal). Mide la resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. Una probeta típica tiene un diámetro de 0.505 plg (12.8 mm) y una longitud de 2 plg, la probeta se coloca en una máquina de pruebas y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicación de la fuerza, se utiliza un extensómetro. De esta prueba se van obteniendo datos, como los de la siguiente tabla (aleación de aluminio) A partir de estos datos es posible construir la gráfica esfuerzo-deformación correspondiente. Los valores para la construcción de la gráfica se deben encontrar. Calculando el esfuerzo y la deformación. Ejemplo. Transformar los datos antes vistos de fuerza y longitud 𝜎 = 𝐹 𝐴𝑜 = 1000 𝑙𝑏 (𝜋/4)(0.505)2 = 1000 𝑙𝑏 0.2 𝑝𝑙𝑔2 = 5000 𝑝𝑠𝑖 𝜀 = 𝑙 − 𝑙0 𝑙0 = 2.001 𝑝𝑙𝑔 − 2 𝑝𝑙𝑔 2 𝑝𝑙𝑔 = 0.0005 𝑝𝑙𝑔/𝑝𝑙𝑔 A partir del ensayo de tracción puede determinarse. 1. Módulo de elasticidad 2. Limite elástico convencional 3. Resistencia a la tracción 4. Porcentaje de alargamiento a fractura 5. Porcentaje de estricción a fractura Módulo de elasticidad. - Es la relación entre la tensión unitaria y el alargamiento producido con respecto a la longitud original. Un alto módulo de elasticidad indica que se requiere grandes fuerzas para separar los átomos y producir la deformación elástica del material (medida de la rigidez del material) 𝜎 = 𝐸 𝜀 𝐸 = 𝜎 𝜀 𝐸 = 𝑀𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝜎 = 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝜀 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 Límite elástico 𝝈𝒆.- Es la máxima carga que puede soportar un material sin sufrir deformación permanente. Límite de fluencia 𝝈𝒇.- Es la carga a la cual se produce una deformación importante en el material. Resistencia a la tracción. - Es la máxima tensión alcanzada en la curva tensión-deformación. Dutilidad mide el grado de deformación que pueden soportar un material sin romperse. Dos medidas de ductilidad son, el porcentaje de alargamiento o elongación, y el porcentaje de estricción o reducción de área. Porcentaje de alargamiento. - La máxima deformación que se produce en un material antes de la rotura (fractura). % 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑎𝑟𝑔𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑙𝑓 − 𝑙0 𝑙0 ∗ 100 Porcentaje de estricción. - Es la máxima disminución del área transversal que experimenta un material durante el ensayo de tracción % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑 á𝑟𝑒𝑎 = 𝐴0 − 𝐴𝑓 𝐴0 ∗ 100 Nota: Si las fuerzas son mayores se comporta de una manera plástica. Cuando se incremente el esfuerzo,empiezan a producirse dislocaciones, ocurre el deslizamiento y el material empieza a deformarse plásticamente (deformaciones permanentes). El esfuerzo en que se inicia el deslizamiento es el punto que delimita los comportamientos elástico y plástico (límite elástico). Del material representado en la siguiente tabla, calcule el módulo de elasticidad de la aleación de aluminio. Utilice este módulo para determinar la longitud de una barra de 50 plg a la cual se le ha aplicado un esfuerzo de 30000 psi. 𝐸 = 𝜎 𝜀 = 35000 0.0035 = 10000000 𝜀 = 𝜎 𝐸 = 30000 1000000 = 0.003 𝑝𝑙𝑔/𝑝𝑙𝑔 𝜀 = 𝑙 − 𝑙0 𝑙0 𝑙 = 𝜀 ∗ 𝑙0 + 𝑙0 𝑙 = 0.003 ∗ (50) + 50 = 50.15 𝑝𝑙𝑔 Una probeta de aleación de aluminio sometida a ensayo de tracción, tiene una longitud final entre marcas calibradas, después de haber fallado de 2.195 y un diámetro final de 0.398 en la fractura, calcule la ductilidad de esta aleación. % 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑎𝑟𝑔𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑙𝑓 − 𝑙0 𝑙0 ∗ 100 = 2.195 − 2 2 ∗ 100 = 9.75% % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑 á𝑟𝑒𝑎 = 𝐴0 − 𝐴𝑓 𝐴0 ∗ 100 = ( 𝜋 4 ) (0.5052) − ( 𝜋 4 ) (0.3982) ( 𝜋 4 ) (0.5052) ∗ 100 = 37.9% Mecanismos de deformación plástica Deslizamiento. Movimiento relativo de un grupo de átomos sobre otros, en ciertos planos y direcciones determinados. Los planos y direcciones de deslizamiento son los más densamente empaquetados (compactos). La combinación de un plano y dirección se denomina un sistema de deslizamiento. Tensión de cizalladura critica (esfuerzo cortante resultante critico) La tensión necesaria para producir deslizamiento en un monocristal depende principalmente de la estructura cristalina del metal, de las características del enlace atómico, de la temperatura a la que se deforma y de la orientación de los planos de deslizamiento. El deslizamiento se inicia cuando la tensión de cizalladura que actúa en el plano de deslizamiento alcanza un determinado valor denominado tensión de cizalladura crítico. Ley de Schimd Establece la relación entre la tensión de tracción uniaxial que actúa sobre un mono cristal cilíndrico de metal puro y la tensión de cizalladura resultante que actúa en el sistema de deslizamiento del interior del cilindro. Maclaje. Movimiento de planos de átomos en la red, paralelos a un plano especifico, de manera que la red se divide en dos partes simétricas diferentemente orientadas. Cada región en la que se ha producido maclaje se denomina macla. Las maclas se pueden producir por deformación mecánica o como resultado del recocido que sigue a la deformación plástica. El maclado tiene lugar en una dirección específica denominada dirección de maclado. Es el mecanismo más importante en los metales de estructura HCP debido a su reducido número de sistemas de deslizamiento menos dúctiles que los BCC. Diferencia entre deslizamiento y maclaje La apariencia microscópica: el deslizamiento aparece como líneas delgadas, mientras que el maclaje aparece como líneas o bandas anchas. Ensayo de dureza Otra propiedad mecánica que puede ser sumamente importante a considerar es la dureza, la cual es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (abolladura o rayadura). Los primeros ensayos de dureza se basaban en el comportamiento de los minerales junto con una escala construida según la capacidad de un material para rayar a otro más blando En la actualidad se han desarrollado técnicas cuantitativas, las cuales se basan en un elemento que es forzado sobre la superficie del material que se está analizando todo esto bajo condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la carga. Por lo tanto, se mide: Profundidad O tamaño de la huella resultante Estos valores se relacionan con un número de dureza Cuanto más blando es el material, mayor y más profunda es la huella y menor es el número de dureza. Ensayo de durezaRrockwell (HB) Es el método más usado, pues es muy simple de realizar, y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de punzones y cargas. Esto permite ensayar: Los punzones o penetradores son bolas esféricas de acero endurecido que tienen diámetros de: Diámetro plg Diámetro mm 1/16 1.588 1/18 3.175 1/4 6.350 1/2 12.7 Además, se utilizan punzones cónicos de diamante, para materiales más duros. Con este sistema, se determina un numero de dureza a partir de la diferencia de profundidad de penetración que resulta al aplicar primero una carga inicial pequeña y después una carga mayor, de acuerdo a estas cargas mayores y menores las pruebas se clasifican en. Las escalas para Rockwell se identifican con letras (A, B, C, e….H) Las escalas para Rockwell superficial, se identifican mediante números (15, 30, 45 según la carga) y con letras (N, T, W, Y según el penetrador). Cualquier metal o aleación Desde el más blando al más duro. Rockwell Rockwell superficial. Menor: 10 kg Mayores: 60,100,150 kg Menor: 3 kg Mayores: 15,30,45 kg Ejemplo: 80 HRB, representa una dureza Rockwell de 80 en la escala B 60 HR30W, indica dureza Rockwell superficial de 60 en la escala 30W. Ventajas: Es de aplicación universal (materiales duros y blandos) Es de lectura directa No hace falta un pulido de las probetas tan perfecto como en el Vickers Es de gran precisión Puede ensayarse toda clase de piezas redondas, planas, alambres, flejes, etc Huella casi imperceptible de 0,06 a 0,25 mm de profundidad Recomendaciones No realizar en muestras muy delgadas (espesor probeta >10 veces profundidad de la huella) No realizar cerca de los bordes de la muestra (espacio > 3 diámetros de la huella entre el centro de la huella y el borde de la probeta) Superficies muy lisas mejora la exactitud Los ensayos de probetas apiladas una sobre otra no es recomendable. Tipos de penetradores y los tipos de huellas producidas asociados a cuatro ensayos de dureza más comunes. Ensayos de midrodureza Vickers y Knoop En este caso el indentador es de diamante muy pequeño y de geometría piramidal, el cual es forzado sobre la superficie de la muestra. La marca que se produce se mira al microscopio y se mide, y luego esta medida se transforma a un número de dureza. La superficie del material debe ser preparada cuidadosamente para asegurar que le marca obtenida pueda ser medida con exactitud. Se las designa con: Vickers (HV), Knoop (HK) Fórmulas: Vickers 𝐻𝑉 = 1.854 𝑃 𝑑2 𝑑 = 𝑑1 + 𝑑2 2 𝑑 = 𝑑𝑖𝑎𝑔𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 (𝑚𝑚) 𝑃 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 (𝑘𝑔) Carga de ensayo varia: 1 a 120 kg en macrodureza y de 1 a 1000 g en microdureza Aplicaciones: materiales duros y blandos, chapas muy delgadas, piezas cementadas, nitruradas y superficies endurecidas, superficialmente. Knoop 𝐻𝐾 = 14.2𝑃 𝐿 𝐿 = 𝑑𝑖𝑎𝑔𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 (𝑚𝑚) 𝑃 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 (𝑘𝑔) Carga de ensayo varia: 0.25 a 3600 g en microdureza Aplicaciones: Dureza de láminas muy delgadas, recubrimientos y microconstituyentes. Dureza Brinell (HB) Se fuerza un penetrador duro esférico en la superficie del metal a ensayar. El diámetro del penetrador es de 10 mm (0.394 plg). Las cargas normalizadas están comprendidas entre 500 y 3000 kg en incrementos de 500 kg. Durante el ensayo la carga se mantiene constante durante unos 10 a 30 segundos. el diámetro de la huella que deja el indentador se mide con una lupa de pocos aumentos que tiene una escala graduada en el ocular. Los requerimientos de espesor de la muestra, posición de la huella (respecto a los bordes), separación mínima entre huellas, son las mismas que en Rockwell. La superficiede la probeta debe estar completamente lisa. 𝐻𝐵 = 𝐹 (𝜋/2)𝐷 (√𝐷2 − 𝐷𝑖 2) 𝐹 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑘𝑔 𝐷 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑚𝑚 𝐷𝑖 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑖𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑚𝑚 Es muy conveniente disponer de métodos para convertir la dureza de una escala a otra. Sin embargo, puesto que la dureza no es una propiedad del material muy bien definida, y debido a las diferencias experimentales de cada técnica, no se ha establecido un método general para convertir las durezas de una escala a otra. Algunos datos de conversión se han determinado experimentalmente y se ha encontrado que son dependientes del tipo y características del material. Existe una escala fiable que correspondiente a aceros. Ensayo de impacto. Cuando se somete a un material a un golpe súbito o intenso en el cual la velocidad se aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tener un comportamiento más frágil comparado con el que se puede mirar el ensayo de tracción. Permite determinar la resistencia al choque (golpe intenso y repentino) que puede tener un material. Tenacidad.- La tenacidad es a una propiedad de los materiales que consiste en la capacidad de absorber energía de deformación en grandes cantidades, antes de sufrir roturas. Por ejemplo, se habla de minerales tenaces como aquellos que más se resisten a ser rotos, molidos, desgarrados o suprimidos. La tenacidad de un material depende del grado de cohesión que exista entre sus moléculas, pero no debe confundirse con su resistencia mecánica, ni con su elasticidad o su fragilidad. Los materiales tenaces se deforman antes de romperse. (Capacidad de un material para resistir carga de impacto (ENERGÍA PLÁSTICA). Es una medida de la energía que un material puede absorber antes de fracturar) Resiliencia. - Capacidad de un material para absorber cargas de impacto (ENERGÍA ELÁSTICA) (área bajo zona elástica) . Una medida de la habilidad de un material para absorber energía sin deformación plástica o permanente. Módulo de resiliencia: Ur Aplicaciones para muelles Los ensayos de impacto (o resiliencia) pueden ser: el ensayo Charpy y el ensayo Izod Ensayo Charpy. La probeta es de sección cuadrada y tiene un entalle en el centro. Se apoya horizontalmente por sus dos extremos, como una viga, y la carga se aplica por el choque de un péndulo pesado, sobre el punto medio de la viga y por el lado opuesto al entalle. Tenacidad Habilidad de un material para absorber energía sin fractura. Resiliencia Habilidad de un material para absorber energía sin deformación plástica o permanente. https://concepto.de/cuales-son-las-propiedades-de-la-materia/ https://concepto.de/energia-en-fisica/ https://concepto.de/molecula-2/ https://concepto.de/resistencia/#Resistencia_en_fisica https://concepto.de/elasticidad-en-fisica/ Durante el ensayo el péndulo que inicia su movimiento desde una altura h0, después de golpear la probeta alcanzara una altura hf menor. Si se conocen las alturas inicial y final, se puede calcular la diferencia en su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida durante la falla o ruptura de la probeta. Unidades: Libra-pie (libre.pie) Joules 1lb.pie=1.356 J Ensayo izod Utiliza una probeta que puede ser de sección circular o cuadrada y tiene un entalle en v próximo a uno de los extremos. La probeta se sujeta verticalmente por el extremo próximo al entalle y trabaja como una viga en voladizo, el péndulo la golpea en el extremo opuesto. Unidades: lb.pie/plg J/m Propiedades obtenidas a partir del ensayo de impacto. Temperatura de transición Es la temperatura a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Importante: un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de servicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de la temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea al material. Resultado de una serie de ensayos de impacto IZOD para un polímero termoplástico de nylon. No todos los materiales tienen una temperatura de transición bien definida. Los metales BCC tienen temperatura de transición, pero los FCC no la tienen. Resultados de una prueba Charpy con muesca V para un acero BCC y un FCC inoxidable. La estructura FCC generalmente absorbe más energía y no tiene temperatura de transición dúctil frágil. Relación con el diagrama esfuerzo deformación. La energía necesaria para romper un material está relacionada con el área bajo la curva esfuerzo real-deformación real. Aquellos metales con resistencia y ductilidad altas tienen buena tenacidad. Los materiales cerámicos y muchos compuestos por otra parte poseen poca tenacidad, a pesar de alta resistencia, ya que virtualmente no tienen ductilidad. El área bajo la curva está relacionada con la energía de impacto. a pesar de que el material B tiene un límite elástico inferior, absorbe más energía que el material A. Tenacidad a la fractura. La mecánica de la fractura enfoca al estudio del comportamiento de materiales con fisuras u otros pequeños defectos. Se desea saber el esfuerzo máximo que puede soportar un material, si contiene defectos de un cierto tamaño o geometría. La tenacidad a la fractura mide la capacidad de un material que contiene un defecto, a resistir una carga aplicada. Fractura dúctil Es aquella que se produce en un material después de una deformación plástica intensa y se caracteriza por la lenta propagación de la fisura. Sus etapas son: 1. La muestra presenta estricción y se forman cavidades en la zona de estricción. 2. Las cavidades formadas coalescen generando una fisura en el centro de la probeta que se propaga hacia la superficie de la misma y en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. 3. Cuando la grieta se aproxima a la superficie, la dirección de la misma cambia 45° respecto al eje de tracción y se genera una fractura tipo cono y copa. Fractura frágil Es aquella que se produce sin deformación plástica y se caracteriza por una rápida propagación de la fisura perpendicular a la carga aplicada. Sus etapas son: 1. La deformación plástica concentra las dislocaciones a lo largo de los planos de deslizamiento en obstáculos. 2. La tensión de cizalladura se acumula en lugares donde las dislocaciones se bloquean y como resultado nuclean microfisuras. 3. Una tensión posterior propaga las microfisuras y la energía de deformación elástica almacenada puede contribuir a la propagación de las mismas. Tenacidad a la fractura KIC La resistencia que opone un material a la propagación de grietas. Un ensayo típico, se realiza aplicando un esfuerzo a una probeta preparada con un defecto de tamaño y geometría conocidos, el esfuerzo aplicado al material se intensifica por el defecto, el cual actúa como un concentrador de esfuerzos Experimentalmente se ha determinado que la tenacidad a la fractura viene dada por: 𝐾𝐼𝐶 = 𝑦. 𝜎𝑓 . √𝜋𝑎 𝑦 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 1 𝑎𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑟𝑖𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑟𝑑𝑒 𝑜 𝑙𝑎 𝑚𝑖𝑡𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑢𝑛𝑎 𝑔𝑟𝑖𝑒𝑡𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 𝜎𝑓 = 𝐸𝑠𝑓𝑒𝑢𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎. Los valores de la resistencia a la fractura tienen unidades de MPa √𝑚 y ksi √𝑖𝑛. En la siguiente grafica se puede apreciar esquemáticamente dimensiones y partes de una probeta para prueba de tenacidad a la fractura, y una imagen real de una prueba al momento en que se produce la fractura. Los valores de resistencia a la fractura de algunos materiales son bastante útiles cuando se trabaja con materiales de tenacidad o ductilidad limitada. En lasiguiente tabla incluye valores de 𝐾𝐼𝐶, para alguna aleaciones. Ejemplo: El comportamiento de una placa que forma parte de un díselo de ingeniería debe soportar un esfuerzo de tensión de 207 MPa (30ksi). Si se utiliza una aleación de aluminio 2024-T851. ¿Cuál es el máximo tamaño de fisura que puede soportar este material? Y=1 𝐾𝐼𝐶 = 𝑦. 𝜎𝑓 . √𝜋𝑎 Se aplica y=1 y 𝐾𝐼𝐶 = 26.4𝑀𝑃𝑎√𝑚, despejando a se tiene: 𝑎 = 1 𝜋 ( 26.4𝑀𝑃𝑎√𝑚 207𝑀𝑃𝑎 ) 2 = 0.00518𝑚 = 5.18𝑚𝑚 Bajos valores de 𝐾𝐼𝐶 Altos valores de 𝐾𝐼𝐶 Presentan una pequeña deformación plástica antes de fracturarse, suelen ser mas fragiles Suelen ser más dúctiles Ensayo de fatiga. En ocasiones un componente se encuentra sujeto a la aplicación cíclica de un esfuerzo inferior al esfuerzo de cadencia del material. Este esfuerzo cíclico puede ocurrir por una rotación, flexión o vibraciones. Aun cuando el esfuerzo esté por debajo del límite elástico, el material puede llegar a fallar después de numerosas aplicaciones de dicho esfuerzo. A este tipo de falla se la conoce como fatiga. Y ocurren en tres etapas. La fatiga es el fenómeno que conduce a la falla de un material sometido a tensiones fluctuantes (dinámicas). De las fallas ocurridas en condiciones de servicio el 80 % corresponde a fallas por fatiga. Los ensayos de fatiga permiten determinar la resistencia a cargas dinámicas (resistencia a la fatiga) que puede tener un material, cuando es sometido a esfuerzos inferiores al límite de fluencia. El método consiste en sujetar uno de los extremos de una probeta cilíndrica maquinada al eje de un motor. En el extremo opuesto se suspende un peso: inicialmente la probeta tiene una fuerza de tensión actuado sobe la superficie superior, en tanto que la superficie inferior está sometida a compresión. Cuando la probeta gira 90° los puntos que originalmente estaban bajo tensión y compresión no están sujetos esfuerzo alguno, y al girar otros 90 grados, la zona que estaba a bajo tensión ahora está a compresión. Por lo que la el esfuerzo en cualquier punto pasa a través de un ciclo sinoidal completo desde un esfuerzo máximo de tensión, hasta un esfuerzo máximo de compresión. El esfuerzo máximo que actúa en este tipo de probeta está dado por: 𝜎 = 10.18 ∗ 𝑙 ∗ 𝐹 𝑑3 𝑙 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑎 𝐹 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑 = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 Se inicia un griete minúscula, sobre la superficie, tiempo después de haberse aplicado la carga. La grieta se propaga gradualmente, conforme la carga sigue en su alternancia. Cuando la sección trasversal restante del material es demasiado pequeña para soportar la carga aplicada, ocurre la fractura súbita del material Después de un número suficiente de ciclos, la probeta puede fallar. Generalmente, se prueba una serie de muestras a diferentes esfuerzos. Los resultados se presentan graficando el esfuerzo en función del número de ciclos para la falla. Las curvas esfuerzo-número de ciclos para la falla de un acero y una aleación de aluminio. La grafica muestra las curvas típicas, para una aleación al alto carbono y una aleación de aluminio de alta resistencia. Para la aleación de aluminio, el esfuerzo que causa la fractura disminuye a medida que aumenta el número de ciclos. En el acero al carbono primeramente hay una disminución en la resistencia a la fatiga a medida que aumenta el número de ciclos y luego la curva se nivela, sin que disminuya la resistencia a la fatiga a medida que aumenta el número de ciclos. A esta parte horizontal de la curva se le denomina límite de fatiga o resistencia a la fatiga y se encuentra entre 106 y 108 ciclos. Conceptos adicionales. Límite de fatiga. - Esfuerzo máximo debajo del cual un material puede soportar un número infinito de ciclos de esfuerzo. Resistencia a la fatiga. Esfuerzo máximo que puede soportar una pieza, a un número específico de ciclos sin que haya falla. Vida a la fatiga. Número de ciclos que resiste un material a un esfuerzo determinado. La resistencia a la fatiga es importante para aplicaciones en el que los componentes están expuestos a esfuerzos fluctuantes como: ejes, bielas, amortiguadores, tuberías de vapor y engranajes. Etapas de la fatiga. Inicio de fisuras. En los puntos de concentración de esfuerzos o defectos de diseño o fabricación. Crecimiento de fisuras. Deformación plástica en una dirección y después en una dirección contraria, lo cual causa surcos superficiales o estrías. Fallo Final. La ruptura se da por fractura frágil En la siguiente figura se muestra una gráfica sinoidal representando al esfuerzo versus los ciclos de fatiga. Figura (a) muestra esfuerzos de tensión (+) y esfuerzos de compresión (-), figura (b) muestra que el esfuerzo máximo y mínimo son de tensión. La figura (c) muestra que el esfuerzo cíclico puede variar aleatoriamente en amplitud y frecuencia. Características de los ciclos de esfuerzo variable (tensiones fluctuantes) Tensión media (esfuerzo medio). Es el promedio de las tensiones máxima y mínima. Máximo intervalo de tensión (Rango del esfuerzo). Es la diferencia entre la tensión máxima y mínima. Amplitud de tensión (amplitud del esfuerzo). Es la mitad del máximo intervalo de tensiones. Relación de tensiones extremas (Relación de esfuerzos). Es la relación existente entre las tensiones mínimas y máximas. Ensayo de termofluencia Los materiales por lo general son sometidos a temperaturas elevadas y a tensiones mecánicas estáticas (ejemplo, rotores en turbinas y generadores de vapor que experimentan fuerzas centrifugas, y en tuberías de vapor de alta presión). En estas circunstancias, la deformación de denomina fluencia en caliente. Fluencia en caliente. - es la deformación permanente y dependiente del tiempo, de los materiales cuando son sometidos a una tensión constante. Este fenómeno es indeseable puesto que limita el tiempo se servicio o utilización de un elemento. Comportamiento bajo fluencia en caliente Un ensayo típico de fluencia en caliente consiste en una probeta a una carga constante mientras es mantenida a una temperatura constante, se mide la deformación y se representa en función del tiempo. La curva presenta tres regiones principales. Fluencia primaria o transitoria. - su velocidad de fluencia es decreciente. La pendiente disminuye con el tiempo. El material presenta un aumento en su resistencia a la fluencia. Fluencia secundaria o estacionaria. - la velocidad es constante, la gráfica se hace lineal, este estado es el de más larga duración. Fluencia terciaria. - se produce una aceleración de la velocidad de la fluencia y la rotura final, se produce debido a cambios microestructurales y a cambios metalúrgicos (formación de fisuras, separación de bordes de grano) Influencia de la tensión y de la temperatura. La temperatura como el nivel de tensión aplicadas, influyen en las características del comportamiento bajo “fluencia en caliente”. Al aumentar la tensión o la temperatura se puede observar: La deformación instantánea aumenta, en el momento de aplicación de la carga. La velocidad de fluencia estacionaria aumenta. El tiempo de ruptura disminuye Ensayo de tensión a rotura. Es esencialmente el mismo que el ensayo de termofluencia, excepto que las cargas son mayores y el ensayo se lleva a cabo hasta la fractura de la muestra. La tensión que conduce a la rotura y el tiempo de rotura se representa en escala doble logarítmica. Mecanismos de endurecimiento. Un mecanismo de endurecimiento posee una fuerte relación con el movimiento de dislocaciones. Esta relación entre las dislocaciones y las propiedades mecánicas, es laque condicionará el endurecimiento. La capacidad de un metal para deformarse plásticamente depende de la capacidad de las dislocaciones para moverse. Las técnicas de endurecimiento se basan en la restricción e impedimento del movimiento de las dislocaciones, dotando al material de más dureza y resistencia. Existen algunos métodos principales de endurecimiento. Endurecimiento por solución sólida. Endurecimiento por reducción del tamaño de grano. Endurecimiento por deformación. Endurecimiento superficial. Endurecimiento por disolución sólida: Este método se basa en introducir en los materiales átomos en forma de impurezas que se disuelven en solución sólida sustitucional o intersticial. Estos átomos dificultan el movimiento de las dislocaciones evitando que avancen, por tanto, endureciendo el material. A mayor diferencia del tamaño atómico, mayor endurecimiento Mayor diferencia, más distorsión de la red inicial, por tanto, es más difícil el deslizamiento A mayor cantidad añadida, más efecto endurecedor. Endurecimiento por reducción del tamaño de grano. Los límites de grano se convierten en barreras del movimiento de las dislocaciones a temperatura ambiente, debido a: Los granos poseen distintas orientaciones. Cada grano posee su propio conjunto de dislocaciones sobre sus planos de deslizamiento, por ello, cuando una dislocación pasa de un grano a otro, se pierde la dirección de deslizamiento. El desorden de los límites de grano produce, discontinuidad de un grano a otro. A menor tamaño de grano, mayor dureza y resistencia, es decir impedimos el movimiento. Endurecimiento por deformación Mediante el trabajado en frío de los materiales se incrementa la densidad de dislocaciones, creando algunas nuevas y otras antiguas. Al aumentar la densidad de las dislocaciones, se vuelve más difícil el movimiento del resto de las dislocaciones, dando lugar al endurecimiento. Cuando metales dúctiles se endurecen por deformación, por la interacción de las dislocaciones, se incrementa la resistencia del material en perjuicio de la ductilidad. El endurecimiento por deformación en frío es uno de los métodos más importantes en el endurecimiento de metales. Endurecimiento Superficial Son tratamientos termoquímicos aplicados al acero en los cuales la composición de la superficie se altera por adición de algún elemento. El objetivo de estos tratamientos es obtener una corteza exterior dura resistente al desgaste manteniendo las propiedades de la pieza completa. Existen tres tratamientos principales: Cementación. - es la aplicación de un proceso difusivo de carbono en una pieza, normalmente de Acero. Se genera por el calentamiento de una pieza en un medio rico en C para que este difunda. En la superficie queda un acero rico en C de mayor dureza y una matriz que conserva sus propiedades. T= 875-925 °C, Espesores= 0.13-3.8 mm dependiendo del tipo de proceso. Nitruración. - Es este caso se genera la difusión de nitrógeno en la pieza, normalmente de acero. Se pretende lograr una capa fina y muy dura. El efecto aumenta con la incorporación de elementos de aleación como Al, Cr. Los nitruros se caracterizan por precipitarse en forma de partículas finas, T= 510 °C, Espesores=0.025-0.5mm. Carbonitruración. - Es el tratamiento en el que se trata de difundir tanto carbono, como nitrógeno, absorbiéndose en la superficie del material.
Compartir