EL ENSAYO DE TRACCIN. Introduccin. Justificacin.En la mayora de
las ocasiones, los materiales metlicos se emplean con fines
estructurales. Es decir, los componentes fabricados con metales
deben responder de forma adecuada a determinadas situaciones
mecnicas. La expresin de responder de forma adecuada puede
entenderse en muy diferentes sentidos. As, en muchos casos,
significa no fallar en servicio, pero en otros como, por ejemplo,
un fusible mecnico, puede significar lo contrario.En mltiples
aplicaciones el factor que limita la vida til de un componente no
es su fractura, si no que puede ser cierto grado de desgaste o el
desarrollo de una grieta de cierto tamao. El abanico de
posibilidades se abre aun mas cuando se considera la naturaleza de
las solicitaciones mecnicas que deben de ser soportadas. stas
pueden ser constantes en el tiempo o variables, en este ltimo caso,
la velocidad de variacin puede ser reducida o elevada, pueden
actuar de forma localizada o distribuida en el material. Y, en este
ltimo caso, la distribucin de esfuerzos puede ser uniforme o
no.Todo lo expuesto anteriormente, hay que aadir la que surge de la
consideracin de otras etapas de la vida de una pieza como, por
ejemplo, su conformacin. En ciertos procesos de fabricacin, se
confiere su forma a los productos metlicos por deformacin plstica.
Para determinar cules son las condiciones ptimas de trabajo en
estos casos, es necesario conocer cul es la relacin entre los
esfuerzos que se aplican y las deformaciones que se producen y cual
es la mxima deformacin que admite el material sin llegar a romper.
El ensayo de traccin.Este ensayo permite obtener informacin sobre
la capacidad de un material para soportar la accin de cargas
estticas o de cargas que varan lentamente a temperaturas homologas
inferiores a 0,5(parmetro adimensional que se define como el
cociente entre las temperaturas de ensayo y de fusin). Como los
componentes metlicos se proyectan en la mayora de las ocasiones
para trabajar en estas condiciones, probablemente este es el ms
popular entre los ensayos que permiten caracterizar el
comportamiento mecnico de un material metlico.El ensayo se realiza
alargando una probeta de geometra normalizada, con una longitud
inicial Lo, que se ha amarrado entre las mordazas de una mquina,
segn el esquema que se muestra a continuacin. Una de las mordazas
de la mquina esta unida al cabezal mvil y se desplaza respecto a la
otra con velocidad constante durante la realizacin del ensayo. Las
mquinas de ensayo disponen de sistemas de medida, clulas de carga y
extensmetros, que permiten registrar la fuerza aplicada y la
deformacin producida mientras las mordazas se estn separando.
2.1 Procedimiento.Si han de tomarse mediciones de alargamiento,
lo primero es marcar el tramo de calibracin. Si las marcas se hacen
rayando el material, estas marcas han de ser ligeras para no
daarlo.Antes de usar la mquina por primera vez, el operador debe
familiarizarse con ella. Se debe comprobar el estado inicial de la
mquina y hacer los ajustes necesarios.Se colocan la probeta en los
dispositivos de sujecin (mordazas), y se ha de comprobar la
correcta sujecin y posicionamiento. La velocidad del ensayo no debe
ser superior que aquella de la cual las lecturas de carga y otras
que puedan tomarse, permitan una medicin un grado de exactitud
adecuado.Despus que la probeta ha fallado, se retira esta de la
mquina de ensayo. Se toman las mediciones de los valores de
alargamiento. Los extremos rotos de la probeta se juntan, y se mide
la distancia entre los puntos de referencia. Tambin se mide el
dimetro de la seccin ms pequea.* La curva
tensin-deformacinresultante del ensayo se construye representando
la tensin, , que es la razn de la fuerza aplicada a la seccin recta
inicial de la probeta, So, frente al alargamiento, , que se define
como la extensin porcentual referida a la longitud inicial
(L-Lo)/Lo x 100.2.2 Requerimientos para probetas de ensayo.Ciertos
requerimientos fundamentales pueden establecerse y ciertas formas
de probeta se acostumbran a usar para tipos particulares de
ensayos. La seccin transversal de la probeta es redonda, cuadrada o
rectangular. Para los metales, si una pieza de suficiente grueso
puede obtenerse de manera sencilla, se usa habitualmente una
probeta redonda; para lminas y placas se emplea una probeta
plana.La porcin central del tramo es usualmente, pero no siempre,
de seccin menor que los extremos para provocar que el fallo ocurra
en una seccin donde los esfuerzos no resulten afectados por los
dispositivos de sujecin. Se define como tramo de calibracin aquel
sobre el cual se toman las mediciones de alargamiento o
extensmetro.La forma de los extremos debe de ser adecuada al
material, y se ha de ajustar al dispositivo de sujecin a emplear.
Los extremos de las probetas redondas pueden ser simples,
cabeceados o roscados. La relacin entre el dimetro o ancho del
extremo, y, el dimetro de la seccin reducida ha de valorarse en
materiales quebradizos para evitar la rotura debida al esfuerzo
axial y los esfuerzos debidos a la accin de las mordazas.Una
probeta debe de ser simtrica con respecto a un eje longitudinal
durante toda su longitud para evitar la flexin durante la aplicacin
de carga.2.3 Propiedades ms importantes que se pueden medir en la
curva tensin deformacin: Modulo elstico o modulo de Young, E.El
tramo inicial de la curva, que generalmente es recto, da informacin
del comportamiento elstico del material, es decir sobre la relacin
entre esfuerzos y deformaciones cuando estas son recuperables. La
pendiente del tramo inicial de la curva es una medida de rigidez
del material. De dos piezas con la misma geometra, sometidas a la
misma solicitacin mecnica y fabricadas con diferentes materiales
que trabajen dentro del campo elstico, aquella con mayor modulo ser
la que presente menores deformaciones.1. El lmite elstico.Es la
tensin mnima que hay que aplicar para que aparezcan deformaciones
permanentes en el material. Se define el limite elstico
convencional, Rp, como el esfuerzo necesario para provocar una
deformacin plstica predefinida. Esta propiedad juega un papel de
gran importancia en el proyecto mecnico, porque en la gran mayora
de las ocasiones, las piezas se calculan para que no sufran
deformaciones permanentes en servicio y, en consecuencia, se debe
garantizar que las tensiones que actan cuando la pieza trabaja no
superan el lmite elstico.1. La resistencia a la traccin,
Rm.Coincide con el valor mximo del esfuerzo y es la tensin que hay
que aplicar para que se produzca la rotura de la probeta en las
condiciones del ensayo. Mientras la tensin aplicada es menor a RM,
la deformacin es uniforme, pero al alcanzar esta tensin comienza a
desarrollarse un cuello en la probeta. La reduccin localizada de
seccin hace que la tensin que acta en esa seccin crezca localmente
lo que provoca un nuevo aumento del alargamiento en la zona del
cuello con la consiguiente cada de la tensin nominal. Este proceso
continua hasta que la seccin no es capaz de seguir deformndose y se
produce la fractura. La carga de rotura es una propiedad que tambin
se puede utilizar para el calculo de piezas que trabajan sometidas
a esfuerzos aunque, en la actualidad, se tiende a emplear
preferentemente el lmite elstico.1. El alargamiento a la rotura,
At.Es la extensin que presenta la probeta tras el fallo. Esta
propiedad es una medida indirecta de la ductilidad del material. Un
alargamiento a la rotura elevado es una propiedad deseable porque
los materiales con esta propiedad admiten deformaciones plsticas
importantes, cuya observacin, en muchas ocasiones, permite adoptar
medidas correctoras con anterioridad a la fractura. Adems, el
alargamiento a la rotura es tambin un indicador de la capacidad del
material para ser conformado por deformacin a la temperatura de
ensayo.1. La estriccin, Z.Es la relacin entre las reas de las
secciones rectas de rotura e inicial. La estriccin esta relacionada
con el alargamiento a la rotura de modo que cuando este crece,
aquella aumenta.* Las mquinasque se utilizan para llevar a cabo los
ensayos de traccin disponen de un conjunto muy amplio de accesorios
que permiten la aplicacin de solicitaciones de diferente naturaleza
y la realizacin de ensayos de muchos otros tipos como, por ejemplo,
compresin, flexin, plegado, cortadura, etc. Por esta razn estos
equipos se conocen con el nombre de mquinas universales de ensayo o
dinammetros universales. Si bien estas pruebas son fundamentales en
ocasiones para seleccionar el material adecuado a cierta aplicacin
o como mtodo de control de calidad, su empleo es mucho menos
frecuente que el del ensayo de traccin.
INGENIERA DE MATERIALES(APUNTES)1.- Clasificacin de los
materiales:Existen muchas formas de clasificar los materiales. La
ms comn los divide en metales, materiales cermicos, polmeros y
materiales compuestos (o composites).Otra clasificacin los divide
en materialesESTRUCTURALESy en materialesFUNCIONALES.Unmaterial
estructuralse va a elegir por sus propiedades mecnicas masivas y
por sus propiedades superficiales.Ejemplos: Hormign y
Acero.Propiedades mecnicas masivas: Rigidez; Elasticidad;
Resistencia mecnica; Tenacidad.Propiedades superficiales:
Comportamiento frente a la friccin, desgaste, oxidacin,
corrosin.Losmateriales funcionalesson aquellos cuya produccin
ponderal es menor que la de los estructurales y cuyo precio
unitario acostumbra a ser elevado. Estos materiales se seleccionan
por sus propiedades elctricas o electrnicas (Conductividad;
Superconductividad; Semiconductividad); magnticas, termoinicas,
radiactivas y biocompatibles.PROPIEDADES MECNICAS: Capacidad que
tienen los materiales para resistir fuerzas o cargas. Se clasifican
en dos grupos: Las que tienen que ver con la resistencia miden la
aptitud de los materiales para resistir cargas estticas o cargas
aplicadas a baja velocidad. Sondurezayresistencia. Las que tienen
que ver con la deformabilidad del material miden la capacidad para
resistir cargas dinmicas sin llegar a romperse ni a deformarse.
Sontenacidadyductilidad.ENSAYOS DE DUREZALadureza, desde un punto
de vista fsico, se puede definir como la resistencia que oponen los
cuerpos a la deformacin. De esta definicin general se derivan tres
tipos de medida de durezas: Resistencia al rayado (Mineraloga):
Clasifica a los minerales por la resistencia a rayarse unos a otros
(Escala de Mohs). Existe oto concepto de dureza y es el que se
refiere a la capacidad de devolucin de energa elstica que tienen
los cuerpos. Es conocido que de forma relativa para un determinado
material, la capacidad de devolucin de energa elstica, dEe, est
correlacionada directamente con el grado de endurecimiento, gH, es
decir:DEe=f(gH)Existen ensayos de dureza basados en este principio
(devolucin de energa), que recoge la informacin aportada por el
ensayo de traccin, slo en su zona elstica (ENSAYO SHORE). LaCiencia
de Materialesrestringe algo ms el concepto para definirlo como la
resistencia, cuantificada, que opone un cuerpo a la deformacin
permanente en su superficie. La dureza de un metal se mide por su
resistencia a la penetracin superficial por otro cuerpo ms duro.
Bajo esta definicin la cuantificacin de la dureza se realiza sobre
la base de la medicin de los parmetros de una huella, de tal modo
que dureza, H, y dimensin de huella, h, estarn correlacionadas
inversamente; es decir:H=f(1/h)ENSAYO DE DUREZA BRINELL: En funcin
de la norma, la forma de expresar la dureza va cambiando:X HBW
d(mm)/P(kg)/t(s)X es el valor de la dureza del material (escala
Brinell)HBW indica ensayo Brinell con identador de carburo de
tungsteno.d es el dimetro de la esfera (identador) en mm.P es la
carga aplicada en kg.t es el tiempo de aplicacin de la carga en
segundos.Ejemplo: 70 HBW 10/3000/20Nota: Si realizamos el ensayo
con la carga en Newtons, es necesario multiplicar por una constante
de conversin para tener el valor en kg/(mm2). La constante vale
0,102 (=1/9,806 Inversa de la Aceleracin de la Gravedad).La
durezanotiene dimensiones. Se utiliza como dato comparativo.El rea
que genera la esfera no es un concepto que exprese perfectamente
una presin media por unidad de superficie. MEYER demostr que para
tener una presin media idntica en dos huellas hechas por esferas de
diferente tamao debemos tener el mismo ngulo en las esferas
(referencia en transparencias de clase). Buscamos huellas que sean
geomtricamente semejantes.Tambin existen condiciones imponibles a
las muestras, que deben estar limpias, libres de cualquier resto de
grasa u xido. Estamos midiendo la diagonal (dimetro) del casquete
esfrico (huella), y a partir de esto calculamos el valor de la
dureza. Otra de las exigencias es el espesor mnimo de la muestra,
que se debe consultar en una tabla normalizada, que relaciona la
profundidad de la huella con el dimetro de la misma y con la carga
aplicada.CARGA DE ENSAYO:Se ha comprobado que la mayor precisin de
los resultados se obtiene cuando el ngulo de huella es
aproximadamente igual a 136, que corresponde a una relacin
d/D=0,375. Como esto no es posible de obtener con semejante
exactitud por procedimientos convencionales, se ampli el intervalo
de la relacin d/D a:0,6>d/D>0,24que corresponde
a:0,6*D>d>0,24*DLa distancia entre centros de huellas debe
ser alta debido a la acritud o aumento de dureza producido por la
deformacin en fro del material al generar las huellas.Estos
resultados de dureza son vlidos hasta un valor de 650 en la Escala
de Brinell. A partir de ah no se puede dar validez a los resultados
obtenidos. Se dice que NO SON REPRODUCIBLES.Para que exista
semejanza geomtrica debe verificarse una relacin carga-dimetro, de
la forma:P/D2=k con k=cte.ENSAYO DE DUREZA VICKERS: La huella que
deja el identador en la muestra tiene forma de pirmide recta, y se
eligi de esta forma debido a lo siguiente:1. Se deforma poco el
material.1. Se simplifican los clculos del rea de la huella.1. Da
una correlacin entre los valores de dureza Vickers y Brinell que
son iguales hasta 250, y casi iguales hasta 300.El concepto de
dureza en este ensayo es igual que en el ensayo Brinell (Relacin
entre carga aplicada y rea de la huella). Slo necesitamos
determinar la diagonal del cuadrado (que es la superficie de la
huella) para calcular el rea de la huella. Para ello es necesario
conocer adems que el ngulo entre caras opuestas es de 136.La dureza
Vickers viene dada por la expresin:HV=P/ANORMATIVA: Expresin de la
dureza Vickers.X HV P(kg)/t(s)X es el valor de la dureza en el
ensayo Vickers.HV indica el tipo de ensayo (ensayo de dureza
Vickers)P es la carga aplicada en kg.t es el tiempo de aplicacin de
la carga en segundos.Ejemplo: 100 HV 50/25El factor de conversin
para obtener las unidades deseadas si el ensayo se realiza en
Newtons es C=0,1891.La superficie debe estar limpia (al igual que
en el ensayo Brinell) y adems el acabado superficial debe ser mayor
(PULIDO) debido a que la huella producida por el identador es muy
pequea. Tambin es necesario un espesor mnimo de la muestra y una
cierta distancia entre los centros de las huellas, que ser mayor
cuanto ms blandos sean los materiales.Si aplicamos el mtodo a una
superficie curva, para determinar el valor de la dureza hay que
aplicar una serie de factores de correccin.Debido a la geometra del
identador en el ensayo Vickers, las huellas son siempre
geomtricamente semejantes, por lo que el valor de la dureza es
independiente de la fuerza aplicada. Esto se verifica para valores
altos de la carga (hasta 5kg). Por debajo de este valor las huellas
yanoson geomtricamente semejantes.Entre 5kg y 200g.Entre 200g y 10g
(Ensayos de Microdureza).NORMAS:UNE-> Unin de Normas
Espaolas.EN-> Traduccin de la Norma Europea.ISO-> Norma
Internacional.ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL: La dureza viene expresada
en funcin de la profundidad remanente de la huella. El valor de la
dureza est relacionado con este parmetro.La huella la vamos a
generar aplicando dos cargas consecutivas. La profundidad remanente
la vamos a medir en condiciones en las que la primera carga todava
sigue actuando.Hay dos tipos de identador (cono de diamante y
esfera de carburo de tungsteno), y tambin hay varios tipos de
escala (vanse fotocopias de transparencias).Ensayos derivados:
Existen dos tipos de ensayo (NORMALySUPERFICIAL).La razn de aplicar
dos cargas es la siguiente:La primera carga es pequea y tiene
carcter preliminar. Sirve para determinar el fondo o inicio de
escala (carga F0), y genera una huella con una profundidad h0.
Ahora aplicamos una nueva carga F1 de forma sucesiva, manteniendo
siempre aplicada la carga F0. Despus se retira la carga F1 y se
produce una cierta recuperacin elstica, quedando una profundidad de
huella que llamamos h.Denominamos como valor de la dureza a la
diferencia entre la profundidad total de la escala y el valor de la
profundidad remanente h.Este ensayo nos proporciona una elevada
precisin. Adems, no todas las escalas tienen la misma
separacin.N-> Valor de toda la escala.Dureza Rockwell=N-h/SLa
lectura que proporciona el durmetro nos da directamente el valor de
la dureza. Dicho valor hay que leerlo a partir de la primera carga
aplicada.S=0,002 a 0,001 dependiendo de la escala.Las escalas A, C
y D tienen como identador el cono de diamante. Se elige la escala
en funcin del material a analizar y de las cargas a aplicar. La
primera carga preliminar es idntica para todas las escalas (fondo
de escala igual para todas). Vara por tanto la carga F1, que es la
segunda carga aplicada.Las escalas estn correlacionadas. Se han
hecho varias escalas para poder barrer todo el espectro de
materiales existentes, es decir, para poder estudiar la dureza de
todos los tipos de material existentes.Para este mtodo la rugosidad
superficial no tiene tanta importancia como para otros ensayos,
debido a que la primera carga se aplica para evitar los problemas
derivados de la rugosidad superficial. Por lo tanto slo afecta la
suciedad o impurezas de la superficie.Ventajas: (Transparencia
7c)1. No-necesidad de medir dimetros.1. Mayor precisin en la medida
que en el resto de ensayos.1. Etc.-MICRODUREZA-Este ensayo consiste
en generar una huella muy pequea para medir la dureza de zonas de
pequeo tamao. Esto se hace aplicando cargas muy pequeas. Sonensayos
de precisin. Se utilizan por ejemplo en metalurgia para evaluar la
dureza entre fases diferentes o para analizar la dureza de un
recubrimiento (como son los galvanizados). Tambin se utiliza para
testear materiales cermicos, que son muy frgiles.El principal
inconveniente es que necesitan una gran preparacin superficial,
llegando al PULIDO metalogrfico, tambin denominado acabado
especular.Tenemos dos clases de ensayos de microdureza. El Vickers
utiliza un identador piramidal de base cuadrada. Las ltimas normas
limitan el campo de aplicacin a cargas de un valor situado entre 10
y 200 gramos.ASTM-> Norma americana (entre 1 y 1000 gramos)El
otro ensayo es elensayo knoop. Utiliza como identador una pirmide
de diamante con ngulos entre aristas de 17230' y 130 (vanse
transparencias de clase). En este ensayo se calcula la superficie a
partir de la diagonal principal.Nota: La dureza no tiene unidades,
aunque el valor corresponde a dividir kg por mm2. [ver
transparencia 13]En ninguno de estos ensayos son comparables los
valores a no ser que se haya realizado con la misma carga, es
decir; las huellasnoson geomtricamente semejantes.PROPIEDADES
MECNICAS DE LOS MATERIALESENSAYO DE TRACCINEl ensayo de traccin
consiste en someter a una probeta metlica de geometra definida a un
esfuerzo suficiente para llevar a la probeta a rotura. Dicho
esfuerzo es un esfuerzo axial de traccin.Para ello necesitamos una
mquina (prensa hidrulica) que pueda provocar la fractura en la
probeta y permita controlar la velocidad de deformacin, y tambin
registrar las fuerzas aplicadas (F) y los alargamientos (L) de la
probeta. Las probetas estn normalizadas. Existe una relacin entre
la seccin de la probeta y una serie de puntos que se van midiendo a
lo largo del ensayo.(Vase la figura 1 en los anexos)El ngulo
producido al estirarse la probeta debe ser suave y agudo para que
no acte como concentrador de cargas.L0-> Distancia inicial entre
los dos puntos de la probeta elegidos para medir.(Vase figura 1)La
figura 1 es similar a la que aparece en la parte inferior de la
pgina 115 del libro de Callister.Curvas: F(kN)-L(mm)(MPa)-
[Tensin-Deformacin]A partir de la curva F-L se dibuja la otra curva
(Tensin-Deformacin) que representa la carga instantnea dividida por
la seccin inicial de la probeta, yla deformacines el alargamiento
dividido entre la longitud inicial de la probeta (magnitud
ADIMENSIONAL).Esta curva (-) se denomina curva convencional. En
ella se aprecian dos zonas claramente diferenciadas:En el primer
tramo existe una correlacin lineal o cuasi-lineal entre la tensin y
la deformacin (zona elstica). La deformacin producida no es
permanente, ya que una vez cesada la carga el material recupera la
forma inicial.La constante que correlaciona estas dos variables (-)
a lo largo de la zona elstica se denomina mdulo de Young () y es la
tg ( es el ngulo entre la curva y el eje de abcisas). El mdulo de
Young es un indicador de la rigidez del material (si aumentamos
aumentaremos tambin la rigidez). Mide la resistencia de los enlaces
interatmicos del material. se mantiene constante cuando el material
se encuentra aleado, ya que el valor del mdulo de Young no depende
de la fase, de si el material est aleado, recocido, etc. Lo que
realmente afecta al mdulo de Young es la temperatura (Vanse
fotocopias).El mdulo de Young vale igual para clculos de
resistencia a compresin como a traccin. Por convenio, en el ensayo
de compresin se tomarn como negativos los valores de las fuerzas y
deformaciones.Hay materiales en los que la curva no es lineal en su
zona elstica (hoja 6 fotocopias de clase).Ejemplo: Hormign.Hay que
determinar elmdulo secantey elmdulo tangente.Mdulo
secante:Pendiente de la recta secante entre dos puntos de la
curva.Mdulo tangente:Pendiente de la recta tangente a la curva en
un punto determinado.PROPIEDADES ELSTICAS:El coeficiente de Poisson
relaciona la contraccin relativa de una seccin transversal y el
alargamiento relativo de la seccin longitudinal.(Vase figura 2)Esta
figura es la misma que aparece en la pgina 123 del libro de
Callister en la parte inferior de la pgina 9 de los apuntes de esta
asignatura que se encuentran en la
direccin:http://pagina.de/minasvigoMaterial istropo: Es aqul en el
cual las propiedades mecnicas son las mismas en todas las
direcciones.Deformacin de cizalla: =a/h=tgTensin de cizalla:
=G*(Vase la figura 3)Esta figura es un diagrama de cmo la
deformacin producida por una tensin de cizalla afecta al material,
desplazando una partcula situada a una altura h a una distancia a
de su posicin inicial.Nota: En la mayora de los materiales G"0,4*
(G es el mdulo de cizalla). Esto nos permite obtener una constante
a partir de la otra.Anelasticidad: La deformacin elstica depende
del tiempo. Aparece en determinados materiales (obsrvese el caso de
los polmeros). Al dejar de aplicar una carga, el material sigue
deformndose durante un periodo de tiempo. Lo mismo ocurre al
eliminar la carga, ya que tarda un tiempo en recuperar su forma
inicial.El ensayo de traccin fue diseado para conseguir que la
velocidad de deformacin sea constante, ya que es este parmetro el
que realmente controlamos en el ensayo.Superada la zona elstica se
producen una serie de deformaciones que permanecen una vez retirada
la carga (zona plstica). El lmite que separa estas zonas no est
definido claramente. En la zona plstica hay rotura de enlaces y
formacin de otros nuevos. Nos interesa que la mayor parte de las
estructurasnopasen de la zona elstica, luego es muy importante
definir los lmites entre zonas.Lmite elstico convencional: Es la
carga unitaria definida para la cual se produce una deformacin
plstica (expresada en %) prefijada. Es una medida de la resistencia
a la deformacin plstica. Es comn el lmite del 0,2%.En algunos
materiales la variacin de zonas es muy abrupta (zona de cedencia).
Se definen dos lmites: el lmite superior de cedencia y el lmite
inferior de cedencia.Norma aplicada: EN 10002-1 (1990)La zona de
cedencia aparece en los aceros al carbn endurecidos por nitrgeno.
Se producen unas rayas caractersticas en la probeta, con un ngulo
de 45 con respecto al eje de traccin.1. El lmite elstico
convencional se calcula trazando una lnea inclinada paralela a la
zona elstica desde el alargamiento en % que queremos
calcular.Resistencia a la traccin: Es la carga nominal o unitaria
mxima que soporta la probeta. Es un parmetro de diseo. Estos
valores varan mucho segn el tipo de material (ver tablas en
fotocopias de clase), si estn aleados, si han sido tratados
trmicamente, etc.DUCTILIDAD: Medida del grado en que un material es
capaz de deformarse plsticamente. Esta propiedad se evala por medio
del ensayo de traccin mediante dos parmetros, que son
elalargamiento porcentual de rotura(A) y elcoeficiente de
estriccin(z). [Ver las fotocopias]Nota: El alargamiento depende
tanto de L0 como de S0.,-LEY DE BARBA-a,c:Parmetros que dependen
del material (son constantes)S0,L0:Variables (Consultar anexo;
ejercicios)Para que dos probetas de distintas dimensiones den lugar
a un alargamiento semejante debe verificarse la ley de semejanza
geomtrica, esto es:S0/( L0)2=S1/(L1)2=k en general k=5,65Entonces
se podrn comparar los alargamientos.Estriccin: Variacin de la
seccin de la probeta por unidades de seccin inicial (en %). No
depende de S0 ni de L0.El opuesto a un material dctil es un
material frgil. Su deformacin a la fractura es inferior a un
5%.EFECTO DE RESILIENCIA:Es la capacidad que tiene un material para
absorber energa elstica cuando es deformado y de ceder esta energa
cuando dejamos de aplicar la carga. La propiedad asociada a este
efecto es elmdulo de resiliencia, que lo definimos como energa de
deformacin por unidad de volumen que se requiere para deformar el
material hasta su lmite elstico.Matemticamente este mdulo UR se
expresa como la integral entre 0 y Y del producto *d y las unidades
se expresan en Pascales.(Ver figura 4 y desarrollo de la
expresin)Un material de alta resiliencia necesita un mdulo de Young
bajo y un lmite elstico elevado.Tenacidad: Se puede definir como la
resistencia del material a agrietarse rpidamente, o tambin como la
capacidad de absorber energa plstica antes de fracturarse.En el
ensayo de traccin (ensayo realizado a baja velocidad de deformacin)
se puede evaluar la tenacidad como el rea que hay debajo de la
curva -. Se trata de una energa por unidad de volumen.La tenacidad
es mayor cuando se alcanza un compromiso entre una buena
resistencia y una buena ductilidad. Un material puede ser dctil
pero no tenaz, o puede ser resistente pero no ser tenaz.(Ver figura
5)Explicacin de esta figuraLa figura 5 muestra un diagrama - en el
que aparecen tres tipos de materiales. El primero posee una elevada
resistencia a la traccin (RT ordenada mxima) pero baja deformacin;
es muy resistente pero poco tenaz. El segundo posee buenas
cualidades de resistencia a la traccin y de deformabilidad, luego
es muy tenaz. El tercero es altamente deformable pero posee muy
poca resistencia; es por tanto muy dctil, pero poco tenaz.En
condiciones de aplicacin de cargas a velocidades altas hay que
recurrir a otros ensayos: Ensayos de flexin por choque con
entalla.Existen estados ms complejos de tensiones.(Curva
convencional y curva real en un material metlico. Vase la figura
6)La curva convencionalnonos proporciona informacin acerca de cmo
son las tensiones y deformaciones reales (R=F/SI; R).Enmascaracin:
El no utilizar una tensin real enmascara que el aumento de acritud
es continuo en todo el ensayo, y nos oculta tambin que para seguir
deformando el material es necesario aplicar una carga
mayor.Deformacin plstica-> Deslizamiento de las dislocaciones.
Las dislocaciones se deslizan por planos de deslizamiento. Los
sistemas de deslizamiento vienen dados por un plano de
deslizamiento (compacto) y por una direccin de deslizamiento
(compacta).SISTEMAS DE DESLIZAMIENTOFCC-----12BCC-----12 24 segn el
metalHC-----3 6 segn el metal(Fuente: Callister pgina 163)Acritud:
Favorece la inmovilidad de las dislocaciones, lo que implica el
impedimento de la deformacin plstica. El esfuerzo real es siempre
creciente.A partir del punto de carga nominal mxima se produce la
estriccin, que es un estrechamiento en la parte central de la
probeta.(Ver la figura 7)En la curva Fuerza-Alargamiento, la fuerza
disminuye despus de aplicar la carga mxima (a partir del punto de
estriccin). Lo que ocurre es que el rea instantnea SI tambin
disminuye, y en mayor medida; por eso:(F!/ SI!!)=R!Alargamiento
remanente: Es hablar de la deformacin convencional multiplicada por
cien (en porcentaje).A=[(LU-L0)/L0]*100Siendo:1. LU la longitud
final entre marcas.1. L0 la longitud inicial entre marcas.1.
(LU-L0)/L0=L/L0= (deformacin convencional)Adems, el alargamiento
remanentenoes aditivo, esto es que si para un tiempo t1 el
alargamiento es:A1=[(L1-L0)/L0]*100=20%Y para un tiempo t1
tenemos:A2=[(L2-L0)/L0]*100=30%Si realizamos la diferencia
A2-A1=10%, que sin embargo no es el alargamiento remanente entre t1
y t2. Lo que tenemos es:A2-A1=[(L2-L1)/L0]*100Este resultado es un
incremento porcentual de longitud referido a la longitud inicial,
que nos proporciona una informacin errnea.Lo que haremos ser
definir unalargamiento real, que nos permita conocer cual es el
incremento de longitud proporcional a un incremento infinitesimal
de la tensin para cada longitud instantnea
LI.R=[(L1-L0)/L0]+[(L2-L1)/L1]+[(L3-L2)/L2]+...Este alargamiento R
es igual a la integral definida entre L0 y L de dL/L, obteniendo
que:R=Ln(L/L0)La ventaja es que si realizamos la deformacin a
traccin y a compresin obtenemos valores idnticos, pero de distinto
signo:Ejemplo: Para un material cualquiera obtenemos 0,69 a traccin
y -0,69 a compresin; en caso de no utilizar deformacin real
obtendramos 1 y -0,5 como resultados.Para deformaciones inferiores
al 10%, los valores del alargamiento y deformacin real son muy
parecidos.Desde el momento en que comienza la deformacin plstica
hasta el inicio de la estriccin en la probeta, el alargamiento es
homogneo, y el volumen de la zona que estamos ensayando se
conserva.S1*L1=S0*L0A partir de la curva F-L se determina la curva
convencional -. Veamos la relacin que tiene esta curva con los
valores reales
(R-R):R=F/SI=(F*LI)/(S0*L0)=(F/S0)*(L0/L0+L/L0)=*(1+)LI=L0+LR=Ln(L/L0)=Ln[(L0+L)/L0]=Ln(L0/L0+L/L0)=Ln(1+)Desde
que comienza la estriccin hasta que se produce la rotura habr que
medir la carga aplicada y la seccin y longitud instantneas.Esta
correlacin anterior era teniendo en cuenta que el volumen era
conservativo, lo que nos permite definir la siguiente correlacin
que slo se cumple cuando el material es poco sensible a la
velocidad de deformacin.Ecuacin de Ludwik(En la zona de
alargamiento homogneo)R=K*(R)NK=Coeficiente de resistencia.n=ndice
de endurecimiento por deformacin ndice de acritud.N y K son
constantes caractersticas que dependen del material y de las
condiciones del ensayo (T, tamao de grano del material,
etc.).CORRECCIONES POR EL CUELLOEn la estriccin tenemos una
distribucin triaxial (mayor grado de complejidad) de tensiones. La
tensin axial en el cuello es ligeramente menor que la que estamos
considerando, por lo que hay que hacer una correccin a la curva
(Vase fotocopia 11b).Log(R)=Log(K)+n*Log(R)A mayor valor de n
indica un mayor endurecimiento por deformacin (acritud) del
material. Esto implica que la tensin necesaria para deformar el
material aumenta tambin.(Vase figura 8)Aunque la acritud es siempre
creciente con la deformacin, el ritmo de acritud no lo es, ya que
inicialmente es ms rpido que al final.A efectos prcticos, para
controlar el valor de n en el ensayo controlamos el tamao de grano,
pero hay otros factores que influyen en n (material con fases
dispersas, endurecimiento por precipitacin,...). N disminuye cuanto
ms resistente sea el material al desplazamiento de las
dislocaciones.FACTORESTipo de soluto sustitucional: En general los
solutos sustitucionales disminuyen el valor de n (son
aleaciones).Presencia de fases dispersas: Mayoritariamente es una
estructura cristalina con micro nanoestructuras de otra fase.
Disminuyen el valor de n.En general, cualquier elemento que aumente
la resistencia del material, haciendo ms difcil el movimiento de
las dislocaciones, hace que n disminuya.Materiales recocidos: n!!M.
trabajados en fro: n!!Para conformar los materiales en fro es
importante que n sea elevado.A partir de la curva real, n es igual
al valor de la deformacin real en el punto de inicio de la
estriccin. Es una buena aproximacin tomar el valor de n como el
valor de la deformacin en el punto de inicio de la estriccin en la
curva convencional.Una informacin similar a la que proporciona n se
obtiene mediante la ecuacin:n"RC/RMSi este cociente es prximo a la
unidad, esto quiere decir que el material adquiere muy poca acritud
con la deformacin, que rompe al pasar de la zona elstica.Si el
cociente es menor que la unidad, significa que el material adquirir
mucha acritud al deformarse.Estriccin: Es el cuello que se forma en
el centro de la probeta a partir del punto de carga mxima. Si el
material es muy dctil, la estriccin es casi un punto. Cuanto ms
dctil sea el material menor va a ser la seccin final cuando rompa
la probeta.NDICE DE ESTRICCINZ=[(S0-SU)/S0]*100Si tuvisemos en
cuenta la carga axial que acta en la zona de estriccin, tendramos
una curva por debajo de la curva real.EFECTO DE LA T EN LA CURVA DE
TRACCINInteresa por que la curva de traccin se utiliza para el
diseo de una pieza de ese material, mediante el clculo de
determinadas propiedades mecnicas. Por eso es interesante saber el
comportamiento del material a diferentes temperaturas.Se pueden
realizar ensayos de traccin a altas temperaturas, mediante una
probeta envuelta en un horno (resistencia, etc.). La temperatura
afecta al material disminuyendo su resistencia y aumentando su
ductilidad, mediante la disminucin aumento de las propiedades
mecnicas relacionadas con stas.Si la temperatura aumenta, podemos
decir que:1. Disminuye el lmite elstico.1. Disminuye la
resistencia.1. Disminuye n.1. Aumenta la ductilidad.Para hacer una
buena comparativa de materiales hay que realizarla a una
temperatura homloga, que es igual a la temperatura de ensayo
dividida por la temperatura de fusin del material.Para comparar
lmites elsticos en materiales sometidos a altas temperaturas hay
que utilizar un factor homologado, que sera el lmite elstico
dividido por el mdulo de Young.Si tratamos de ver la influencia de
la estructura cristalina, podemos diferenciar el siguiente
comportamiento general (con excepciones):FCC: El lmite elstico vara
poco y sin embargo el ndice de acritud vara considerablemente.BCC:
Para estos materiales el lmite elstico vara de forma significativa,
mientras que el ndice de acritud apenas vara.HC ( HCP):
Comportamiento similar al de materiales de estructura FCC,
existiendo sin embargo una gran influencia de las impurezas en el
comportamiento.Lgicamente, el conformado de materiales en caliente
resulta mucho ms fcil debido al aumento de la
ductilidad.Resistencia a la traccin y durezaEs una correlacin
aproximada (ver fotocopia 19). Nos sirve para extrapolar valores
del ensayo de traccin a partir del ensayo de dureza (ms rpido,
sencillo y barato).Para los aceros se da la siguiente correlacin
numrica (Callister):RM(MPa)=3,45*HBAl hacer un ensayo varias veces
nunca obtendremos los mismos resultados; hay que dar un valor
promedio con su desviacin tpica. En la tensin de trabajo hay que
utilizar un factor de seguridad, para sobredimensionar el resultado
obtenido.W=Y/nSiendo n"2Ejemplo de curva de traccin (Vase
anexo).Referencia: Anexo (Ejercicios)FRACTURAPor fractura se
entiende la separacin o fragmentacin de un cuerpo slido en dos o ms
partes bajo la accin de una tensin a temperaturas que estn muy
alejadas de la temperatura de fusin del material. Los materiales
metlicos sufren sobre todo fractura por fatiga.Etapas a tener en
cuenta: (son 2)1. Iniciacin de una grieta o fisura.1. Propagacin de
dicha grieta o fisura (es la etapa que determina el modo de
fallo).Clasificacin: Fractura dctil y fractura frgil.La ductilidad
depende tanto de factores internos como de factores externos. De
aqu que la clasificacin de fractura atendiendo a la ductilidad del
material depende en gran medida de las condiciones de ensayo.Al
hablar del tipo de material, los factores que condicionan su
ductilidad son:Estructura cristalina: (FCC, BCC, HC). Cada
estructura cristalina tiene unos sistemas de deslizamiento
distintos (Vase hoja correspondiente). Cuantos ms sistemas de
deslizamiento haya, ms fcil ser de deformar plsticamente dicho
material.1. FCC: Au, Al, Ag, Ni, Cu, Bronces y aceros inoxidables
austenticos.1. BCC: Fe (puro), aceros dulces, Mo, W.1. HC: Ti, Mg,
Zn, Co, Be, Zr.Microestructura: Factor importante es el tamao de
grano, ya que existe una correlacin inversa entre ductilidad y
tamao de grano; es decir, a menor tamao de grano mayor ser la
ductilidad (y tambin la tenacidad) para un determinado material. El
tamao de grano es el nico mecanismo que hace aumentar a la vez la
ductilidad y la tenacidad de los materiales.Caractersticas
generalesFractura dctil: Tiene asociada una gran deformacin plstica
en el entorno de la grieta (o zona fracturada). Se trata de una
grieta estable, ya que para seguir creciendo necesita que el
esfuerzo (externo) sea cada vez mayor. Adems, el avance de la
grieta es lento y existe una deformacin plstica apreciable en las
superficies de fractura.Fractura frgil: Una vez iniciada, la grieta
se propaga rpidamente sin necesidad de aumentar el esfuerzo (grieta
inestable), y adems no existe deformacin plstica en el entorno de
la grieta.La mayor parte de los materiales metlicos son muy dctiles
y tenaces. Los materiales cermicos van a ser frgiles, y en cuanto a
los polmeros tendremos los dos tipos de comportamiento. Esto es
vlido para cualquier tipo de ensayo (traccin y compresin).FRACTURA
EN EL ENSAYO DE TRACCINPodemos tener los dos tipos de fractura.
Dentro de la fractura dctil podemos tener una fractura muy dctil
(como la del Au por ejemplo). En este tipo de fractura, la tensin
cortante mxima se obtiene cuando los ngulos y son iguales y con un
valor de 45. A esta tensin se la denomina tensin de cizalladura
resuelta crtica. (Vase fotocopia FR4 y figura 9).En otros
materiales se da la fractura de copa-cono. El mecanismo por el que
se llega a este tipo de fractura incluye otros efectos. Existen
unas marcas superficiales caractersticas. Este tipo de fractura es
caracterstica de la mayora de los metales.La rotura de materiales
es un hecho no deseado porque puede producir posibles prdidas de
vidas humanas e importantes prdidas econmicas. Su prevencin es muy
difcil de garantizar.CAUSASPuede deberse a una mala utilizacin en
servicio; en muchos casos es una seleccin inadecuada para una
determinada actividad o se debe a un mal diseo.Es responsabilidad
del ingeniero evitar esto.El estudio de las causas de rotura es uno
de los problemas principales que tratan hoy en da los ingenieros
especializados en metalurgia.Mecanismo de la fractura de copa-cono:
(Vase fotocopia FR5)La primera etapa es que una vez iniciada la
estriccin se forman una serie de microcavidades en el interior de
la seccin de la probeta en esa zona de estriccin. Estas
microcavidades se deben a la descohesin a lo largo de la intercara
entre partculas de 2 fase y la matriz (Ver la figura 10). En muchos
casos las partculas de 2 fase forman parte del material o son
impurezas. Si el precipitado que se forma es muy grande puede
romper, produciendo las fisuras. A medida que continua la
deformacin, las microcavidades crecen, y va a llegar un momento en
el que se produce una coalescencia de microcavidades, por rotura de
los tabiques de separacin de esas microcavidades. Se forma entonces
una grieta elptica, cuyo eje mayor es perpendicular al esfuerzo (de
traccin, en este caso), que va a seguir creciendo (por coalescencia
de microcavidades). Pero la rotura final se va a producir cuando,
en un momento dado, la seccin del material no aguante la carga (ya
que est aplicada sobre los extremos), y rompe de manera rpida por
propagacin de la grieta alrededor del permetro exterior de la
estriccin por tensin de cizalladura, formando un ngulo de 45 con el
eje de aplicacin de la carga. Este ngulo es de 45 porque ah es
donde estn situados los planos ms activos; los que deslizan
antes.En este caso tenemos la fractura de copa-cono, en la que una
de las superficies de fractura tiene forma de copa y la otra de
cono.Si nos fijamos en la parte central observamos que sta tiene un
aspecto fibroso muy caracterstico que identifica claramente el modo
de fallo. Existe una comprobacin de este fenmeno por medio de la
fractografa, que es la ciencia que se dedica al estudio de las
superficies de fractura para, por medio de una serie de anlisis,
poder determinar el tipo de fallo.Esta ciencia se apoya en el
microscopio electrnico de vaco, que por medio de un bombardeo con
haces de electrones provocan una reemisin de electrones secundarios
por parte del material, obteniendo una informacin en forma de
imagen topogrfica.(2 imagen de la fotocopia FR6) Cada hueco se
denomina cpula y corresponde a la mitad de un microvaco. A efectos
macroscpicos, la superficie es muy fibrosa y hay una gran
deformacin plstica en el entorno.Enmateriales frgiles, tenemos a
nivel macroscpico una fractura que se propaga a travs de una
superficie prcticamente plana, perpendicular a la direccin del
esfuerzo (fotocopia FR4 c). Microscpicamente (fotocopia FR7), se
observa una pequea deformacin plstica.(Fotocopia FR8) Micrografa de
la seccin de un acero (con aspecto todava macroscpico). Hay unas
marcas radiales que nacen del centro de la superficie de fractura y
que son tpicos de la fractura frgil de los aceros, y que apuntan
hacia el inicio de la grieta.Volviendo a la fotocopia FR7 podemos
ver una zona como granular. El mecanismo de fallo es el
siguiente:En la mayora de los materiales frgiles la propagacin de
la grieta corresponde a una sucesiva rotura de enlaces atmicos a lo
largo de planos cristalogrficos (lo que se denomina como descohesin
oclivaje), observndose unos huecos alargados que indican los planos
de fractura.Este tipo de fractura (por clivaje) es transgranular,
porque las microgrietas van atravesando los granos del material. En
este tipo de fallo, los planos de descohesin cambian de un grano a
otro (por cmo estn distribuidos los planos mejor orientados). Esto
proporciona un aspecto facetado a la superficie de fractura.Rotura
intergranular en materiales frgiles: (FR9).La grieta progresa por
los lmites de grano. Este tipo de fallo est asociado a la presencia
de impurezas en el lmite de grano, que debilitan el material. Como
ejemplo tenemos la rotura que se da en los aceros inoxidables
austenticos sometidos a una carga de traccin en un ambiente
corrosivo. Tambin son importantes en las fracturas los factores
externos adems de las cargas, como se puede apreciar en el
ejemplo.ENSAYOS DE IMPACTOEl modo de fallo en el ensayo de traccin
no nos permite extrapolar los resultados a otras situaciones
diferentes. El tipo de fallo est condicionado por las condiciones
de contorno del material.Para ensayar los materiales en las peores
condiciones posibles se crearon los ensayos de impacto, para poder
saber en qu condiciones el material presenta fractura frgil. Estas
condiciones son: Temperaturas bajas. Velocidad de deformacin
elevada. Estado triaxial de tensiones (mediante entalla
mecnica).Tipos: Ensayo Charpy y ensayo Izod.Estos dos ensayos han
sido normalizados y diseados para determinar la energa de impacto o
tenacidad a la entalla, que se define como la energa absorbida por
la superficie entallada cuando rompe. En ambos casos se romper una
superficie entallada de un golpe dado con una masa-pndulo. Se medir
la energa absorbida por ese golpe. La velocidad que adquiere la
masa al golpear la probeta queda determinada por la altura del
pndulo. Tras la rotura, la masa continua su camino hasta llegar a
una cierta altura, a partir de la cual se determina la energa
absorbida (FR10).Energa absorbidaEabs=(m*g*h)-(m*g*h')=m*g*(h-h')La
diferencia entre alturas se correlaciona muy bien con el ngulo que
forman el brazo con la vertical en las posiciones inicial () y
final () y con la longitud del brazo (I).Eabs=m*g*I*(cos-cos)ltima
norma aplicada: EN 10045-1Esta norma define una probeta de 55 mm de
longitud total y de base cuadrada de 10 mm de lado. A la mitad de
la longitud hay una entalla, que puede tener forma de U o de V.U:
se define una profundidad de 2 mm y rc=0,25 mm.V: profundidad=5 mm
y rc=1 mm.En el ensayo viene tambin normalizada la velocidad de
choque Vc, que vara entre 5 y 5,5 m/s.En el ensayo Izod la probeta
est en posicin vertical y la carga golpea perpendicularmente a la
probeta por el lado de la entalla.Inicialmente en Espaa a estos
ensayos se les denomin Ensayos de Resiliencia.EXPRESIN DE LOS
RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ENSAYOKU=130 JKV=121 JNota: Los valores
dados son para un caso hipottico. Las unidades vienen expresadas en
Julios, absorbidos por el ensayo Charpy de flexin por choque con
entalla en forma de U o V.En esta norma la energanose define como
energa absorbida por unidad de superficie, ya que no se contempla
la resiliencia.Una entalla particular es la denominada ojo de
cerradura, que no aparece en la nueva norma.Lo ms importante de
estos ensayos es que nos van a permitir determinar la temperatura
de transicin dctil-frgil (Su principal ventaja sobre los otros
ensayos). Esto se consigue realizando el ensayo en iguales
condiciones normalizadas, pero a distintas temperaturas. Lo que se
hace es calentar o enfriar la probeta antes de realizar el ensayo
(La distribucin de temperaturas debe ser homognea en toda la
probeta). Se obtienen una serie de curvas (fotocopia FR15).Se
observa que existe una dependencia de la energa absorbida con la
temperatura. A altas temperaturas se absorbe gran cantidad de
energa, lo que est relacionado con la fractura dctil. A bajas
temperaturas tenemos una menor absorcin de energa, lo que est
relacionado con la fractura frgil.Podemos hacer la misma grfica
pero sustituyendo la energa absorbida por el % de la superficie de
fractura dctil, correspondiendo el origen de ordenadas con el
0%.Hay una influencia importante de la estructura del material en
el tipo de fractura. En la mayora de los casos habr una transicin
brusca del comportamiento del material a alta temperatura y a baja
temperatura. Existe lo que se denominaintervalo de transicin
dctil-frgil(tpico en materiales de estructura BCC).Cuando no hay
transicin pronunciada, referimos la temperatura de transicin
dctil-frgil a la temperatura para la cual el material absorbe 27
Julios de energa, o tambin a la temperatura para la cual el 50% de
la superficie de fractura del material es de fractura
dctil.Condiciones de uso del material: Trabajaremos con el material
a una temperatura que est por encima de la temperatura de transicin
dctil-frgil.La temperatura de transicin dctil-frgil depende de:Los
factores externos que condicionan el ensayo, fundamentalmente la
velocidad de aplicacin de la carga y el tipo de entalla. La entalla
es un concentrador de tensiones. Cuanto ms aguda sea la entalla
mayor ser la concentracin de las tensiones.Los factores internos,
como son:Composicin del material(Estudiaremos los aceros. Fotocopia
FR15). Al introducir carbono formamos una solucin slida
intersticial (porque los tomos de C son muy pequeos y ocupan los
intersticios) [Es un mecanismo de endurecimiento]. Esto hace al
material menos tenaz. Cuanto ms carbono aadimos hacemos ms
favorable la fractura frgil. El oxgeno fragiliza tambin el acero, y
de forma ms pronunciada.Tamao de grano: La disminucin del tamao de
grano endurece al material y a la vez aumenta su tenacidad. La
deformacin inducida es ms fcil de absorber debido a la gran
superficie del lmite de grano (de alto desorden). Esto se utiliza
para comprobar la tenacidad de los metales.SLA-> Aceros de alta
resistencia y baja aleacin (son aceros ferrticos).Tienen una
ITT=-80C (ITT=T de transicin)Esto implica una alta resistencia a
bajas temperaturas.Determinacin del tamao de granoN=2n-1n ndice de
tamao de grano ASTM (Va de 2 a 12)N N de granos por pulgada
cuadrada a 100 aumentosEfecto de la estructura cristalina: Los
materiales con estructura FCC son muy tenaces. Presentan una
transicin muy suave. Se utilizan para trabajar a temperaturas
criognicas (como por ejemplo los aceros inoxidables austenticos).
Los materiales BCC presentan sin embargo una transicin muy brusca.
Los materiales HC tienen un comportamiento similar al de las
aleaciones de alta resistencia (poca transicin pero baja
tenacidad), a excepcin del titanio (muy tenaz).Hay otro mecanismo
de deformacin plstica en metales, y que es ms rpido que el
deslizamiento de dislocaciones, y se denominamaclado. Adquiere
importancia cuando no hay tiempo efectivo para el desplazamiento de
las dislocaciones. Los materiales FCC, en condiciones adversas
(baja temperatura y elevadas velocidades de aplicacin de la carga),
presentan maclado activo. Los BCC, a pesar de tener ms sistemas de
deslizamiento, dichos sistemas son menos activos, por eso se
deforman peor. En estos materiales se puede dar un maclado mecnico
a temperatura ambiente cuando la velocidad de aplicacin de la carga
es elevada (en los FCC no ocurre), y tambin presentan maclado
mecnico a bajas temperaturas, pero en menor medida que otros.Los
materiales FCC sern dctiles y tenaces para cualquier velocidad de
aplicacin de la carga y para cualquier temperatura.Materiales
dctiles como los BCC a temperatura ambiente y bajas velocidades de
aplicacin de la carga se comportan como frgiles cuando la
temperatura es baja y cuando a temperatura ambiente se aplica la
carga a altas velocidades.Esto significa que la fractura frgil se
puede dar con uno o ms requisitos. Los materiales HC sern frgiles
en prcticamente todas las condiciones (con excepciones).Ventajas y
limitaciones de estos ensayosComo ventajas tenemos que el ensayo es
muy simple (fcil de realizar), y que nos permite determinar la
temperatura de transicin dctil-frgil.Como limitaciones tenemos que
slo obtendremos datos cuantitativos que nicamente sern tiles a
efectos comparativos (no para el clculo de piezas o estructuras);
que estn determinados en materiales sin defectos (ya que los
materiales de prueba no presentan en general discontinuidades
internas); que los datos son poco representativos de las
condiciones de servicio reales, ya que:1. El tamao de la probeta es
independiente del espesor real del material.1. Siempre se emplea un
carga de ensayo por impacto, con independencia de que la estructura
en servicio est sometida a cargas estticas o dinmicas.1. La raz de
la entalla puede ser menos severa que una entalla real o defecto
similar (poros, microgrietas, fisuras, etc.)La energa absorbida es
igual a la total ms la energa de propagacin de la grieta.El ensayo
de impacto permite cuantificar la tenacidad de un material, pero no
obtenemos resultados aplicables cuando lo que necesitamos es disear
piezas estructurales. Para esto se ha creado toda una rama de la
ciencia de los materiales, que se llama mecnica de fractura.La
mecnica de fractura es la ciencia que estudia la resistencia de un
material a la fractura frgil cuando dicho material posee defectos
internos (microfracturas, grietas, etc.) mediante anlisis tericos y
experimentales. Las teoras de la mecnica de fractura nos permiten
cuantificar las relaciones que existen entre las tensiones
aplicadas, las propiedades del material, la presencia de defectos
que producen grietas y los mecanismos de propagacin de las
grietas.Concentrador de tensiones: Cuando los tericos de la mecnica
de fractura estudiaron la resistencia cohesiva terica en un
material elstico frgil, se constat que era aproximadamente igual al
mdulo de Young partido por 10 (=E/10). En anlisis experimentales se
ve que este valor se reduce entre 10 y 100 veces. Esto se debe a la
presencia de defectos internos que pueden inducir la aparicin de
microgrietas. El primero en postular este fenmeno fue A. Griffin.
Las microgrietas son problemticas porque actan como concentradores
de tensin en los vrtices del defecto, y el fallo suele iniciarse en
la zona del material con mayor tensin aplicada.(Fotocopia
FR17).CONCENTRACIN DE TENSIONES: Seguiremos el dibujo y las frmulas
que aparecen en esta fotocopia.La tensin a lo largo de la direccin
x va aumentando a medida que nos acercamos al vrtice de la grieta,
donde tenemos la mayor concentracin de tensiones.El factor de
concentracin de tensiones KT se define como la tensin mxima
aplicada dividida por la tensin nominal. Tenemos tambin una frmula
para determinar el valor de la tensin mxima (ver FR17).El efecto
concentrador de tensin es debido a la longitud de la grieta y al
radio de curvatura. Si el defecto es un defecto intenso, la
longitud de una grieta superficial a, se define como la mitad de la
longitud de la grieta (ver FR16a), y la tensin mxima se alcanza en
ambos vrtices de la grieta (FR16b).Este mismo efecto de
concentracin de tensiones se da tambin en cualquier aspecto de
diseo que acte como tal (presencia de ngulo vivo o rosca).La
mecnica de fractura estudia los materiales frgiles porque en los
materiales dctiles se produce una redistribucin del estado
tensional cuando el material empieza a deformarse plsticamente.
Esta nueva distribucin de tensiones hace que la tensin mxima no sea
tan alta, y por tanto la propagacin de la grieta sea ms lenta. En
materiales frgiles la rotura suceder rpidamente.K es el factor de
intensidad de tensiones. Aparece cuando se realiza el estudio
tensional en el extremos de la grieta, y depende de:1. El valor de
la tensin aplicada.1. La longitud y posicin de la grieta.1.
Geometra de la pieza slida.Latenacidad de fractura, KC, es una
propiedad mecnica, definida como la resistencia de una determinado
material a la fractura frgil cuando hay una grieta presente.Tambin
se define como el valor crtico del factor de intensidad de
tensiones en la punta de la grieta, pero que se propague en un
material frgil que contiene un defecto. Su expresin general
es:KC=Y**(*a)1/2Donde Y es un parmetro sin dimensiones que depende
de la geometra de la pieza y de la geometra de la grieta.El valor
de KC, para probetas delgadas depende del espesor B, y disminuye a
medida que B aumenta. Para probetas gruesas tenemos la condicin de
deformacin plana, con lo que KC es independiente de B.Condicin de
deformacin plana (Figura 11)B"2,5*(KIC/Y)2Explicacin a la figura
11: Nos interesan las condiciones en las que el defecto es muy
pequeo en comparacin con el espesor de la probeta, considerando as
que no hay deformacin en la direccin de la grieta.
Experimentalmente, se comprueba que se dan las condiciones de
deformacin plana cuando se verifica la anterior relacin (ver
FR19).KC suele llevar un subndice, que se corresponde con la
direccin de avance de la grieta, que puede ser de rotura
(subndice=1) por deformaciones planas, de cizalladura (subndice=2),
o de desgarre (subndice=3).(FR20 tabla 6.5). En esta tabla aparecen
valores normales de tenacidad a la fractura para aleaciones
seleccionadas en ingeniera. El valor de KC depende de la
temperatura, velocidad de deformacin, microestructura, etc. Esto
viene dado por las normas.Un material puede estar sometido a
diferentes estados de deformacin, pero empezar a romperse cuando
alcance el valor de KC. Los materiales frgiles tendrn valores de KC
muy pequeos, mientras que los materiales dctiles tendrn un elevado
valor para KC. En general interesa estudiar el valor de KC para
materiales de ductilidad intermedia.Desde el punto de vista del
material, KC se encuentra relacionada sobre todo con el tamao de
grano. Un menor tamao de grano aumenta la tenacidad a la fractura.
Otros mecanismos de endurecimiento (especialmente las disoluciones
slidas o las dispersiones de una segunda fase) disminuyen la
tenacidad a la fractura.Determinacin del tamao del
defectoK1C=Y**(*a)1/2Lo que hay que determinar en un diseo basado
en la mecnica de fractura son tres parmetros (Fijamos 2 y el
tercero queda entonces determinado). Supongamos que tenemos fijada
la tensin aplicada y el material a emplear, quedando slo el tamao
de la grieta (a). La determinacin de este parmetro se puede
realizar mediante ensayos no destructivos (NDE), como son:1.
Lquidos no penetrantes.1. Gammagrafas.1. Corrientes inducidas.1.
Partculas magnticas.Esta clase de ensayos permiten determinar el
tamao y la posicin de los defectos.FATIGAEs otro tipo de fractura
que aparece en los materiales metlicos. Tambin se da en los
polmeros, y los cermicos la soportan muy mal (ya que en general
rompen enseguida). La fatiga se produce cuando el material est
sometido a cargas cclicas y variables (se repiten a lo largo del
tiempo), aunque el valor del esfuerzo al que est sometido el
material sea inferior a la resistencia a la traccin e incluso
inferior al lmite elstico. Un ejemplo de fatiga sera un alambre que
se doblase continuamente. Su importancia es enorme, ya que
aproximadamente el 80% de los fallos en servicio de las piezas
metlicas son causados por fatiga.El primero en estudiar la fatiga
fue Whler, que defini tres condiciones fundamentales para que se
produjese rotura por fatiga: Una tensin mxima de traccin de valor
elevado. Una variacin o fluctuacin lo suficientemente elevada. Un
nmero suficiente de ciclos.De aqu se deduce que los resultados
obtenidos por los ensayos de traccin no nos sirven para poder
identificar o determinar este tipo de fallo.Los mecanismos que
influyen en la fatiga son muy complejos. Los enumeramos y
realizaremos un estudio bsico de este fenmeno.A la hora de hablar
del ensayo de fatiga, existen varios parmetros a tener en cuenta,
como son la cintica de aplicacin de la carga, el tipo de tensiones
aplicadas al material, etc.Tipos de ensayo: Simplificaremos el
nmero de ensayos. Los principales son tres. Los resultados
obtenidos son muy parecidos en los tres, por lo que slo necesitamos
un ensayo. Para simplificar la cintica de aplicacin de cargas
haremos una aproximacin a la realidad aproximando los ciclos de
carga a una funcin senoidal.Podemos definir como ciclo de carga a
la ley de variacin de la tensin o esfuerzo a lo largo de un
periodo. Es un ciclo sencillo, con una parte a traccin y otra a
compresin, donde hay que definir una serie de parmetros.Latensin
mximaes la mayor tensin que se alcanza en la fibra ms
solicitada.Latensin mnimaes la menor tensin que se alcanza en la
fibra ms solicitada.Latensin media(M) es la mitad del valor de la
suma de las tensiones mxima y mnima.Laamplitud de la tensin(A) es
la mitad del valor de la diferencia entre la tensin mxima y la
tensin mnima respectivamente.Elrango de tensiones(R) se puede
definir como la diferencia entre tensin mxima y tensin mnima, o
como el doble del valor de la amplitud de la tensin.Tambin podemos
tener distintos ciclos de carga:Ciclo alterno simtrico: En este
ciclo la tensin media es igual a 0 (M=0).Ciclo alterno asimtrico:
La tensin media es menor que la amplitud de la tensin. En cualquier
caso la distribucin de las tensiones es simtrica con respecto al
valor de la tensin media.Ciclo intermitente: El valor de la tensin
media es igual al valor de la amplitud de la tensin (M=A).Ciclo
pulsatorio: El valor de la tensin media es superior al de la
amplitud de la tensin.En cualquiera de estas situaciones, donde los
esfuerzos aplicados varan entre Max y Min, puede considerarse que
el esfuerzo aplicado es la suma o superposicin de una componente
esttica (igual a la tensin media) y una componente fluctuante o
alterna (igual a la amplitud de la
tensin.Max=M+AMin=M-AUtilizaremos generalmente el ensayo de flexin
rotativa (que es el ms sencillo). Aplicaremos una fuerza de flexin
a una probeta que gira mediante cargas aplicadas en los extremos.
Tambin se puede aplicar a una probeta fijada a un eje (que provoca
el giro) con un peso en el otro extremo. En este tipo de ensayo el
ciclo de carga tiene una tensin media igual a 0 (ciclo alterno
simtrico).Curvas de fatiga de Whler:Normalizaremos una mquina de
flexin por fatiga para determinar este tipo de curvas, en las que
representaremos la amplitud de la tensin frente al nmero de ciclos
necesarios para llevar al material hasta la rotura por
fatiga.Mecanizamos un nmero N de probetas y sometemos una de ellas
a una serie de ciclos con una determinada amplitud de tensin (A),
condicionada por la tensin mxima (esto nos permite obtener el
primer punto de la curva). Repitiendo el ensayo con probetas
idnticas donde slo variamos los valores de tensin (disminuyendo su
valor), obtenemos una curva que se denomina curva de Whler (se
trata de una curva a escala logartmica).Se suele empezar con
valores de tensin mxima o de amplitud de tensin del orden de
(2/3)*RT (dos tercios de la resistencia a la traccin del
material).Cuanto mayor sea la amplitud de la tensin menor ser el
nmero de ciclos necesarios para llevar la probeta a rotura.Hay dos
tipos diferenciados de curvas. En algunos materiales se produce un
valor asinttico a partir de un nmero determinado de ciclos. Esto se
suele dar en algunos aceros y en aleaciones de titanio. En las
curvas correspondientes a otros materiales existe una disminucin de
la tensin a medida que aumenta el nmero de ciclos necesarios para
romper la probeta.Para las curvas con valor asinttico definiremos
ellmite de fatigacomo la mxima tensin quenoproduce rotura
cualquiera que sea el nmero de ciclos para el cual existe aplicacin
de cargas.Este lmite de fatiga, en los aceros, suele estar
comprendido entre el 35% y el 60% del valor de la resistencia a la
traccin.En aquellos materiales que no posean lmite de fatiga se
define laresistencia a la fatigacomo el nivel de tensin que produce
la rotura despus de un determinado nmero de ciclos.Las normas
definen que para las aleaciones frreas, ese nivel de tensin es el
correspondiente a 1*107 ciclos, y para aleaciones no frreas, este
lmite prctico de fatiga se establece para 3*107 ciclos.En este tipo
de curvas tambin se define el parmetrovida-fatiga, como el nmero de
ciclos necesarios para producir la rotura a fatiga para un nivel
determinado de tensiones.El fenmeno de la fatiga es un fenmeno para
el cual se obtienen resultados con una gran dispersin, por lo cul
estos resultados se representan mediante curvas de
probabilidad.Para los tres tipos principales de ensayo las curvas
son muy parecidas. Las curvas dependen del tipo de ensayo, y tambin
de la tensin media (para el mismo tipo de ensayo).El valor de la
tensin media afecta a las curvas de Whler, ya que varan el valor
del lmite de fatiga (las distintas curvas son paralelas entre si).
Experimentalmente podemos hacer una curva para cada valor de la
tensin media (ver figura 12).Otra manera es utilizar aproximaciones
matemticas basadas en la curva de Whler determinada en un ensayo
para un ciclo de carga donde la tensin media es igual a cero (vase
fotocopia FAT7). Tenemos dos aproximaciones para poder determinar
el valor del nuevo lmite de fatiga (Se'), segn sea el valor de la
tensin media (que con el cambio de notacin se expresa como Sav), la
amplitud de tensin (Sa), el lmite de fatiga para una tensin media
igual a cero (Se) y la resistencia a la traccin (RM). La
aproximacin de Gerber es de orden 2 (cuadrtica), mientras que la de
Goodman es lineal (orden 1) y es ms conservativa que la primera, ya
que es la aproximacin en la que suponemos el menor valor del lmite
de fatiga. Los resultados obtenidos en los ensayos experimentales
se encuentran dispersos en el rea comprendida por estas dos curvas.
Una aproximacin todava ms conservativa que la de Goodman es la lnea
de Soderberg, en la que se sustituye RM por Re (lmite elstico).
Estas curvas nos permiten determinar la variacin del lmite de
fatiga dependiendo del valor de la tensin media. Las ecuaciones
correspondientes son las siguientes: Aproximacin de
Gerber:Se'=Se*[1-(Sav/RM)2] Aproximacin de
Goodman:Se'=Se*[1-(Sav/RM)]Superficie de fractura en fallos por
fatigaEl aspecto macroscpico de la superficie de fractura en fallos
por fatiga resulta muy caracterstico. Su anlisis fractogrfico
permite identificar el tipo de fallo. Tambin puede darse el caso de
que existan fracturas por fatiga que no presenten estas marcas
caractersticas. De todos modos, siempre que detectemos estas marcas
sabremos que nos encontramos ante un material que ha roto por
fatiga.En un material que ha sufrido un fallo por fatiga se
apreciarn dos zonas, lazona de fatigay lazona de sobrecarga. Esta
ltima zona es la zona de fallo final, y puede ser de fractura frgil
o dctil segn el tipo de material.Cuando hablamos de las marcas
caractersticas nos referimos a la zona de fatiga.La superficie de
fractura es siempre perpendicular a la carga mxima (la mayor de las
tensiones aplicadas). Adems, en su conjunto, la zona de fatiga
corresponde con la fractura frgil (no hay deformacin plstica
importante). La zona de fractura por fatiga tiene aspecto bruido,
como de pulido, debido al rozamiento entre las superficies de la
grieta.Dentro de la zona interna hay dos tipos de marcas
caractersticas, como son las marcas de playa y las estras. Las
marcas de playa son macroscpicas. Son lneas concntricas con
respecto al punto de inicio de la grieta, y se corresponden con el
avance de la grieta provocado por el trabajo continuado de la pieza
sin que cese la aplicacin de la carga sobre la pieza. Las estras
son de carcter microscpico (observables mediante un microscopio
electrnico de barrido) y se corresponden con el avance de la grieta
por cada ciclo de carga. Estas dos marcas, si se encuentran en el
material, definen claramente una rotura por fatiga (ver FAT8, FAT9
y FAT10).Etapas en el proceso de fatigaPara todos los materiales,
tanto dctiles como frgiles, tenemos tres etapas.La primera etapa se
denominaetapa de incubacin. En determinados puntos del material,
como consecuencia de los esfuerzos que soportan, se origina
deformacin plstica, y en su entornoacritud. Esta acritud local es
en un principio positiva para el material, y mientras no haya
fisuracin el material soporta mejor la sobretensin sin ningn tipo
de perjuicio.Cuando aparece una fisura en el material tenemos
lazona de daado, que en general aparece en la superficie del
material (o de la probeta en el ensayo). Resulta importante saber
cuando aparecen las fisuras. La forma de detectarlas sera mediante
el empleo de ensayos no destructivos (en especial ultrasonidos o
partculas magnticas). Entonces se puede determinar la curva de
daado, que se corresponde con la curva de iniciacin de las grietas
(Vase figura 13).La curva de fatiga se produce cuando la grieta,
que ha progresado a travs del material, provoca la fractura del
mismo. Para una amplitud de tensin determinada, el nmero de ciclos
de fallo se define como el nmero de ciclos que se necesitan para
iniciar una grieta y propagarla hasta llevar a rotura al
material:Nf=Ni+Nd+NFNf es el nmero de ciclos de fallo.Ni es el
nmero de ciclos para que se inicie la grieta.Nd es el nmero de
ciclos de daado.NF es el nmero de ciclos correspondiente a la
fractura del material y se considera igual a 0.De aqu extraemos que
la segunda etapa ser laetapa de daado, que ir desde el inicio de
las grietas hasta la rotura del material, y se corresponder con la
progresin de las grietas a travs del material.La ultima etapa ser
por tanto laetapa de rotura, y ser una etapa muy rpida (se
corresponde con la rotura del material). Por tanto el nmero de
ciclos correspondiente a esta etapa ser 0.Es importante conocer la
etapa de daado, ya que si podemos registrarla entonces podremos
sustituir la pieza a tiempo y evitar as un fallo en servicio, que
podra tener consecuencias graves.Factores que afectan a la
resistencia a la fatiga Frecuencia de aplicacin de los ciclos de
carga:Se observa que hasta 10000 o 12000 ciclos por minuto la
frecuencia no tiene ningn efecto en el lmite de fatiga. Se empieza
a apreciar algo de influencia de este factor a partir de unos 30000
ciclos por minuto, en donde se observa que frecuencias tan altas
elevan ligeramente el valor del lmite de fatiga (hacen al material
ms resistente). La temperatura:Para temperaturas por debajo del
ambiente, cuanto ms baja sea la temperatura, ms alto ser el lmite
de fatiga, siempre y cuando la probeta no tenga ningn tipo de
entalla (concentrador de tensiones), en cuyo caso el efectos es el
contrario (Vase fotocopia FAT15).A temperaturas altas, por encima
de la temperatura ambiente, el valor del lmite de fatiga disminuye,
lo que implica una menor resistencia a la fatiga de los materiales,
ya que las altas temperaturas favorecen los mecanismos de
propagacin de las grietas.Un caso particular es el acero al 0,17%
de C. En este acero aumenta el valor del lmite de fatiga (Se)
asociado a un mecanismo de endurecimiento que se hace efectivo a
una temperatura que oscila entre 200C y 400C. Acritud previa:Si
antes de someter una probeta metlica al ensayo de fatiga inducimos
una acritud homognea por algn mecanismo deformador, y despus
sometemos la probeta al ensayo de traccin, sta presentar un aumento
del lmite de fatiga si la comparamos con la misma probeta (del
mismo material) pero sin haber sido sometida a la acritud.
Rugosidad superficial:Se ha comprobado experimentalmente que el
acabado superficial de las probetas tienen una influencia
considerable en el lmite de fatiga, debido a que las grietas se
inician en la superficie del material.La presencia de marcas de
mecanizado en la superficie del material disminuye el lmite de
fatiga (porque dichas marcas actan como concentradores de tensiones
y las grietas se inician en donde se concentran las tensiones).
Cuanta mayor rugosidad superficial ms bajo ser el valor del lmite
de fatiga. Un pulido metalogrfico mejorar el valor del lmite de
fatiga, haciendo ms resistente al material. Tensiones residuales
superficiales:Las tensiones residuales del material se superponen a
las tensiones procedentes del ciclo de carga que actan sobre las
fibras del material (se pueden sumar o contrarrestar dependiendo de
si el tipo de tensin residual es de traccin o de compresin).El
mecanismo ms efectivo para luchar contra la fatiga es inducir en la
superficie del material tensiones residuales de compresin (para
evitar el inicio de las grietas). Esto se debe a que la parte del
ciclo que favorece el avance de las grietas es la parte
correspondiente a esfuerzos de traccin. Estado superficial:Las
tensiones residuales se miden por difraccin de rayos X (su valor
mximo es el lmite elstico). Cuanta ms tensin residual ms ancho ser
el pico que muestre el difractograma.Para que se produzca fatiga
tiene que haber un valor de tensin de traccin mximo.Condicin
superficial:Cualquier tratamiento en la superficie del material que
modifique su resistencia a la fatiga.1. Perdigonado o
granallado:Consiste en bombardear la superficie del material con
bolitas metlicas de pequeo tamao (perdigones de 0,1 a 1 mm de
dimetro), que inducen una serie de tensiones superficiales de
compresin (se denomina Shot Penning).Hay procesos de conformado que
tambin inducen tensiones superficiales, mejorando la resistencia a
la fatiga de la chapa.1. Tratamientos de cementacin y nitruracin:Es
otro tipo de tratamiento superficial que aumenta la resistencia a
la fatiga. Se hacen para endurecer al material (sobre todo aceros),
elevando la resistencia a la fatiga del material considerablemente,
induciendo una serie de tensiones superficiales de compresin.Un
tratamiento muy negativo para la resistencia a la fatiga es
ladecarburizacin. Esto consiste en que el acero pierde tomos de
carbono en su zona ms externa (como consecuencia del conformado en
caliente). Esto ablanda la superficie, disminuyendo su resistencia
a la fatiga.1. Revestimientos metlicos superficiales:Pueden ser
recubrimientos por deposicin (galvanizado) o recubrimientos
electrolticos (cromado, niquelado). Queda hidrgeno atmico ocluido
en la superficie del material como consecuencia de este
recubrimiento. Cuando el hidrgeno se recombina en hidrgeno
molecular se fragiliza el material (esto se produce sobre todo en
los aceros). Debido a todo esto podemos concluir que estos
recubrimientos producen peor resistencia a fatiga. Tamao y
orientacin del grano:Resulta muy complejo de estudiar. Tamaos de
grano pequeos aumentan la resistencia a la fatiga del material
(tericamente). Sin embargo experimentalmente se obtienen resultados
contradictorios. Efecto de los concentradores de tensiones:El
efecto de los concentradores de tensiones se estudia mediante
probetas entalladas, normalmente en forma de V, o tambin con
entalla circular.Definiremos elfactor de reduccin a la
resistencia(Kf). Sirve para evaluar la efectividad de la entalla en
su accin de reducir la resistencia a la fatiga del material, y se
define como el cociente entre Se sin entalla y Se con entalla para
un determinado material en un ensayo concreto y con el mismo ciclo
de carga. Es un valor constante para cada material y para cada tipo
de entalla, y vara con: La severidad de la entalla. Tipo de
entalla. Tamao de la probeta. Nivel de tensiones. Tipo de
material.Cuando se realizan ensayos en condiciones de inversin
completa de carga (ciclos alternativos simtricos), en los que M=0,
se observan normalmente dos tendencias: Kf es casi siempre menor
que KT. Kf/KT disminuye cuando aumenta KT.Esta segunda tendencia
explica cmo el concentrador de tensiones reduce el lmite de
fatiga.Entallas muy agudas producen un efecto en la resistencia a
la fatiga mucho menor de lo que cabra esperar. Esto se debe a la
variacin de KT con respecto a Kf. Se comprueba experimentalmente
que hay tamaos de grieta (para grietas muy pequeas o crticas) que
no producen nunca rotura por fatiga.Factor de sensibilidad a la
entallaq=(Kf-1)/(KT-1)Definido as este factor, significa que para
materiales que no presentan reduccin a la fatiga por entalla tendrn
q=0 porque Kf=1.En materiales muy susceptibles al efecto de la
entalla, tendremos que q=1, ya que Kf=KT.Concentradores de
tensiones en los materiales: Debidos al diseo de las piezas tenemos
las roscas o los ngulos vivos. Como concentradores de tipo
metalrgico tenemos las picaduras (marcas de corrosin), las
sopladuras (bolsas de aire dentro del material), las microgrietas,
las interfases en una inclusin dura (aleaciones de Al) y dentro de
un material blando, etc. Fatiga trmica:Se produce debido a las
tensiones que se originan en el material por las dilataciones y
contracciones que ocurren en piezas estructurales sometidas a
variaciones de temperatura. Son tensiones internas de tipo residual
(por debajo del lmite elstico), debido a la imposibilidad del
material para dilatarse y contraerse libremente. No es necesaria la
aplicacin de esfuerzos externos. Estas tensiones dependen del
coeficiente de dilatacin trmica (), del mdulo de Young (E) y de la
variacin de la temperatura (T):=*E*Tcon =k-1Un material que se ve
afectado por esta clase de fatiga es el acero inoxidable
austentico, debido a que tiene un coeficiente de dilatacin alto y
adems una mala conductividad trmica. Understressing y
overstressing:Evalan el fenmeno de una fatiga previa del material,
es decir, cmo afecta la fatiga a una probeta o una pieza cuando
stas hayan sido sometidas a una fatiga previa.Understressing:
Sometemos al material a una serie de esfuerzos alternos variables
(ciclos de carga) inferiores al valor del lmite de fatiga (e).A
estos materiales, si los sometemos posteriormente al ensayo de
fatiga, aumenta entonces su lmite de fatiga, debido a que hemos
endurecido al material.Si lo hacemos para una amplitud de tensin
determinada, lo que conseguimos es que aumente el nmero de ciclos
necesarios hasta romper a fatiga.Overstressing: Cuando sometemos al
material a un nmero determinado de ciclos a un valor de amplitud
por encima del lmite de fatiga. Si no se han producido grietas,
entonces hemos endurecido el material, por lo que al someter
posteriormente al material a fatiga aumentar su resistencia a la
fatiga.Pero si el nmero de ciclos es lo suficientemente elevado
como para producir grietas, entonces al someter al material
nuevamente a fatiga disminuir su resistencia a la fatiga (el valor
del lmite de fatiga disminuir). Corrosin:Para un material sometido
a cargas y a corrosin tenemos lo siguiente:Si el material es
sometido simultneamente a fatiga y medio corrosivo, los materiales
que presentaban un lmite definido ya no lo presentan.Si el material
es sometido primero a corrosin y luego a fatiga, entonces, si el
material tiene lmite lo va a seguir teniendo pero ms bajo, y si no
lo tiene definido entonces, para el mismo nmero de ciclos, la
amplitud de la tensin que produce fatiga es ms bajo.Esto se debe a
lo siguiente:Los fenmenos de corrosin aceleran la aparicin de las
grietas, porque producen defectos en la superficie del material
(picaduras o microgrietas de corrosin).Adems, aceleran el avance de
la grieta una vez formada, porque el efecto corrosivo favorece la
rotura en el fondo de la grieta.La superficie de fractura
correspondiente al fenmeno de fatiga-corrosin es tambin muy
caracterstica.MECANISMOS DE REFUERZO DE LOS MATERIALES
METLICOSDeformacin plstica en los materiales metlicos: El proceso
por el cul se produce deformacin plstica debido al movimiento de
las dislocaciones se denomina deslizamiento. Para simplificar el
estudio del deslizamiento, primero lo vamos a estudiar para un
monocristal y despus para un agregado cristalino.Las dislocaciones
pueden ser de borde, helicoidales y mixtas. Todas ellas se mueven
en respuesta a una tensin de cizalladura aplicada a lo largo de un
plano de deslizamiento y una direccin de deslizamiento (que
conforman un sistema de deslizamiento).Cuando apliquemos a un
material un esfuerzo de traccin o de compresin pura (o de torsin,
como se muestra en la figura 14, que genera en unas fibras traccin
y en otras compresin) tienen una componente de cizalladura, que es
la que permite el desplazamiento de las dislocaciones. Esta
componente de cizalladura se denomina tensin de cizalladura
resuelta, que va a depender:1. De la tensin aplicada.1. De la
orientacin del sistema de deslizamiento.Veamos ahora la relacin
existente entre la tensin uniaxial que acta sobre un cilindro de un
metal puro (monocristal) y la tensin de cizalladura resuelta
producida sobre un sistema de deslizamiento (vase figura 15).La
tensin debida al esfuerzo uniaxial y la tensin de cizalladura
resuelta es igual a la fuerza en la direccin de deslizamiento
partida por el rea del plano que va a deslizar.=F/A0 R=FR/A1Adems:
cos=FR/FCos=F/FN=A0/A1 (esta ltima igualdad se debe a que el ngulo
que forman las normales a dos planos es igual al ngulo que forman
los dos planos).Tensin de cizalladura resueltaA1=A0/cos
FR=F*cosEntonces:R=FR/A1=(F/A0)*cos*cos R=*(cos*cos)Expresin que se
conoce como Ley de Schmid, y al producto de los cosenos se lo
conoce tambin como factor de Schmid.En cada sistema de
deslizamiento, cada plano forma ngulos distintos con respecto a la
tensin aplicada. La tensin R ser mxima para aquellos sistemas de
deslizamiento donde el producto de los cosenos sea
mximo:R(Mx)=*(cos*cos)MxAl aplicar una tensin dada, el
deslizamiento comenzar en aquel sistema donde R sea mxima (en el
sistema orientados de forma ms favorable) y cuando el valor de la
tensin de cizalladura alcance un valor crtico. Este valor crtico se
conoce con el nombre de tensin de cizalladura resuelta crtica (RC),
que representa el valor mnimo de cizalladura que se requiere para
que empiece a deslizar el cristal. Es una propiedad del material
(depende de ste).Un cristal se empieza a deformar plsticamente
cuando en el material se supera el valor del lmite elstico
(Y).RC=Y*(cos*cos)Mx==45 cos45=0,707RC=Y*(0,707)2=0,5*YY=2*RCEl
valor de RC mnimo para que el sistema mejor orientado empiece a
deslizar es la mitad del lmite elstico del material.En aquellos
planos de deslizamiento paralelos al eje uniaxial tenemos que =0, y
por lo tanto =90 y cos90=0. En aquellos planos que sean
perpendiculares al eje de traccin tendremos que =0 y que =90, por
lo que cos=cos90=0. Por lo tanto en estos planos no existir tensin
de cizalladura ni deslizamiento.Cuando deslizan muchas
dislocaciones a travs de un sistema de deslizamiento, llega un
momento en el que afloran a la superficie de la probeta, formando
lneas bastante gruesas que se denominan bandas de deslizamiento,
que es la confirmacin de que los sistemas de deslizamiento se
hallan activos (en los planos prximos a dichos sistemas se da este
mismo fenmeno). Dependiendo de la anchura de las bandas stas sern
macroscpicas o microscpicas (Vase figura 16).Reorientacin de un
cristal durante la deformacin plstica: Cuando estamos deformando un
cristal segn el eje de traccin, tenemos fijada la probeta a unas
mordazas. El deslizamiento lateral est limitado por dichas
mordazas, por lo que los planos se ven obligados a rotar para poder
mantener centrado el eje de traccin.Los planos situados en el
centro de la probeta sufren una rotacin pura, y los planos situados
ms hacia los extremos sufren rotacin y flexin (vase figura 17).La
reorientacin de los planos de deslizamiento como consecuencia de
ese giro vara directamente con el cambio de longitud que
experimenta la probeta, segn la siguiente
relacin.LI/L0=senx0/senxIL0 es la longitud inicial del
monocristal.LI es la longitud final del monocristal.x0 es el ngulo
entre el eje de aplicacin de la carga y el plano de
deslizamiento.xI es el ngulo que forma el plano de deslizamiento
con respecto al eje de aplicacin de la carga una vez que acaba la
deformacin.Si tenemos un esfuerzo axial, se comprueba que los
planos de deslizamiento se han reorientado de manera que se sitan
paralelamente al eje de traccin.De igual forma, si tenemos la
probeta sometida a compresin, los planos de deslizamiento tienden a
alinearse perpendiculares al eje de aplicacin de la carga.Como
consecuencia de esto, sistemas de deslizamiento que no eran activos
al principio de aplicar la tensin, empiezan entonces a ser activos,
ya que alcanzan el valor de tensin de cizalladura resuelta crtica
suficiente para empezar a deslizar.Para unagregado
policristalino(metal) formado por gran cantidad de granos, la
situacin se complica debido a las siguientes causas: Tenemos gran
cantidad de granos orientados al azar, por lo que la direccin de
deslizamiento vara de un grano a otro. En cada grano, el movimiento
de las dislocaciones tiene lugar segn un sistema de deslizamiento
que sea el ms favorablemente orientado. Existen interacciones a
travs de los bordes de grano entre los granos que se deforman. La
integridad mecnica del material se mantiene precisamente a travs de
los lmites de grano (no se separan ni se deslizan).Los lmites de
grano son zonas muy pequeas, y debido a lo anterior (mantienen
integridad mecnica), cada grano individual est parcialmente
constreido a la forma que puede asumir debido a la presencia de los
lmites de grano.Cuando aplicamos un esfuerzo de traccin dado en un
material policristalino, el deslizamiento comienza en los sistemas
mejor orientados de cada grano. A medida que desliza, el grano se
va alargando, rotando hacia el eje de traccin, de tal manera que
debido a la cohesin entre los lmites de grano, ste fuerza a que los
granos contiguos, que no han empezado a deslizar, tambin roten, y
al girar, algn sistema que en un principio no era activo, se sita
en una orientacin tal que se alcance el valor de la tensin de
cizalladura resuelta crtica, y por lo tanto empiece a deslizar.An
cuando un grano est favorablemente orientado para el deslizamiento,
ste no puede empezar a deslizar hasta que los granos adyacentes y
menos favorablemente orientados sean tambin capaces de deslizar.
Esto requiere una mayor tensin, ya que debe conseguirse que en cada
grano haya algn sistema de deslizamiento activo.Por eso el lmite
elstico de un material policristalino es mucho mayor que el de un
monocristal del mismo material.Si tuvisemos una probeta de un
material de una misma fase con la superficie pulida, al deformarla
observaremos bandas de deslizamiento en cada uno de los granos, que
estarn orientadas en distintas direcciones (vase figura 18). Tambin
puede darse la existencia de ms de un sistema de deslizamiento
activo para un mismo grano, por lo que se observarn bandas de
deslizamiento con distintas orientaciones en ese grano.La
orientacin de los granos cuando se aplica un esfuerzo implica que
los granos se alarguen, en la direccin del eje de aplicacin de la
carga si el esfuerzo es de traccin, y perpendicularmente al mismo
si el esfuerzo es de compresin. Debido a esto, la orientacin de los
granos nos permite identificar el tipo de esfuerzo al que ha sido
sometido el material (vase figura 19).Hay un mecanismo de
deformacin plstica que no vamos a tratar, que es elmaclado. Este
mecanismo es mucho menos importante que el deslizamiento.La
deformacin plstica de un material ser ms fcil cuando exista un
mayor nmero de sistemas de deslizamiento, ya que es ms probable que
se alcance la tensin de cizalladura resuelta crtica al orientarse
el grano de una forma ms rpida.Todas las tcnicas de refuerzo que
estudiaremos se basan en el impedimento al movimiento de las
dislocaciones. De esta forma el material no se deforma
plsticamente, o hace falta ms tensin para deformarlo.En general,
todos estos mecanismos conllevan las siguientes consecuencias en
las propiedades mecnicas:1. Aumento de la dureza del material.1.
Aumento de la resistencia a la traccin (RM).1. Aumento del lmite
elstico.1. Disminucin de la ductilidad.1. Disminucin de la
tenacidad.Los mecanismos de refuerzo son: Endurecimiento por
deformacin plstica en fro. Endurecimiento por solucin slida
sustitucional. Endurecimiento por solucin slida intersticial.
Endurecimiento por afino o reduccin del tamao de grano.
Fortalecimiento por precipitacin. Fortalecimiento por dispersin de
otras fases en la estructura. Fortalecimiento por vacantes.
Fortalecimiento por transformacin martenstica (lo estudiaremos para
los aceros, pero se puede dar en otros tipos de aleaciones).En
muchos casos los materiales se endurecen por varios de estos
mecanismos que actan simultneamente. La contribucin al
endurecimiento de cada mecanismo es muy difcil de cuantificar.
Endurecimiento por deformacin plstica en fro:Se denomina acritud
(Ver DPF1, DPF2, DPF3 y DPF4). Lo que ocurre es que introducimos
dislocaciones en el material (generamos nuevas dislocaciones). La
densidad de defectos (dislocaciones) es del orden de 106. Cuando
generamos acritud en el material, la densidad de dislocaciones se
eleva a 1012. Estas dislocaciones se generan a partir de las que ya
existan en el material a travs del mecanismo de Frank-Read.Aparte
de esto, tambin se ponen en movimiento las dislocaciones
existentes, que para seguir movindose demandarn esfuerzos
crecientes. Cuando las dislocaciones empiezan a moverse se
aproximan unas a otras y llega un momento en el que se repelen,
debido a que en el entorno de la dislocacin existe un campo de
tensiones.La dislocacin de borde positiva genera tensiones de
traccin en su parte inferior y de compresin en la parte superior,
mientras que una dislocacin de borde negativa genera compresin en
la parte superior y traccin en la inferior.Si tenemos muchas
dislocaciones del mismo signo en el mismo plano, cuando se
aproximen se van a repeler, ya que van a tener campos de tensiones
enfrentados, que bloquean el movimiento de las dislocaciones.Otro
efecto que se produce cuando hay muchas dislocaciones es que las
dislocaciones de distinto signo (especialmente las de borde) se
pueden llegar a anular (este fenmeno ocurre en menor
proporcin).Otro efecto es que las dislocaciones se pueden quedar
ancladas en obstculos (vacantes, precipitados...) impidiendo la
deformacin plstica del material.Por ltimo, una dislocacin puede
inmovilizarse por la accin de otras dislocaciones (queda anclada,
impidiendo el deslizamiento).En la fotocopia DPF4 tenemos la
relacin:We(%)=[(A0-AU)/AU]*100Con A0 rea inicial de la seccin
transversal y AU rea de la seccin transversal tras la
deformacin.Factores que afectan a la acritud (Vase DPF2): Hay
factores tanto internos como externos.El grado de deformacin en
fro, la naturaleza del esfuerzo y la velocidad de aplicacin del
esfuerzo son factores externos que afectan a la acritud del
material.Podemos reducir la seccin del material mediante una
laminacin (tensin de compresin) o mediante una extrusin (compresin
y cizalladura), y lo podemos realizar a diferentes velocidades.Con
respecto a los factores internos tenemos el tipo de sistema
cristalino del material, el grado de pureza del metal, el tamao de
grano y la energa de los defectos de apilamiento (es un defecto que
proviene de que una dislocacin de borde se separe en dos
dislocaciones, y que lleva asociada mayor o menor energa
dependiendo del tipo de material).nes un parmetro mecnico con el
que cuantificamos la acritud del material (n se obtiene a partir de
la ecuacin de Ludwik).4) Endurecimiento por reduccin del tamao de
grano:Los materiales metlicos son agregados policristalinos
formados por granos que tienen una orientacin cristalogrfica
diferente (a pesar de tener la misma estructura cristalina). La
interfase de los granos (es decir, el lmite de grano), supone una
barrera para el deslizamiento de las dislocaciones, en primer
lugar, porque para pasar a otro grano contiguo, la dislocacin tiene
que cambiar de direccin, lo cul supone un esfuerzo adicional. El
segundo motivo es que el lmite de grano