propiedades mecanicas y tecnologicas 2014

Ing. Norberto D. Ñique G.

Ingeniería Industrial UNT

Propiedades mecánicas ytecnológicas

Materiales Metálicos

Etapas de un proceso siderúrgico

Formas comerciales más habituales de materiales metálicos son:Largos: Barras cuadradas, redondas , alambres, tubos etc.

Planos: Superficies de diferentes espesores, las más finas sedenominan chapas.

Perfiles: Barras con formas especiales: en U, T, triangular, etc.

Lingotes: bloques obtenidos al vaciar metal líquido en un molde.

Comportamiento mecánico es la respuesta del material a las solicitacionesmecánicas a que se lo somete (cargas externas).

Este comportamiento se evalúa o cuantifica mediante una serie de atributosque surgen de diferentes tipos de ensayos, éstas son las denominadasgenéricamente propiedades mecánicas.

Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan por medio deexperimentos efectuados en pequeñas probetas; los que se realizan enlaboratorios equipados con maquinas de prueba, capaces de cargar entensión o compresión

Comportamiento mecánico

En general las propiedadesmecánicas no son intrínsecas delmaterial sino que tambiéndependen de la geometría de laprobeta o pieza ensayada y deciertos parámetros externos almaterial como:

Composición química

Temperatura

Proceso de fabricación

Imperfecciones cristalinas

Velocidad de aplicación de lacarga

Estado de tensión

Cargas cíclicas etc.

Aplicaciónde carga

Deformación

Fisuración yRotura

Elástica

Anelástica

Plástica

Viscoplástica

(creep)

Elásticas (E, G, )

Fricción interna,capacidad deamortiguamiento

Resistencia, ductilidad,dureza, resistencia a lafatiga, tenacidad, etc.

Solicitación Respuesta Comportamiento Propiedades

Resistencia al creep ya la rotura por creep,fatiga-creep.

Tenacidad a la fracturavelocidad de propagaciónde fisuras(fatiga).

Pueden ocurrirambas cosas

Propiedades mecánicas básicasSon el grupo de propiedades más importante pues casi nuncapueden ser ignoradas en el diseño mecánico y en la selección demateriales para la mayoría de las aplicaciones en ingeniería.

Sólo algunas de estas propiedades se usan cuantitativamente en elcálculo resistencial o dimensionamiento de las piezas y estructurasen ingeniería:

Esfuerzo de fluencia,

Resistencia a la tracción,

Resistencia a la fatiga.

Otras se usan para evaluar cuantitativamente la integridadestructural de una pieza o estructura ante la presencia de defectosagudos:

Fractotenacidad,

Tenacidad a la fractura,

Velocidad de propagación de fisuras por fatiga.

Finalmente otras propiedades mecánicas se usan sólo comorequerimientos impuestos a los materiales de acuerdo al tipo defabricación y servicio, y figuran en las especificaciones que elmaterial debe cumplir. No entran en ningún cálculo dimensional de laestructura ni tampoco sirven para evaluar aspectos cuantitativosdurante la fabricación.

En general, estas son indicadores de que el material posee lacomposición y estructura adecuadas a los requerimientos de servicioy de fabricación , además de garantizar de que no hay defectosgroseros inaceptables en el material.

También pueden usarse para comparar o “rankear” materiales, o bienpara estudiar los efectos de diferentes procesos (tratamientostérmicos, deformación plástica, tratamientos termomecánicos, etc)sobre los mismos (propiedades iniciales).

Por ejemplo, sobre: ductilidad, tenacidad a la entalla.

Material de estudio:Suministrado por : Thyssen Steel

Acero Inoxidable endurecido por precipitación PH 17-4

Aplicaciones:Equipos de procesos químicos, acoplamientos y mecanismos de cierre en vehículos aéreos,ejes de bombeo, componentes de reactores nucleares, engranajes, accesorios de misiles y deproyectiles teledirigidos, componentes de motores a propulsión a chorro, sistemas detransmisión de hélices de aplicación marina, especialmente en componentes de válvulas enyacimientos petroleros

Propiedades:Alta resistencia mecánica, relativamente buena ductilidad y excelente resistencia a lacorrosión.

Es normalmente suministrado en la condición de recocido en solución (condición A), en lacual la microestructura está compuesta de martensita de listones con una alta densidad dedislocaciones, conteniendo los elementos aleantes en una solución sólida sobresaturada

Ejemplo típico de los requerimientos mecánicos de una especificación estándarAcero inoxidable PH 17-4

Curva carga-desplazamiento

δ-P

AP

En una maquina de tracción se obtienen datos respecto de la resistencia a latracción o compresión de un material, produciendo una curva denominadaconvencional o de ingeniería. Los parámetros de la curva convencional deesfuerzo-deformación de un acero al carbono, material más usado en la fabricacióno diseño de componentes de maquinaria y estructuras, se muestran en la figura:

Ensayo de tracción

Maquina de tracción

Probeta de tracción

CIMG1941.MOV

Video de estricción de laprobeta de tracción

Es un ensayo en el cual una muestra sesomete a tracción, típicamente hasta querompe o fractura. Se usa para caracterizar elcomportamiento a tracción de los materiales.Montaje experimental:1. Se fija la probeta por ambos extremos.2. Es necesario medir la carga aplicada y el

alargamiento de la probeta.3. Normalmente se usa una celda de carga

para medir la fuerza.4. Normalmente se usa un extensómetro o

medidor de deformación para medir elalargamiento de la longitud calibrada.

5. La muestra se somete a tracción(típicamente moviendo un actuador dondeestá fijado un extremo de la probeta,mientras el otro permanece fijo.

6. Se registra la carga y el alargamiento de laprobeta.

Procedimiento del ensayo de tracción

Módulo de Young o elasticidad (E): Constante de proporcionalidad entretensión aplicada y deformación resultante dentro del régimen elástico.Tensión o esfuerzo de fluencia (y): Tensión que produce en el materialuna deformación ingenieril permanente del 0.2% [l0]Esfuerzo o tensión último (UTS): Tensión ingenieril máxima que el materiales capaz de soportar. Al alcanzarse esta deformación aparece la estricción.

Curva esfuerzo-deformación

Propiedades que se miden en un ensayo de tracciónuniaxial con probeta sin entalla

En el ensayo de tracción se somete la probeta a una carga uniaxial.

En general se controla la velocidad de desplazamiento de uno de loscabezales, de modo que la carga se incrementa en la medida que elmaterial se endurece. Una vez que se localiza la deformación se formaun cuello (neck) en la probeta, el ensayo deja de ser uniaxial.

Es un ensayo simple para medir la resistencia a la deformación y laductilidad que presenta el material.

En la curva de algunos materiales (aceros al carbono) se identifica 4maneras diferentes en que el material se comporta, dependiendo de lacantidad de deformación unitaria inducida en el material:

•Comportamiento elástico (lineal elástico)•Fluencia (Perfectamente plástico)

•Endurecimiento por deformación (Deformación uniforme)•Estricción (Triaxialidad)

Modulo de elasticidad, Limite proporcional y resistencia máxima a la tracción,Esfuerzo de fluencia, Modulo tangente para un esfuerzo de 50600 psi, Modulosecante de 50600 psi, Esfuerzo de fractura, Esfuerzo de fractura verdadero si eldiámetro de la barra en la fractura fue de 0.464 in, ¿Cómo clasificaría a estematerial como dúctil o frágil?

NormasLos ensayos de tracción deben seguirnormas establecidas que dependen de laforma y de las condiciones del ensayo.Ejemplos de normas ASTM (AmericanStandard for Testing Materials)

E 8-00 Materiales metálicosE 21-92 Metales a alta temperaturaE 345-92 Laminas metálicasE1450-92 aleaciones estructurales en Heliquido (4°K)

Curva convencional y curva real de tracción

ldld

LL

0

ln0 L

LL

dL fL

L

f

SP

Parámetros realesParámetros convencionales:

0

maxUTS S

PRm

0lΔlε

AP

)1()1(0

AF

AF 1mR 1ln

Ecuaciones válidas sólo hasta la localización de la deformación

Parámetros de una curva convencional y real de tracción

Resistencia Mecánica

Es la resistencia a la deformación plástica. En el caso del ensayo de tracciónuniaxial se puede definir de tres maneras diferentes:

1.Esfuerzo de fluencia (Rp0,2):

Esfuerzo o tensión necesaria para iniciar la deformación plásticamacroscópica en un policristal. Se mide como el límite de fluencia inferior(ReL) para los metales que presentan fluencia discontinua (zona de fluencia).

Límite convencional (Rp0,2) para alcanzar una determinada deformaciónremanente (comúnmente 0,2%, aunque puede ser otra cantidad) en el caso deno presentarse zona de fluencia.

Es la resistencia que se usa para el dimensionamiento de las piezassometidas a cargas estáticas en la mayoría de los casos (cálculo resistencialestático).

De las tres formas de medir la resistencia a la deformación en el ensayo detracción uniaxial, ésta es la más sensible a la T y a la velocidad dedeformación del ensayo.

2.Resistencia a la tracción (UTS ó Rm):

Es valor del Esfuerzo convencional máxima que se registra en unensayo de tracción.

No tiene un significado físico, simplemente es una cantidad fácil demedir que da idea de la resistencia a la deformación del metalcuando se alcanzan grandes deformaciones.

Es menos sensible a las posibles variaciones e inhomogeneidadesdel material y también a las variables del ensayo, por eso es másrepetible que el esfuerzo de fluencia.

Está relacionada con la dureza del metal y también se la usa para eldimensionamiento aunque cada vez menos frecuentemente.

Aun se sigue usando como uno de los principales requerimientos enlas especificaciones de la mayoría de los materiales metálicos.

3.Resistencia a la deformación (σε):

Es el esfuerzo necesario para lograr una determinada deformación.

Se usa sólo en el campo del trabajado mecánico de los metales dondepermite por ejemplo conocer las cargas necesarias para lograr undeterminado proceso.

En general no se mide en un ensayo de tracción convencional.

Resistencia a la tracción (Rm) y resistencia a la deformación (σε) parauna deformación real, ε, cualquiera

DuctilidadEs la capacidad del metal para deformarse plásticamente endeterminadas condiciones (estado de esfuerzo, velocidad dedeformación y temperatura).

No importa el esfuerzo necesaria para lograr la deformación ni laenergía absorbida en el proceso.

En cierta literatura se reserva el término ductilidad para la capacidadde deformación bajo esfuerzos de tracción y maleabilidad para el casode esfuerzos de compresión.

En cualquier ensayo que involucre esfuerzos de tracción, la ductilidadpuede definirse en términos de la deformación plástica máxima hastaalcanzar la rotura (ductilidad a la rotura A), o bien en términos de ladeformación plástica máxima antes de que se localice la deformación(deformación uniforme).

Mediciones de DuctilidadLa ductilidad es cualitativa, es una propiedad subjetiva del material ysu medición es de interés por:

I. Indica la extensión por la cual el metal puede ser deformado sinfractura en operaciones de trabajo mecanico tales como ellaminado y la extrusión.

II. Indica al diseñador la habilidad del metal al flujo plástico antes dela fractura.

III. Sirve como un indicador de los cambios en niveles de impurezaso condiciones de proceso.

IV. Las mediciones convencionales de ductilidad son obtenidas deun ensayo de tracción:

• % de elongación (alargamiento)

• % de reducción de área

100

o

of

LLL

toalargamien%

Porcentaje de alargamiento:

Donde:Lo es la longitud calibrada originalLf es la distancia entre las marcas de calibración en la fractura.Puesto que el alargamiento no es uniforme sobre la longitud de la probetasino que se concentra en la región de estricción, el porcentaje dealargamiento depende de la longitud calibrada.

Por esto, cuando se da el porcentaje de alargamiento, siempre debeindicarse la longitud calibrada, que generalmente es de 2 in(in:inch=pulgada):

El acero puede tener alargamiento de 3-40%, dependiendo de sucomposición; en el caso del acero estructural, son comunes los valoresde 20-30%.El alargamiento de las aleaciones de aluminio varía de 1-45%, según lacomposición y el tratamiento.

1000

o

f

AAA

ón de area% reducci

Donde:Ao es el área transversal original y Af es el área final en la secciónde fractura.Para aceros dúctiles, esta reducción es aproximadamente del 50%.

Porcentaje de reducción de área

Tenacidad(Toughness, Notch or Impact Toughness, Fracture Toughness)

Es la energía que absorbe el metal durante su deformación plástica ydurante el proceso de fractura.

En esta propiedad intervienen tanto la resistencia a la deformacióncomo la capacidad de deformación.

Un material tenaz es el que al mismo tiempo posee resistencia a ladeformación y tiene gran capacidad de deformación.

I. Tenacidad estáticaII. Tenacidad a la entallaIII. Tenacidad a la fractura

Esquema de gráficos de tracción para un material muy resistente y pocotenaz, otro muy dúctil y poco tenaz, y otro resistente, dúctil y tenaz.

I. Tenacidad estática:

Es la energía absorbida por la probeta durante el ensayo de tracción uniaxial yhasta la fractura. Está dada por el área bajo la curva de tracción real. Es difícil demedir y no tiene mucha aplicación en el diseño, la selección o especificación demateriales pues las condiciones de estado de tensión y velocidad de deformaciónsuelen ser muy diferentes a las de la mayoría de las piezas en servicio. Sólo es útilcomo concepto de tenacidad.

II. Tenacidad a la entalla:

KV, cuando se expresa en (J)KCV, si lo hace en (J/cm2):

Es la energía absorbida en un ensayo de flexión o por impacto conprobeta entallada (Charpy o Izod). Se somete al material a condicionesseveras que promueven la fractura frágil (estado triaxial de tensiones conalta componente hidrostática y alta velocidad de deformación).

Es fácil de medir aunque su aplicación racional requiere de una correlacióncon experiencias de fallas en servicio. Sirve además para rankear ocomparar materiales o bien para hacer estudios de la influencia de laestructura y procesos varios sobre la tenacidad.

En algunos textos se denomina resiliencia a la energía medida en elensayo de Charpy dividida por el área de la probeta. Este término no debeconfundirse con la denominada módulo de resiliencia elástica querepresenta la energía absorbida por el material pero sólo en el rangoelástico.

Anisotropía en la tenacidad a la entalla. Curvas de transiciónpara las 3 orientaciones de probetas en una chapa laminada

III. Tenacidad a la fractura (KIC, JIC): Concepto de la Mecánica de laFractura que representa la resistenciaa la propagación de una fisurapreviamente existente en el material.Esta resistencia tiene que ver con laenergía absorbida en el proceso depropagación de la fisura.

III. TENACIDAD A LA FRACTURA

Se da en componentes que presentan una zona plástica muy pequeña ylocalizada en el extremo de la fisura, mientras que el resto del componentepresenta un comportamiento elástico lineal.

Condiciones que promueven este comportamiento:

I. Materiales con una resistencia a la fluencia y con comportamiento frágil.

II. Bajas temperaturas de operación

III. Espesores de pared o sección gruesa (deformación plana)

IV. Velocidad de carga muy alta (impacto)

V. Constricciones mecánicas presentes en el componente

MECÁNICA DE FRACTURA ELÁSTICA – LINEAL

III. Tenacidad a la fractura (KIC, JIC):

Concepto de la Mecánica de la Fractura que representa la resistencia ala propagación de una fisura previamente existente en el material.Esta resistencia tiene que ver con la energía absorbida en el procesode propagación de la fisura.

Factor de intensidad de tensiones (K):caracteriza el estado de tensión -deformación elástica en el extremo de lafisura.Condición MFEL: la zona plástica en elextremo de la fisura debe ser pequeñacomparada con la zona K.Zona K: se aplican las ecuaciones delcampo de tensiones elásticas.Zona plástica: zona altamente tensionadaen el extremo de la fisura.Zona de proceso: zona muy localizadadonde ocurre los fenómenos de,nucleación de cavidades y crecimiento defisuras.

FACTOR DE INTENSIDAD DE TENSIONES (K)

El valor de K incluye un subíndice (I, II y III) quese refiere a los modo de aplicación de la cargaen el cuerpo fisurado.

Modo I (de abertura): La abertura de la fisuraes en dirección perpendicular al plano defractura. Ocurre en el 90% de los problemasde ingeniería.

Modo II (de deslizamiento). El desplazamientode las superficies es en sentido opuesto pero enla dirección del avance de la fisura. Se presentaen grietas inclinadas.

Modo III (de rasgado): El desplazamiento delas superficies es fuera del plano en direcciónperpendicular a la dirección de avance de lafisura. Es importante en fracturas por torsiónpura.

George R. Irwin (1957)Modo IEl estado de tensiones para unpunto P cualquiera en el extremode la fisura queda definido por:

: Tensión nominal de la sección total; calculado bajo la asunción que ningunafisura está presente.

a: Longitud de la fisura medida desde la superficie, o en todo caso desde la líneacentral de la carga.

Pxy

Irwin, determinó que el estado de tensiones en la región próxima alextremo de la fisura queda determinado por “el producto de tensiónnominal y la raíz cuadrada de la semilongitud de la fisura interna”.

A esto le denominó “Factor de intensidad de tensiones, K”

aK

Unidades:

)(

ijij fr2

K

3/2MN/m,inpsi,mMPa

Principio de similitud:

De las ecuaciones anteriores se observa que el estado de tensiones en elextremo de la fisura es proporcional al valor de KI, y los factores restantessolamente dan la variación de r y . Así, la magnitud del campo detensiones cerca a la fisura puede ser caracterizado dando el valor de KI.

Si dos fisuras diferentes, en cuerpos diferentes y cargas diferentes,poseen el mismo KI, entonces, presentarán el mismo estado de tensionesen el extremo de la fisura. Las únicas restricciones es que el modo dedesplazamiento de la fisura sea el mismo y que las deformaciones en loscuerpos sean elásticas.

)(

ijij fr2

K

ANÁLISIS EN EL FRENTE DE LA FISURA

Para una placa infinita con una fisura centralen modo I, cuya expresión para K=a, ladistribución de esfuerzo en el frente de lafisura, sería:

r2KI

yx

σy

r

r

K Iyx 2

planaensiónT

z 0

Fisura

En el caso de deformación plana x,y, y z son de tensión, por lo tanto,en el extremo de La fisura existe unestado triaxial de tensiones

)(

planandeformació

yxz

σ

σ

CRITERIO DE FRACTURA DE COMPONENTESGeneralizando, K es una medida de la severidad de un cuerpofisurado debido a que depende del tamaño de la fisura (a),tensión nominal aplicada (Sg) y geometría del componente (F).

Un componente fisurado puede resistir una tensión sin presentarfractura frágil siempre que K Kc (Tenacidad a la fractura).

El valor de KC es una propiedad del material y varía según lascondiciones metalúrgicas (microestructura, inclusiones, etc.) ycondiciones de ensayo (temperatura, espesor de la probeta, etc.).

a/b )a,F ( geometríFaSFK g ..

Componentes más gruesos alcanzan un valor mínimo de KC, el cual sedenota como KIC y es llamado Tenacidad a la fractura en deformaciónplana.

Un componente fisurado fallará con fractura frágil si cumpleque:

KIC: Tenacidad a la fractura en deformación plana o Factorcrítico de intensidad de tensiones (propiedad delmaterial)

K: Factor de intensidad de tensiones (proceso de carga).Estima el nivel de tensiones alrededor de la punta de lagrieta.

Esta ecuación se pueden leer de dos formas:(a) Para una tensión nominal dada (Sg) podemos tolerar defectos

hasta que un tamaño crítico (ac).(b) Para un tamaño de defecto conocido (a), podemos cargar la pieza

hasta una tensión nominal crítica (Sf).

aS.FK cfIC

ICKK

Datos de falla de placas fisuradas de aluminio 2014-T6ensayadas a -195ºC. Mientras más grande es la fisura más severo esel efecto en la resistencia del componente. Los datos de Sf son menoresque o del material. Estos datos experimentales (con puntos) concuerdancon los reportados con la ecuación de la MFEL.

ESTADO DE TENSIÓN PLANA

El estado de tensiónplana ocurre cuandolas probetas son muydelgadas, que no haysuficiente material en ladirección transversal(z) para transmitir latensión (z= 0).

La tensión de cortemáxima (max) es iguala y/2 y ocurre aaproximadamente 45ºdesde el plano defisura.

El estado dedeformación planaocurre cuando laprobeta es muygruesas y el materialresiste la contracciónen la dirección z (z=0).

En este caso tenemosx z y, y la tensiónde corte máxima esigual a (y-x)/2, la cualno es solo muchomenor que y/2 sinoque ocurre endiferentes planos.

En la deformación plana x, y, y z son detracción, por lo tanto, en el extremo de La fisuraocurre un estado triaxial de tensiones

Cálculo del Factor de Intensidad de Tensiones (K)

Para aplicar la MFEL en el diseño, primero tiene quedeterminarse el valor de K para la geometría de la fisura queexiste en el componente estructural.

F: Función adimensional depende de la geometría,configuración de la carga y relación a/b.

Sg: Tensión nominal de la sección total, calculado bajo laasunción que ninguna fisura está presente.

a: Longitud de la fisura medida desde la superficie o desde lalínea central de la carga.

b: Definido como la máxima longitud posible de la fisura, asípara a/b=1, el componente esta completamente fisurado

a/b)a,F(geometríFa.S.FK g

Cálculo del Factor de Intensidad de Tensiones (K)Fisura central

aS.FK g

Para valores de a/b 0.4 y conun límite de precisión del 10%:

aSK g

Para cualquier relación = a/b:

1.5)(h/b..

F

13260501 2

Cálculo del Factor de Intensidad de Tensiones (K)Fisura en el borde

aS.FK g

Para valores de a/b 0.13 y con unlímite de precisión del 10%:

aS.K g 121


1)(h/b)(

..)(.F

/

234

12650857012650

Cálculo del Factor de Intensidad de Tensiones (K)Doble fisura en los bordes

aS.FK g

Para valores de a/b 0.6 y con unlímite de precisión del 10%:

aS.K g 121


2)(h/btancos.F

2

22

12201 4

En las funciones trigonométricas, el argumento está en radianes.

Cálculo del Factor de Intensidad de Tensiones (K)Eje redondo con una fisura circunferencial

aS.FK g

Para valores de a/b 0.21 y con un límitede precisión del 10%:

2b

PSg


432

51 7310363083

211

21

..F.

-1a/b;

aS.K g 121


aS.FK g


34b

MSg


5432

52 537012835

165

83

211

83

.F.

-1a/b;

aS.K g 121


aS.FK gIII


34b

TSg


5432

52 208012835

165

83

211

83

.F.

-1a/b;

aSK gIII

Alguna veces es conveniente trabajar directamente con la fuerzaaplicada, siendo útil para geometrías planas.

a/b),(geometríaFFbt

P.FK PPP

FP: Factor geométrico adimensionalP: Fuerza aplicadat: Espesor

Expresiones de FP, pueden ser obtenidosdesde las expresiones de K: P

b.at.S.FF g

P

Ventaja de K en función de FP es que la longitud de la fisura estaincluida en la función FP

Cálculo del Factor de Intensidad de Tensiones (K)

Cálculo del Factor de Intensidad de Tensiones (K)Fisura central en una placa con h/b 2

bt

PFK P

Para valores de a/b 0.3 y con un límite deprecisión del 10%:

bt

P.K

1


1)a/b(0sen

cos..FP

229702971

En las funciones trigonométricas, el argumento está en radianes.La carga está aplicada en las caras de la fisura central.

Cálculo del Factor de Intensidad de Tensiones (K)Probeta compacta estándar ASTM

bt

PFK P

Para =a/b

0.2(a/b))5.6-14.7213.32-4.64(0.886F 432

/P

2312

Factores de seguridadEl factor de seguridad X aplicado contra la fractura causada poruna tensión estaría dada por:

.(1)..........a.S.F

K

K

KX

g

ICICK

donde Sg y “a” es la tensión nominal y la longitud de fisura que seespera ocurra en servicio. También sería útil comparar la longitudde fisura en servicio a la longitud de fisura crítica, aC que esesperado causar la falla a la tensión de servicio Sg. El valor de aCes accesible desde:

(2)..........a.S.FK CgCIC

donde FC es calculado para aC. Combinando las ecuaciones (1) y(2) obtenemos el factor de seguridad para la longitud de fisura:

.(3)..........XFF

a

aX

2

KC

Ca

Factores de seguridadEl factor de seguridad respecto a lalongitud de fisura (Xa) debería sermás alto, para obtener un factor deseguridad razonable sobre K (XK).

.(4)..........S

Xg

oo

Si la longitud de fisura que se espera ocurra enservicio es muy pequeña, se calcula un factorde seguridad contra la fluencia, es decir, comosi no existiera fisura, que sería:

.(3)..........XFF

a

aX

2

KC

Ca

Ejemplo: si FFC, entonces: Xa=X2K. Un Xa=9 es necesario para

alcanzar un XK=3. De allí la importancia en el diseño de asegurarun tamaño de fisura pequeña comparada al valor crítico de aC.

Donde, o es la tensión de fluencia. En condiciones de tensionesmultiaxiales, Sg debe ser reemplazado por la tensión efectiva, e.

2312

322

2121

e

Factores de seguridad

.(5)..........M

MX

P

PX o´

oo´

o

Un método más preciso para el cálculo del factor de seguridadcontra la fluencia (X´o), es comparar la carga limite paraplasticidad total (Po) con la carga aplicada (P). El primeroconsidera la carga necesaria para causar fluencia total sobre lasección total sin considerar el área ocupada por la fisura. Así, elfactor de seguridad contra la fluencia sería:

P y M son los valores de fuerza y momento de servicio actual.

Bajo condiciones de servicio normales, sin circunstancias fuerade lo común, los valores razonables para factores de seguridadcontra la fractura son tres (3) y dos (2) contra la fluencia. Estoes debido a la dispersión estadística de KIC y o.

Cálculo de la carga para fluencia total (Po)Para =a/b

)(btP oo 12

122 2

oo btP

)(btP oo

2121

Cálculo del momento para fluencia total (Mo)Para =a/b

22

14 )(tb

M oo

Es un ensayo en el que se somete a una probeta a cargas compresivas.Se usa para estudiar el comportamiento de los materiales bajo eseestado de cargas

Procedimiento de ensayoSe coloca la muestra entre los platos de la máquina (normalmente selubrica para reducir la fricción)Como en el ensayo de tracción, es necesario medir la carga aplicada yla deformación:Normalmente se usa una celda de carga para medir la fuerzaNormalmente se usa un extensómetro para medir el alargamiento deuna longitud calibradaSe aplica una carga compresiva, normalmente a velocidad controladauno de los actuadores, mientras el otro permanece estático

Ensayo de compresión

Las propiedades que surgen de este ensayoson las que más se usan tanto para el cálculoresistencial en el diseño de una pieza, comopara las especificaciones de materiales yproductos metálicos.

Esto las convierte en propiedades muyimportantes aún cuando son pocas las piezaso componentes reales que trabajen bajosolicitaciones uniaxiales cuasi estáticas.

Para ensayos de compresión de concreto laprobeta es de Ø= 6 in, 12 in de longitud.

En metales las probetas son cúbicas, de 2 inpor lado o cilíndricas circulares con Ø= 1 in,y con longitudes de 1-12 in.

NormasLos ensayos de compresión.Normas ASTMAmerican Standard for Testing MaterialsE 9-89: Metales a alta temperaturaE 209-65: Metales a alta temperatura conciclado térmico

Es un ensayo en el que se deforma una muestra aplicándole un par detorsión o par torsor. La deformación plástica alcanzable con este tipo deensayos es mucho mayor que en los de tracción o en los de compresión(abarrilamiento, aumento de sección).Da información directamente del comportamiento a cortadura (cortante)del material y la información de su comportamiento a tracción se puedededucir fácilmente.

Ensayo de torsión

Montaje experimentalSe fija la probeta a sus dosextremos. Mientras uno delos extremos permanecequieto, el otro se gira. Seregistra el par aplicado y elángulo girado. Si se hacenensayos a alta temperatura(muy normales) se necesitaun sistema de calentamientoy un controlador (incluyendoun termopar)

Cabezal fijo

Cabezal móvil

Horno deinducción

ProbetaBanco de torsión

Normas ASTM:E 143-01 Norma de ensayo a temperatura ambienteA 938-97 Norma para alambresF 543-01 Norma para implantes médicos

tRT

22

LR

Curva de Torsión

MODOS DE FRACTURA DUCTIL Y FRAGIL

Modos de fractura y sus característicasModo de propagación dúctil:• Mecanismo de nucleación, crecimiento y coalescencia de hoyuelos.• Gran influencia de las partículas de segundas fases:

Inclusiones, carburos, intermetálicos.• Necesidad de deformación plástica en cada etapa, gran cantidad de

energía absorbida en el proceso de fractura (alta tenacidad).• Los esfuerzos que comandan el mecanismo son los cortantes.El aspecto macroscópico de la fractura es opaco y rugoso, microscópicamente la superficie estácompuesta por hoyuelos de diferentes tamaños, algunos pueden contener partículas.En general se trata de una fractura transgranular aunque existen casos especiales donde esintergranular.

Mecanismos de fractura dúctil

Aspectos macro ymicroscópico de una fractura

dúctil en una probeta detracción

Fig. 37. Micrografías MEB de muestras envejecidas a (a) 482 ºC por 15 min (UTS=1520 MPa; %= 62) y en(b) envejecida a 522 ºC por 1 hora (UTS= 1540 MPa; %= 67), y ensayada a tracción lenta al aire.

Modo de propagación frágil :Transgranular (clivaje)

Rotura de enlaces atómicos a lo largo de ciertos planos cristalinos denominados planos declivaje.No hay deformación plástica aunque en metales siempre existe una zona plastificada. Bajaenergía absorbida (baja tenacidad).La velocidad de propagación es muy rápida.La ausencia de deformación plástica generalizada y la rapidez de la propagación conducen enmuchos casos a las denominadas fallas catastróficas.

Los esfuerzos que producen el clivaje son las esfuerzos normales.El aspecto macroscópico de la fractura es brillante y facetado.Microscópicamente se ven las facetas planas y algunas otras características.

Aspectos macro y microscópicode una fractura frágil en una

probeta de tracción.

Modo de fractura frágilIntergranular

Rotura de enlaces atómicos a lo largo de los bordes de grano.No es necesaria la deformación plástica aunque en metales siempre existe una zonaplastificada. Baja energía absorbida (baja tenacidad). La velocidad de propagación es muyrápida.Las tensiones que producen este modo de fractura son las normales.El aspecto macroscópico de la fractura es brillante y facetado. Microscópicamente se ven losbordes de grano.

Este modo de fractura está asociado a alguna de lassiguientes causas:I. Segregación de impurezas hacia bordes de granoII. Precipitación de fases frágiles en bordes de granoIII. Fracturas a muy altas TIV. Algunos mecanismos de propagación asistidospor el medio.

Fig. 38. Micrografías MEB de la probeta envejecidas a 524 ºC por 15 min, y ensayada a tracción en unasolución NACE saturada de H2S (UTS= 1150 MPa; Rm= 27.9%; Z= 94%).

En resumen:Bajas temperaturas, cargas dinámicas, y estados de tensión triaxialescon alta componente hidrostática de tracción, dificultan ladeformación plástica favoreciendo el modo de fractura frágil. Estohace que disminuya la tenacidad del material.Esta influencia es particularmente importante en el caso de losmetales BCC.

Ensayo de impacto

II. Tenacidad a la entalla:KV, cuando se expresa en (J)KCV, si lo hace en (J/cm2):

Es la energía absorbida en un ensayo de flexión o por impacto conprobeta entallada (Charpy o Izod). Se somete al material a condicionesseveras que promueven la fractura frágil (estado triaxial de tensiones conalta componente hidrostática y alta velocidad de deformación).

Es fácil de medir aunque su aplicación racional requiere de una correlacióncon experiencias de fallas en servicio. Sirve además para rankear ocomparar materiales o bien para hacer estudios de la influencia de laestructura y procesos varios sobre la tenacidad.

En algunos textos se denomina resiliencia a la energía medida en elensayo de Charpy dividida por el área de la probeta. Este término no debeconfundirse con la denominada módulo de resiliencia elástica querepresenta la energía absorbida por el material pero sólo en el rangoelástico.

Resistencia al impactoEl modo de fallo del ensayo de tracción no nos permite extrapolar losresultados a otras situaciones diferentes para predecir el comportamiento ala fractura, por ejemplo en algunos materiales normalmente dúctiles sefracturaban frágilmente sin tener apenasdeformación plástica.El tipo de fallo está condicionado por las condiciones de contorno delmaterial.Para ensayar los materiales en condiciones posibles con respecto a lafractura se crearon los ensayos de impacto (resistencia al impacto).Estas condiciones son:I. Deformación a temperaturas relativamente bajas.II. Velocidad de deformación elevada.III. Estado triaxial de tensiones (mediante la presencia entalla mecánica)

La energía absorbida en un ensayo por impacto con probeta entallada(Charpy o Izod). En estos se somete al material a condiciones severas quepromueven la fractura frágil (estado triaxial de tensiones con altacomponente hidrostática y alta velocidad de deformación).

Los dos ensayos de impacto, son el ensayo Charpy y el de Izod. Estosdos ensayos han sido normalizados y diseñados para determinar laenergía de impacto o tenacidad a la entalla, que se define como laenergía absorbida por la superficie entallada cuando se rompe.

Probeta de impacto

En ambos ensayos se romperá unasuperficie entallada de un golpe dado conuna masa-péndulo, la diferencia radica enla posición de la probeta. La velocidad queadquiere la masa al golpear la probetaqueda determinada por la altura delpéndulo. Tras la rotura, la masa continúasu camino hasta llegar a una cierta altura,a partir de la cual se determina la energíaabsorbida. Así se medirá la energíaabsorbida por ese impacto o golpe súbito.

La energía absorbida por la probeta (J), Joules, se puede medir calculando ladiferencia de energía del péndulo antes y después del impacto, mediante la alturaa la que llega el péndulo después de romper la probeta (ecuación 1). El problemade este método es que resulta muy inexacto medir la altura a la que llega la masa,entonces como se sabe el ánguloinicial del péndulo (a) y la máquina registra el ángulo final (b), mediante relacionestrigonométricas se llega a relacionar la energía absorbida en función de losángulos y el largo del brazo en la ecuación 2.Eabs = m× g × (h – h´) .............(1)Eabs = m× g × (cos-cos).......(2)

Algo importante de estos ensayos es que sepuede determinar la temperatura de transiciónfrágil-dúctil (su principal ventaja sobre otrosensayos). Esto se consigue realizando elensayo en iguales condiciones normalizadas,pero a distintas temperaturas. Lo que se hacees calentar o enfriar la probeta antes derealizar el ensayo (la distribución detemperaturas debe ser homogénea en toda laprobeta). Se obtienen una serie de curvascaracterísticas de cada material.

Probetas de Tenacidad a la entalla

Curvas de transición dúctil – frágilOrientación de probetas y anisotropía

Anisotropía de la tenacidadInfluencia del tipo de entalla

Diferentes formas de definirla transición dúctil-frágil:

•Energía

•Porcentaje de área dúctil

•Contracción lateral

•Expansión lateral

•Volumen deformado

Esquema del aspecto dela fractura de probetaspor Charpy, ensayadas enla zona de transición ymedición del porcentajede área dúctil.

Charpy (ISO 179-1, ASTM D 6110)Izod (ISO 180, ASTM D 256, ASTM D 4508) yIzod´unnotched cantilever beam impact' (ASTM D 4812)Ensayo tracción por impacto (ISO 8256 und ASTM D 1822)Dynstat ensayo flexión por impacto (DIN 53435)

Normas para ensayos Charpy e Izod

RigidezResistencia a la deformación elástica. Se representa mediante elmódulo elástico longitudinal, E, Módulo de Young o el de corte G.

Dentro de un determinado grupo de aleaciones, estas propiedadeselásticas son casi insensibles a los cambios en la estructura(deformación plástica, tratamientos térmicos, etc)

La rigidez de una pieza o estructura depende de la rigidez intrínsecadel material y de la geometría de la pieza o estructura (rigidezestructural). Si se debe aumentar la rigidez, es mucho más lo que sepuede hacer cambiando el diseño de la pieza o estructura queeligiendo un metal diferente.

Ejemplos de recursos de diseño para aumentar la rigidez estructural:nervaduras, placas rigidizadoras, aumento del momento de inercia dela sección, elección adecuada de ubicación y tipos de soportes ovínculos.

Ejemplo: Viga simplementeapoyada sometida a una cargacentral P

Flecha:

c, constante que depende del tipode vínculos, Ixx es el momento deinercia de la sección transversalrespecto del eje neutro.

P

L

fxxcEI

PLf3

3LcEI

fP xx

Rigidez intrínseca

3LcIE

fP xx

Rigidez estructural

Rigidez total:

Rigidez de una barra cilíndrica en Flexión

P

L

f

Ensayo de flexión de 4 puntos

Ensayo de flexión de 3 puntos

P

L

f

Rigidez de una barra cilíndrica en torsión

φ

l

Rigidez total = T/(x) =Mt/ φ

(γ = φ / (x)= φ /l = distorsión)

lI

Gl

GIM ppt

Rigidezintrínseca

Rigidez estructuralo geométrica

Ip es el momento de inercia polar de la sección

Dureza (Hardness)

En el caso de los metales, la dureza está relacionada con la resistencia a ladeformación plástica localizada.Básicamente existen tres tipos de ensayos para medirla:Ensayos de indentación estáticos:Donde un indentador se fuerza contra el material a ensayar y produce unahuella o impronta. La relación entre la fuerza aplicada y el área o laprofundidad de la impronta es una medida de la dureza del material.Ensayos dinámicos:Un objeto de dimensiones y masa conocidos se hace rebotar contra elmaterial. La altura del rebote es una medida de la dureza del material(Dureza Escleroscópica).Ensayos de rayado:Se establecen escalas donde un material es capaz de rayar a los que estánpor debajo en la escala. Escala Mohs.

El ensayo de dureza es rápido, económico, simple y no requiere granhabilidad o preparación del operador. Por otra parte la dureza estárelacionada con varias propiedades mecánicas más costosas y engorrosasde medir por lo que es un ensayo muy utilizado tanto en el control decalidad del ámbito industrial como en el ámbito de la investigación.

El volumen de material ensayado es relativamente pequeño, lo queconstituye una gran ventaja en muchos casos donde el tamaño de la piezano permite realizar otros ensayos o bien donde no se pueda destruir oextraer material de la pieza.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que justamente por involucrar pocomaterial, es una medida local y puede no representar las propiedades detoda la pieza cuando existan gradientes importantes en las propiedadesmecánicas.

(I) Ensayo de dureza Rockwell

Es el ensayo de dureza más utilizado pues es el mássimple, rápido, versátil y no requiere gran habilidad opericia del operador. Se presta mucho para laautomatización.El número de dureza Rockwell esta en la relacióninversa con la diferencia de profundidad de penetraciónde un indentador cuando sobre el mismo se aplica unacarga principal y cuando se aplica una precarga ocarga menor.No se necesitan mediciones de área de la impronta, laprofundidad es medida automáticamente por el aparatoRockwell.

El método HR posee diferentes escalas que se adaptan a diferentes rangos de dureza. Además deescalas especiales para dureza superficial. Las escalas varían según el tipo de indentador y lascargas aplicadas. Hay unas 30 escalas diferentes. El indentador puede ser una bolilla de diámetrosvarios (desde 1,6 hasta 12,7 mm), o bien un cono de diamante de 120º. En las escalas Rockwell dedureza volumétrica, la precarga es de 10 kg y las cargas principales son las que se muestran.Enescalas Rockwell superficiales la precarga es de 3 kg y las cargas principales son de 15, 30, ó 45kg.La mayoría de las aplicaciones quedan cubiertas con las escalas Rockwell C (cono dediamante) y Rockwell B (bolilla de acero).

Procedimiento:Primero se aplica una precarga y el indentador penetra en el material. Seestablece así la penetración de referencia a partir de la cual se tomará lamedición.Luego se aplica la carga principal y el indentador penetra más aún.Cuando se retira la carga principal la máquina mide automáticamente ladiferencia de penetración.El objetivo de la precarga es eliminar todo efecto de los no controlables enel sistema de carga así como los efectos de la rugosidad de la superficie.

(a) Identaciones correspondientes a lazona de fusión (ZF) y la zona afectadapor el calor (ZAC) 50X

(b) Identación producida en el metalbase.

Escalas Rockwell y sus aplicaciones principales

Escalas Rockwell superficiales

En la escala Rockwell C el número de dureza queda determinado por la siguienterelación:

mmpHRC

002,0100 p es la profundidad medida en mm

Por ejemplo, si la profundidad medida es 0,08 mm, la ecuación da 60 y ladureza se denota 60 HRC.

En la escala Rockwell B existe una relación similar:

mmpHRB

002,0130 p es la profundidad medida en mm

Se debe tener en cuenta que las escalas Rockwell no son proporcionales yen consecuencia la diferencia de resistencia a la deformación entre unmaterial de 58 HRC y uno de 60 HRC es mayor que entre uno de 30 y uno de32 HRC.Por otra parte, las escala Rockwell C no debe usarse para valores menoresque 20 pues los indentadores de diamante no están calibrados para esosniveles de dureza.

(II) Ensayo de dureza Brinell

Este método usa una bolilla de material duro que se fuerza contra elmaterial mediante una carga que se deja actuar un determinado tiempo.Luego de retirada la carga se mide el diámetro de la impronta y se calcula elnúmero de dureza Brinell dividiendo la carga por el área de la impronta.

Este número se expresa en kg/mm2. Ejemplo: 348 HB.El hecho de tener que medir el diámetro de la impronta lo hace más lento ymenos práctico que el método Rockwell.Por otra parte, la impronta es mucho mayor que la del método Rockwell loque impone límites mínimos para el espesor y el tamaño de la pieza amedir.

El método estándar usa una bolilla de 10 mm quepuede ser de acero endurecido (para materiales dehasta unos 444 HB) o de carburo de tungsteno (paramateriales de entre 444 y 627 HB).Las cargas son 500, 1000, 1500, 2000, 2500, y 3000 kg.

Durómetro Brinell

(III) Ensayo de dureza Vickers(Diamond pyramid hardness DPH)

Método similar al anterior pero con un indentador de diamante de formapiramidal de base cuadrada con un ángulo de 136º.

El número Vickers surge de dividir la carga por el área de la impronta, loque al igual que en el método Brinell requiere la medición de lasdimensiones de la misma.

La ventaja del método Vickerssobre el Brinell es que sepuede aplicar en todo el rangode durezas usando el mismoindentador.Además la impronta es máspequeña que en el métodoBrinell.

Comparación de tamaños de improntas Rockwell, Brinell y Vickers

Ensayos de Microdureza (Microhardness)

Son métodos de indentación que usan cargas entre 1 g y 1 kg y generandoimprontas del orden de unos pocos μm, permiten:

Realizar mediciones sobre piezas de espesores muy finos (foils, alambres,etc).Realizar mediciones muy cerca de los bordes de una superficie, porejemplo para controlar una carburización, nitruración, carbunitruracion,o descarburización, etc.Tomar la dureza de microconstituyentes individuales o de fases de unaaleación.Tomar mediciones de dureza de recubrimientos electrolíticos, cromado, etc.

Se usan dos métodos de indentación:• Vickers• KnoopEl método Vickers es el mismo que el expuesto para mediciones dedureza común, sólo que se usan cargas menores (hasta 1 kg).

Improntas de microdureza Vickers en las diferentes fases de un metal.Identaciones de microdureza en acero de bajo carbono. Carga 50 g.se obtiene dureza de perlita da 290 HV, dureza de la ferrita, 150 HV

El método Knoop usa un indentador de diamante con forma piramidal debase romboidal. Se le suele denominar esferocónico

La impronta Knoop es más larga que la Vickers pero tiene menor ancho aigualdad de carga, por lo que permite realizar mediciones más próximas.Esto es muy útil cuando se quiere realizar un perfil de durezas o bienmediciones cercanas a los bordes de la superficie preparada.

Del ensayo de dureza (HRC)

Conversión de valores entre diferentes métodos deensayo de dureza

Ya que los ensayos de dureza no miden una propiedad perfectamentedefinida del material y que los diferentes métodos se basan en distintostipos de medición, no existen relaciones universales de conversión dedurezas entre las diferentes escalas. Todas las tablas de conversión dedurezas son empíricas y no son aplicables a cualquier material.

Las más confiables están publicadas en la especificación estándar ASTME-140.

Cada tabla de dicho documento es aplicable a un cierto grupo de metalesdentro de un cierto rango de durezas.

Relación entre la dureza y otras propiedades mecánicas

Ya que tanto la resistencia mecánica como la dureza indican la resistencia ala deformación plástica de un metal, parece lógico que exista ciertacorrelación.En el caso de algunos grupos de materiales metálicos esta correlación esmuy buena, para otros es menos confiable.En el caso de los aceros ferríticos en cualquier estado metalúrgico secumple con muy buena aproximación:

3

)/()/(

22 mmkgHBmmkgRm

Sólo para aceros ferríticos

Esta relación es muy útil si se recuerda que la medición de la dureza esmucho más simple, rápida y económica que la realización de un ensayo detracción. Sin embargo siempre debe tenerse presente que la dureza es unamedición mucho más local que la medición de las propiedades de tracción.

Ensayo de viga en voladizo rotativa, que se utiliza en ensayos de fatiga;las tensiones de tracción y de compresión se originan cuando la probeta esflexionada y girada. Hay veces que los ciclos corresponden a cargas detracción y compresión uníaxial.

Maquina de ensayos de flexión rotativa

El ensayo de fatiga se describe en "Manual on Fatigue Testing", ASTM STP91-A y "Mechanical Testing of Materials", A.J. Fenner, Philosophical Library,Inc. ASTM D-671 describe un procedimiento estándar del ensayo de fatigade los plásticos en flexión.

La fatiga es una forma de rotura que ocurre en estructuras sometidas atensiones dinámicas y fluctuantes en: puentes, aviones o componentes demaquinas.

La fractura puede ocurrir a un nivel de tensión sensiblemente menorque la resistencia a la fluencia en tracción o el limite elásticocorrespondiente a una carga estática.

El termino fatiga se utiliza debido a que este tipo de fractura normalmenteocurre después de un periodo de largo de tensiones repetidas odeformaciones cíclicas. La fatiga es importante ya que es la primera causade rotura de materiales, siendo la causa del 90% de las roturas. Siendogeneralmente catastrófica.

Ensayo de fatiga

Ensayo de Fatiga

El ensayo de fatiga se describe en "Manual on Fatigue Testing", ASTM STP 91-A y"Mechanical Testing of Materials", A.J. Fenner, Philosophical Library, Inc. ASTM D-671describe un procedimiento estándar del ensayo de fatiga de los plásticos en flexión.

Modos de tensión fluctuante-tiempo

Ciclo de carga invertidaDependencia regular y sinusoidal deltiempo, la amplitud es simétricarespecto de un nivel medio de tensiónigual a cero desde el max hasta elmin (tensión-compresión; de igualmagnitud)

Ciclo de carga repetidaLos máximos y mínimos sonasimétricos respecto del nivel cero decarga, la amplitud de la tension variaalrededor de un valor medio m

definido como el promedio de lastensiones máximas y mínimas

Ciclo de carga al azarEl nivel de tension puede variar alazar en amplitud y frecuencia

La curva S-NLas propiedades de fatiga pueden ser determinadas a partir de ensayos desimulación en laboratorios. El equipo de ensayo debe ser diseñado de talmanera que reproduzca hasta donde sea posible las condiciones de servicioes decir: tensiones, frecuencia, distribución de tensiones, vibraciones.

También denominado resistencia a lafatiga, es el valor de tensión que por debajodel cual la rotura por fatiga no ocurrirá;representa el mayor valor de la tensiónfluctuante que no produciría la rotura en unnumero finito de ciclos.Aceros: 35-60% de la resistencia a latracción.Al, Cu, Mg no tienen limite de fatiga.

El nivel de tensiónque produce la roturadespués dedeterminado númerode ciclos

Es el número de ciclospara producir la roturaa un nivel especificadode tensiones

El valor P asociado a cada curva representa la probabilidad de rotura, es decir que a unatensión de 30000 psi, esperaríamos que el 1% de las probetas se rompan después del 106

ciclos y que un 50% se rompan a alrededor de 2x107 ciclos.

Serie de curvas de probabilidad constante

ETAPAS

1. Iniciación de una grieta sobre lasuperficie, generalmente tiempodespués de aplicada la carga. Estagrieta se forma en alguna región dealta concentración de tensiones.

2. Propagación de la grieta, en la queesta avanza en forma gradual en cadaciclo de carga.

3. Rotura del material cuando la seccióntransversal restante del materialresulta demasiado pequeña parasoportar la carga aplicada. Estaocurre rápidamente una vez que lagrieta a alcanzado un tamaño critico.

En la figura se muestra una superficie de fractura de un eje de acero que haexperimentado rotura por fatiga. La región de una superficie de fractura que seformo en la etapa II de propagación puede caracterizarse por dos tipos de marcasdenominadas marcas de playa (marcas de concha de almejas) observadasmacroscópicamente y estrías, observadas microscópicamente.

ETAPASI. ETAPA:Las grietas que originan la rotura o fractura casi siempre nuclean sobre lasuperficie en un punto donde existen concentraciones de tensión (concentrador deesfuerzos originadas por diseño o acabados. Las cargas cíclicas pueden producirdiscontinuidades superficiales microscópicas a partir de escalones producidos pordeslizamiento de dislocaciones, los cuales actuarán como concentradores de latensión y, por tanto, como lugares de nucleación de grietas.II. ETAPA:Fase I: una vez nucleada una grieta, entonces se propaga muy lentamente y, enmetales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de tensión de cizalladuraalta (cortante); las grietas normalmente se extienden en pocos granos en esta fase.Fase II: la velocidad de extensión de la grieta aumenta de manera vertiginosa y en estepunto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzo aplicado para comenzar a crecer endirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta crece por un proceso deenromamiento y agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensión.III. ETAPA: Al mismo tiempo que la grieta aumenta en anchura, el extremo avanzapor continua deformación por cizalladura hasta que alcanza una configuraciónenromada. Se alcanza una dimensión crítica de la grieta y se produce la rotura. Laregión de una superficie de fractura que se formó durante la etapa II de propagaciónpuede caracterizarse por dos tipos de marcas, denominadas marcas de playa y estrías.Ambas indican la posición del extremo de la grieta en diferentes instantes y tienen elaspecto de crestas concéntricas que se expanden desde los puntos de iniciación. Lasmarcas de playa son macroscópicas y pueden verse a simple vista. Las marcas deplaya y estrías no aparecen en roturas rápidas.

Son diversos los factores que intervienen en un proceso de rotura por fatiga a parte de las tensiones aplicadas. Asípues, el diseño, tratamiento superficial y endurecimiento superficial pueden tener una importancia relativa.DISEÑOEl diseño tiene una influencia grande en la rotura de fatiga. Cualquier discontinuidad geométrica actúa comoconcentrador de tensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más aguda es ladiscontinuidad, más severa es la concentración de tensiones. La probabilidad de rotura por fatiga puede serreducida evitando estas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones en el diseño, eliminandocambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadascon radios de curvatura grandes.TRATAMIENTOS SUPERFICIALESEn las operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y surcos en la superficie de la pieza por accióndel corte. Estas marcas limitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son mucho más fáciles deaumentar. Mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta la vida a fatiga. Uno de los métodosmás efectivos de aumentar el rendimiento es mediante esfuerzos residuales de compresión dentro de una capadelgada superficial. Cualquier tensión externa de tracción es parcialmente contrarrestada y reducida en magnitudpor el esfuerzo residual de compresión. El efecto neto es que la probabilidad de nucleación de la grieta, y portanto de rotura por fatiga se reduce. Este proceso se llama «granallado» o «perdigonado». Partículas pequeñas yduras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 mm son proyectadas a altas velocidades sobre la superficie a tratar.Esta deformación induce tensiones residuales de compresión.ENDURECIMIENTO SUPERFICIALEs una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados. Estose lleva a cabo mediante procesos de carburación y nitruración, en los cuales un componente es expuesto a unaatmósfera rica en carbono o en nitrógeno a temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono ennitrógeno es introducida por difusión atómica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es normalmente de 1mm deprofundidad y es más dura que el material del núcleo. La mejora en las propiedades de fatiga proviene del aumentode dureza dentro de la capa, así como de las tensiones residuales de compresión que se originan en el proceso decementación y nitruración.

INFLUENCIA DEL MEDIOEl medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales. Hay dos tiposde fatiga por el medio: fatiga térmica y fatiga con corrosión.Fatiga térmicaLa fatiga térmica se induce normalmente a temperaturas elevadas debido atensiones térmicas fluctuantes; no es necesario que estén presentes tensionesmecánicas de origen externo. La causa de estas tensiones térmicas es la restriccióna la dilatación y o contracción que normalmente ocurren en piezas estructuralessometidas a variaciones de temperatura.Fatiga por corrosiónLa fatiga con corrosión ocurre por acción de una tensión cíclica y ataque químicosimultáneo. Lógicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa yreducen la vida a fatiga, incluso la atmósfera normal afecta a algunos materiales. Aconsecuencia pueden producirse pequeñas fisuras o picaduras que se comportaráncomo concentradoras de tensiones originando grietas. La de propagación tambiénaumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo también corroerá elinterior de la grieta produciendo nuevos concentradores de tensión.

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS:

Son las propiedades que permiten evaluar la aptitud de un material paraser sometido a los procesos tecnológicos que se usan para dar forma auna pieza o estructura a partir de ese material. En general se trata depropiedades complejas en donde no solo están involucradaspropiedades intrínsecas del material sino también variables operativas delproceso de conformado.

Procesos deConformado

Geometría

Material(propiedades)

Pieza(función)

PROPIEDADES TECNOLÓGICAS:

Conformabilidad: aptitud para ser sometido a procesos deconformado por deformación plástica (en frío o en caliente) sinarranque de viruta.Soldabilidad: aptitud para ser sometido a procesos de uniónmediante la acción del calor.Maquinabilidad: aptitud para ser sometido a los procesos deconformado con arranque de viruta.Colabilidad: aptitud para ser sometido a los procesos deconformado mediante el llenado (vaciado o colado) del material enestado líquido en un molde (cavidad con la forma deseada).

Principales propiedades tecnológicas:

Cuanto mejor sea una propiedad tecnológica determinada, menor seráel costo para fabricar una pieza según el proceso correspondiente, ymayor será la calidad del producto obtenido (reducción de defectos defabricación).La reducción de los costos tiene que ver con la reducción deprecauciones especiales en el proceso, disminución de la cantidad depasos o etapas necesarios para llegar a la forma final, y la reducción delos costos del herramental usado.

En resumen:Al mejorar las propiedades tecnológicas se reducen los costos defabricación y se mejora la calidad del producto.

Colado en moldes: el metal fundido es vertido en una cavidad que tiene laforma deseada (molde). Luego de la solidificación se extrae la pieza colada.Los lingotes son piezas coladas que luego serán sometidas a procesos deconformado por deformación plástica para fabricar otros productos, el restode las piezas coladas no son sometidas en general a tales procesos.

PROCESOS DE CONFORMADO MÁS UTILIZADOS

Procesos de colado de lingotes

Conformado plástico:El material sufre una deformación plástica mediante la acción de cargasaplicadas a través de herramientas adecuadas. No hay extracción dematerial en forma de viruta.

Procesos de conformado plástico

Procesos de Laminación

Es el proceso que reduce el espesor ocambia la sección de un producto opieza larga mediante fuerzas decompresión que se aplican medianteun juego de cilindros. Es el proceso demayor uso, el 90% de todos losproductos metálicos son laminados.

Dr. Norberto D. Ñique G.

Es el proceso que reduce el espesor o cambia la sección de unproducto o pieza larga mediante fuerzas de compresión que se aplicanmediante un juego de cilindros. Es el proceso de mayor uso, el 90% detodos los productos metálicos son laminados.Puede realizarse en frío o en caliente y produce productos planos , noplanos y huecos, pero en todos los casos largos y de secciónconstante.

Es un proceso de muy altaproductividad y por eso esutilizado en productos que sefabrican en mediana o gran escala.Requiere gran inversión de capitalpero tiene un costo de mano deobra bajo a medio.

Forja Comprende varios procesos que aplican fuerzas decompresión mediante diferentes tipos de matrices yherramientas (yunques, martillos, punzones). Adiferencia de la laminación, la forja produce piezasdiscretas (no de sección constante y gran longitudcomo en la laminación).Puede realizarse en caliente o en frío y generalmenterequiere operaciones adicionales como mecanizado.El proceso de forja más simple es la denominada forjalibre donde el metal se sitúa entre dos matrices(generalmente planas) y se somete a compresiónreduciendo su altura y ensanchándose libremente(upsetting).

Forja con estampas (impression-die,close-die forging)

Trefilado Es un proceso donde la sección de un alambrón, barra, tubo,o un alambre es reducida cuando pasa a través de unamatriz que tiene forma de boquilla (trefila). El producto esobligado a pasar aplicando cargas de tracción medianteadecuadas mordazas que lo traccionan.En el caso de los tubos se puede reducir tanto su diámetrocomo su espesor.Se aplica para productos de sección constante y de granlongitud y es un proceso de muy alta productividad convelocidades de hasta 50 m/s en productos finos.

Extrusión En el proceso de extrusión el material, usualmenteconfinado dentro de una prensa de extrusión, esforzado a pasar por una matriz mediante fuerzas decompresión, del mismo modo que ocurre cuando seaprieta un pomo de pasta dentrífica o un sachet demayonesa.El proceso puede realizarse en caliente o en frío ypermite obtener casi cualquier forma maciza ohueca. En el caso de la extrusión en caliente losproductos obtenidos son largos y de secciónconstante.


EmbutidoEn este proceso un punzón obliga a unrecorte de chapa a introducirse en una matrizcon una cavidad. Esto permite obtener piezasde chapa con cierta profundidad en formaacopada (latas, cacerolas, bandejas, bachas,envases, copas, etc). La fuerza que se aplicaa través del punzón genera un estado detracción biaxial en el fondo de la pieza y ensus paredes.


En este proceso un recorte de chapa essometido a tracción al tiempo que es obligadoa adoptar la forma de una matriz. Entre otrasaplicaciones, se usa para los paneles de lasalas de aviones, los panales de carrocería deautos, y para marcos de ventana.Es un proceso muy versátil y económicoaunque tiene limitaciones en las geometríasobtenibles.

Estirado

Doblado

Es una de las operaciones másutilizadas en el conformado dechapas. No sólo sirve para formarpliegues, pestañas y corrugados,sino también para aumentar larigidez de la pieza.

Procesos donde lainteracción entre elmaterial y unaherramienta adecuada(herramienta de corte)hace que parte delmaterial sea separadoen forma de viruta.

Maquinado omecanizado:

Pulvimetalurgia:Se parte el material en forma de polvos finos que son compactados en unmolde adecuado y luego sometidos a una sinterización a alta T para lograrla unión metalúrgica entre las partículas del polvo.

Procesos de unión por soldadura:Son procesos de unión entre partes previamente conformadas. Conmucha menor frecuencia se usan para conformar piezas (weld shaping). Launión se basa en la acción del calor que es aportado externamente (por ej.por la acción de un arco voltaico) o bien se genera por algún procesofisicoquímico (fricción, reacción química exotérmica, efecto Joule, etc).Puede o no haber fusión del material.

Cada uno de estos procesos tiene un rango de aplicación definidodependiendo de:

• la geometría deseada• el tamaño de la pieza• el volumen de producción• el tipo de material a que se aplicará• la calidad superficial requerida• las tolerancias dimensionales• las propiedades exigidas.

En general, para la fabricación de una pieza se utiliza una combinaciónadecuada de varios de estos procesos.

Nueve clases de procesos de manufactura, se observa un conformadoprimario y luego un secundario para culminar en un acabado.

Bibliografía

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Instituto J. Sábato.2. “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. W. Callister. 194-199; 216-225;

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propiedades mecanicas y tecnologicas 2014

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