INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL. ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

CIENCIA DE LOS MATERIALES. II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez.

ÍNDICE GENERAL. Tema: UNIDAD I - NORMATIVIDAD. 1.1.ANTECEDENTES 1.2.DEFINICIÓN DE PROPIEDADES MECÁNICAS 1.3.FINALIDAD 1.4.CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ENSAYOS 1.5.NORMAS Y ESPECIFICACIONES UNIDAD II - COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS METALES. 2.1.CONCEPTO DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN 2.2.DEFORMACIÓN ELÁSTICA (LEY DE HOOKE) 2.3.DEFORMACIÓN PLÁSTICA DE MONOCRISTALES Y POLICRISTALES 2.4.EFECTO DE VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y 2.5.TIEMPO 2.6.PROBLEMAS UNIDAD III - EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL. 3.1.DUREZA 3.1.1.Principios y Objetivos 3.1.2. Equipos y materiales de prueba 3.1.3. Procedimientos y rnétodos de prueba 3.1.4. Conversiones de dureza 3.1.5. Aplicaciones. 3.2.TENSIÓN 3.2.1. Introducción. 3.2.2. Interpretación del diagrama esfuerzo – deformación. 3 2.3. Procedimientos y métodos de prueba 3.2.4. Determinación de propiedades 3 2.5. Aplicaciones y problemas 3.3.Compresión 3.3.1. Introducción 3.3.2. Compresión de materiales dúctiles 3.3.3. Compresión de materiales frágiles 3.3.4. Discusión de resultados 3.3.5. Aplicaciones

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Tema: 3.4.FLEXION 3.4.1.Principios y objetivos 3.4.2.Determinación de propiedades 3.4 3.Extensometría eléctrica 3.4.4. Aplicaciones y problemas 3.5.IMPACTO 3.5.1.Principios y objetivos 3 5.2.Clasificación de pruebas de impacto 3 5.3. Formas de fractura 3.5.4. Equipos y materiales de pruebo 3.5.5. Curva de energía de fractura vs. temperatura 3.6.TORSIÓN 3.6.TORSIÓN 3.6.1. Principios y objetivos 3.6.2. Curva de torsión 3.6.3. Interpretación y uso de resultados 3.6.4. Relación entre el módulo de elasticidad y módulo de rigidez 3.7.TERMOFLUENCIA 3.7.1. Principios y objetivos 3.7.2. Procedimientos y método de prueba 3.7.3. Curva de termo fluencia (deformación - tiempo y esfuerzo temperatura) 3.7.4. Interpretación y uso de resultados 3.8.TENACIDAD 3.8.1. Principios y objetivos 3.8.2. Concentración de esfuerzos 3.8.3. Criterio de la energía de Griftith 3.8.4. Tenacidad de fractura 3.8.5. Interpretación de resultados 3.9.FATIGA 3.9.1. Fundamentos generales 3.9.2. Procedimientos y métodos de prueba 3.9.3. Tensiones cíclicas 3.9.4. Iniciación de propagación de la grieta 3.9.5. Factores que afectan a la vida a fatiga 3.9.6 Influencia del medio 3.9.7. Análisis, interpretación y uso de resultados 3.10. DESGASTE 3.10.1. Principios y objetivos 3.10.2. Superficies sólidas 3.10 3. Contaminantes 3.10.4. Interpretación de resultados y aplicaciones

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TEMA: UNIDAD IV - FRACTURA: MECANICA DE LA FRACTURA Y FRACTOGRAFIA. 4.1.CONCEPTOS GENERALES 4.2.MECANISMOS DE FRACTURA EN LA FALLA DE METALES 4.2.1 Fundamentos de fractura 4.2.2. Fractura dúctil 4 2.3. Fractura frágil 4.2.4. Fractura por fatiga 4.2.5 Termofluencia y ruptura por esfuerzo 4.2.6. Fracturas por esfuerzo y corrosión 4.2.7. Ensayos de fractura por impacto 4.2.8. Aplicaciones ; 4.3.ORIGEN Y PREVENCIÓN DE LAS FALLAS POR FRACTURA EN LOS METALES 4 3.1. Diseño 4.3 2. Selección de los materiales 4.3.3. Procesamiento de los materiales 4.3 4. Condiciones de servicio 4.4.DETECCIÓN DE MATERIALES POTENCIALMENTE DEFECTUOSOS UNIDAD V - ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS. 5.1.CONCEPTOS GENERALES 5.2.RAYOS X 5.3 PARTICULAS MAGNETICAS 5.4.PARTICULAS FLOURECENTES 5.5.ULTRASONIDO 5.6.CORRIENTES PARASITAS UNIDAD VI - ANALISIS Y PREVENCIÓN DE FALLAS OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. 6.1.OBSERVACIONES INICIALES 6.1.1. Definiciones 6.1.2. Tipos de fracturas 6.1.3. Selección, prevención y limpieza de muestra 6.2.DATOS INFORMATIVOS DE LAS CAUSAS DE LA FALLA 6.2.1. Defectos por diseño 6.2.2. Defectos en proceso de fabricación o de manufacturación 6.2.3 Daños durante la operación 6.3.ESTUDIO DE LABORATORIO 6.3.1 Resultados de ensayo no destructivos 6.3.2. Resultados de ensayos destructivos

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TEMA: 6.4. SINTESIS DEL ESTUDIO DE LA FALLA 6.4.1. Análisis experimentales de esfuerzos 6.4.2. Análisis de datos y resultados 6.4 3 Prevención de fallas (modelos, simulaciones, etc.) 6.4.4. Condiciones de garantía BIBLIOGRAFIA INDICE GENERAL NORMA DGN 2001

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BIBLIOGRAFIA:

INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA. Sydney Avner Editorial Mc. Graw Hill. 1992. MATERIALES PARA INGENIERIA. Van Vlack, Laurence H. Editorial CECSA 1981. CIENCIA E INGENIERIA DE L.OS MATERIALES. Donald R. Askeland. Editorial International Thomson , 2000 MATERIALES DE INGENIERIA Y SUS APLICACIONES Flinn. Richard Edítorial Mc Graw Hill. 1989. CIENCIA DE MATERIALES, SELECCIÓN Y DISEÑO Pat L. Mangonon Editorial Prentice may, 2201 FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES William F. Smith Ed. Mc Graw - Hill HANDBOOK OF MATERIALS SELETION FOR ENGINEERING APPLICATIONS T. Murria Editorial Marcel Derker, Inc. AND INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCIE AND ENGENIERING Walls/Courtney/wulff Editorial Wiley

Ciencia de los materiales II

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PROLOGO. El presente libro de texto, representa la información de notas, apuntes y datos técnicos que cubren en general el programa de Ciencias de los Materiales II que se imparte en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (Unidad Profesional Azcapotzalco) dependiente del Instituto Politécnico Nacional a los alumnos del segundo año de la carrera de Ingeniería Mecánica. Debido a lo anterior si existieran dudas respecto a lo conjugado se anexa la bibliografía de la respectiva información. Así mismo contiene parte de la experiencia profesional del autor, estos son problemas reales que se presentan en el medio profesional donde se desenvolverán los futuros Ingenieros.

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FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA. El ingeniero mecánico en su carácter de transformador de la energía, requiere poseer conocimientos técnicos de los materiales que habrá de laborar en su vida profesional, de ahí que el plan de estudios de la carrera de ingeniero mecánico se contemple la asignatura de ciencia de los materiales II en el 4° semestre en la que se ofrece al futuro profesional, de acuerdo con el perfil que el mismo tiene, las herramientas que le permitan la resolución de problemas que involucren la selección de materiales, las pruebas mecánicas y pruebas no destructivas, así como su cálculo y diseño. Los materiales de ingeniería han evolucionado en forma acelerada a través de los tiempos de tal manera que en la actualidad son una parte integral de la ciencia y la tecnología moderna, esto implica la necesidad de trabajar con nuevos y mejores materiales, así como establecer la metodología apropiada para su empleo en el campo de la industria, donde se requiere de egresados de las carreras de ingeniería que hayan aprendido a calcular, diseñar, interpretar y seleccionar nuevos materiales para su empleo. Esto le permitirá integrarse de manera exitosa en la vida, laboral del área de metal mecánica. Como antecedente directo se relaciona con las asignaturas de química I y II y ciencia de los materiales I, así como apoya a todas las asignaturas de la carrera cuya base es el conocimiento de los materiales: Tratamientos térmicos, Mecánica, Diseño, Selección y Aplicación de materiales, Resistencia de los materiales, Procesos de manufactura, Proyecto mecánico entre otras. Las Unidades han sido diseñadas como una guía para el docente, lo que no exime que él mismo pueda enriquecerlas, ya que el Plan de Estudios de la Carrera de Ingeniería es flexible y admite más y mejores modificaciones. El curso teórico de Ciencia de los materiales II, está contenido en seis unidades: I. Normatividad. II. Comportamiento mecánico de los materiales. III. Evaluación de las propiedades mecánicas de los materiales y su control. IV. Fractura: Mecánica de la Fractura y Fractografía. V. Ensayos no destructivos. VI. Análisis y prevención de fallas. El programa también contiene un listado de practicas de laboratorio, mismo que en su desarrollo ofrece el auxilio practico a la teoría. Se sugiere realizar un mínimo de diez practicas de laboratorio durante el curso.

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OBJETIVO GENERAL DE LA ASIGNATURA. AI término del curso el alumno empleará los conocimientos obtenidos que le permitan seleccionar adecuadamente los materiales para su aplicación tanto en el diseño de elementos de máquinas, como en los procesos de manufactura, en función de sus propiedades mecánicas. Además aplicará los conocimientos adquiridos para determinar los defectos de los materiales, empleando las pruebas no destructivas como un análisis y prevención de fallas en los materiales utilizados en Ingeniería. ESTRATEGIA DIDACTICA PARA TRABAJAR CON LAS UNIDADES. Exposiciones o intervenciones orales, recursos audiovisuales: acetatos, transparencias, retroproyector de cuerpos opacos, Data-show, dinámicas grupales como: bina, escenificación, panel, trabajo en grupos, Phillips 6,6, acuario, taller, debate, comunidad de cuestionamiento, mesa redonda, entrevista, conferencias, estudios de caso entre otras, dibujos gráficas, esquemas, cuadros sinópticos, trabajos extraclase, investigación bibliográfica, investigación de campo y practicas de laboratorio.

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UNIDAD 1. NORMATIVIDAD. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. Interpretara la importancia de conocimiento de las normas para pruebas de los materiales y su aplicación en la selección de materiales y sus usos. TEMAS: 1.1.Antecedentes_______________________5 1.2.Definición de propiedades mecánicas____7 1.3.Finalidad__________________________8 1.4.Clasificación general de los ensayos____9 1.5.Normas y especificaciones___________-15

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UNIDAD I. NORMATIVIDAD.

1.1 ANTECEDENTES. Definiciones de normalización y algunas consideraciones sobre este concepto. Aun cuando desde hace algún tiempo se habla y se escribe con cierta insistencia sobre el término normalización, en pocas ocasiones se ha tratado sobre su definición aun a pesar de que uno de los propósitos fundamentales de la Normalización es precisamente de definir. Definición adoptada por la ISO La organización internacional de Normalización ISO, organismo constituido por la mayor parte de los países que tienen una institución encargada del proceso de normalizaron a nivel nacional, tiene varios Comités especiales que dependen directamente de su Consejo Directivo. Uno de estos comités es el Comité para el estudio de los Principios Científicos de la Normalización (STACO), el cuál esta formado por expertos en materia de normalización que pertenecen a varios países e instituciones. Entre los primeros documentos que preparó este comité, para someterlos a la aprobación del consejo de la ISO, incluyó las definiciones de normalización y de norma, mismas que tardó más de cinco años discutiéndolas. De acuerdo con la STACO el concepto de normalización es primero y luego el de norma; para STACO

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tiene primer lugar la acción, el proceso y luego su reconocimiento por una determinada institución, debido a eso aprobó primeramente en 1961 la definición de normalización, y en 1962 la de norma. La definición de normalización según la STACO es la siguiente: “La normalización es el proceso de formular y aplicar reglas con el propósito de realizar un orden en una actividad especifica, para el beneficio y con la cooperación de todos los intereses, y en particular para la obtención de una economía de conjunto óptima, teniendo en cuenta las características funcionales y los requisitos de seguridad. Se basa en los resultados consolidados de la ciencia, la técnica y la experiencia. Determina no solamente la base para el presente sino también para el desarrollo futuro y debe mantener su paso acorde con el progreso. Algunas aplicaciones particulares son: 1. Unidades de medida. 2. Terminología y representación simbólica. Productos y procesos (definición y selección de las características de productos, métodos de prueba y de medición, especificación de las características de los productos para definir su calidad, regulación de la definición de norma según la STACO es la siguiente: Una norma es el resultado de una gestión particular de normalización, aprobada por una autoridad reconocida.

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Puede tomar la forma de: 1. Un documento que contiene un conjunto de condiciones por ser cumplidas. 2. Una unidad fundamental o una constante física, ejemplo: amperio, cero absoluto (Kelvin), etc. 3. Un objeto para comparación física, ejemplo: metro. Algunas consideraciones sobre la definición adoptada por la ISO. De la anterior concepción de normalización podemos observar que primeramente se define que es normalización, en que consiste “es el propósito de formular y aplicar reglas”, luego se indica su fin practico “con el propósito de realizar un orden”, en un horizonte determinado “en una actividad especifica”, se mencionan también sus condiciones “con la cooperación de todos los interesados y teniendo en cuenta las características funcionales y los requisitos de seguridad” y su propósito fundamental 2para la obtención de una economía de conjunto optima”. Cabe observarse que su propósito fundamental esta en función de las circunstancias pues partiendo de la premisa de que las normas inducen un determinado comportamiento en su campo de aplicación, este comportamiento influye a su vez en la utilización y productividad de todos los factores de la producción y en algunos casos preponderantemente en el uso de ellos.

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consideramos a la normalización como una disciplina técnica, que debe tener un mínimo de rigor. Por último dice la STACO que determina no solamente la base para el presente sino también para el desarrollo futuro, aquí es justo deducir que la STACO con un criterio muy amplio no fija ningún limite, considerando tal vez que la Normalización tiene varios niveles de acción, pues mientras resulta bastante lógico considerar presente y futuro en una recomendación internacional dada la variedad de países y la gran diferencia existente entre sus niveles de desarrollo industrial, no lo parece mucho en una norma a nivel de empresa. Por ultimo considerándola también de una manera más técnica, la STACO menciona también que normalizar es: especificar, simplificar y unificar, entendiendo que: • Especificar es definir calidad. • Simplificar es reducir modelos superfluos y • Unificar es definir las características dimensionales para asegurar ínter cambiabilidad. Definición desde el punto de vista etimológico. Desde el punto de vista etimológico, la palabra normalización proviene de norma, está a su vez del latín norma que definen como regla a la que se modela voluntariamente una acción.

Más adelante menciona STACO que “se basa en los resultados consolidados de la ciencia, la técnica y la experiencia”, lo cuál es obvio si 6

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Definición de normalización adoptadas por algunos organismos nacionales de normalización. Francia Para la Asociación Francesa de normalización “AFNOR” La normalización es un conjunto de técnicas que tiene por objeto definir colectivamente, en consideración de categorías determinadas de necesidades, gamas correspondientes de productos o métodos propios a satisfacerlos (aptitudes de empleos) eliminando las complicaciones y las variedades superfluas por medio de la simplificación, con el fin de permitir una producción y una utilización racional, sobre las bases de técnicas válidas en el momento. Inglaterra Para la Institución Británica de Normas (BSI). Normalización es el proceso de definir y aplicar, las condiciones necesarias para asegurar que una categoría dada de requisitos puedan corrientemente ser cumplidos, con un mínimo de variedad, de una manera económica y reproducible, y sobre de la mejor técnica actual. Alemania El Comité Alemán de Normas (DNA). Definió a la Normalización en 1940, desde un punto de vista muy general, en la siguiente forma: por normalización se entienden los sistemáticos trabajos de unificación llevados a cabo colectivamente sobre bases de utilidad general y con la participación de todos los sectores que, en caso, estén interesados.

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La norma es la misma solución adoptada para un problema que se repite. México En México la vigente Ley General de Normas y de Pesas y Medidas, publicada en el diario Oficial de la Federación, el día 7 de Abril de 1961, define norma industrial en su artículo 4o. como sigue: Articulo 4º.- Norma Industrial es el conjunto de especificaciones en que se define, clasifica y califica un material, producto o procedimiento para que se satisfaga las necesidades y usos a que está destinado. Por último y a manera de conclusión podemos considerar que una definición es la objetivización de un concepto, es su determinación; definir un concepto es determinar su posición dentro del sistema de todos los conceptos relacionados. La definición es una presentación verbal o escrita de características elegidas para exponer: • Lo que el concepto tiene en común con sus conceptos relativos y • Por cuales atributos se distingue de ellos. 1.2 DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS. PROPIEDADES MECÁNICAS. Mechanical properties. Características de los materiales mecánicos. Por ejemplo: modulo, esfuerzo permisible, relación esfuerzo -.deformación, dureza, límite de fatiga, tenacidad a la fractura.

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Modulo de elasticidad: cociente de la fuerza de estiramiento, como en el espécimen de prueba por la unidad de área de la sección transversal con el alargamiento por la unidad de longitud su valor es del orden de 105 Pascal o 107Lb/pulg2 para los metales. Esfuerzo permisible: esfuerzo de trabajo; esfuerzo de trabajo. Valor del esfuerzo en el material por de bajo del cual el objeto tiene un margen de seguridad apropiado. El esfuerzo permisible es menor que el esfuerzo de daño a causa de factores desconocidos en la uniformidad del material, limitaciones en el análisis de esfuerzos e incertidumbre respecto al uso del objeto en servicio. Relación esfuerzo deformación: Efecto de aumentar el esfuerzo sobre los materiales y su correspondiente aumento en la deformación que tiene una relación única para cada uno. Con esfuerzos hasta el limite de elasticidad, el material recuperará su longitud original al eliminarse el esfuerzo, y con este tramo de la cúrvale cociente del esfuerzo entre la deformación es una constante denominada módulo de Young del material del que se dice que obedece entonces a la ley de Hooke. Por la fluencia de cargas que inducen esfuerzos superiores al punto de fluencia, el material deja de ser elástico y, después de pasar por un estado plástico, finalmente se fracturara. Dureza: Resistencia a la deformación, es medida por lo general al calibrar la resistencia a la identación mediante alguna de las diversas pruebas de dureza.

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Límite de fatiga: Límite superior del rango de esfuerzo que un metal puede soportar de manera indefinida. Tenacidad a la fractura: Medida de la tolerancia al daño de un material que presenta fallas o grietas iniciales. 1.3 FINALIDAD Principios Generales Normalización

de

la

El proceso de normalización industrial, elaboración y aplicación de normas, ha adquirido una creciente popularidad en el ámbito nacional que data de unos pocos años. En el caso de lo países altamente industrializados, la normalización de cincuenta años a la fecha, ha llegado a ser considerada como indispensable tanto por la producción como para la presentación de determinados servicios. La normalización es consecuencia de una serie de pasos, de estudios y discusiones, sin embargo, tratándose de generalizar, se puede decir que las dos fases más importantes de la normalización son: primero la elaboración de normas y, segundo su aplicación. Obvio resulta decir que es imposible aplicar normas sin antes haberlas preparado, pero si es necesario aclarar, que para la elaboración de normas es necesario tener en cuenta una serie de principios generales. Como todos sabemos, la normalización es la captación de la realidad, es imposible basarla en principios rígidos, establecidos a priori, que la quiten la necesaria flexibilidad para adaptarse a las

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necesidades, a la técnica y a la idiosincrasia nacional. La normalización debe ser considerada como una gestión paralela al proceso de producción y al proceso de desarrollo de los productos. La experiencia ha permitido establecer unos principios generales que deben tenerse en cuenta para realizar una verdadera normalización. Estos principios, que no significan ningún obstáculo, han sido expuestos ya por muchos expertos en normalización, en distintas épocas y lugares; estos principios son los de Homogeneidad, Equilibrio y Cooperación. En cuanto a homogeneidad, en un tiempo determinado al conjunto de normas debe constituir un todo perfectamente homogéneo; en el caso de equilibrio, la normalización debe realizar un estado de equilibrio entre las necesidades del progreso técnico y las posibilidades económicas; por último, es indispensable un principio de cooperación, la normalización es una obra eminentemente colectiva, en consecuencia, es necesario que sea establecida con el consenso y la cooperación de todos los intereses afectados. El principio de equilibrio garantiza que las normas no sean especulaciones cerebrales de escritorio, sin fruto de la colaboración de todos los sectores afectados. La normalización debe lograr un estado de equilibrio entre las necesidades del progreso y las posibilidades económicas. El último de estos tres principios generales de la normalización es la cooperación. La normalización es una obra de carácter eminentemente colectivo, en

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la que deben participar todos los sectores interesados, en una discusión franca y libre que garantice en consenso nacional. La división, menos extensa de los sectores interesados que puede afectar la aplicación de una norma, es la que los clasifica en tres grandes grupos: 1. Sector de interés general. 2. Sector productor. 3. Sector consumidor. El sector de interés general incluye a todos aquellos que no están directamente afectados por la aplicación de una norma, es decir, que no pertenecen a los sectores de producción ni de consumo; en este grupo se incluye a los profesores, a los consultores técnicos, a los investigadores, asociaciones de profesionistas, etc. El sector productor, se refiere a los fabricantes del producto por normalizar, en el caso de que una norma sea preparada exclusivamente por miembros de este sector, éstos estarían asumiendo una doble misión, la de hacer el producto y juzgarlo; o lo que es más, hacerlo de acuerdo con su único y propio criterio; puede verse tentado a establecer niveles mas bajos de los alcanzables, en perjuicio del consumidor y sin el estimulo de exigencias que lo obliguen a una constante superación. Al sector consumidor pertenecen tanto los consumidores directos como los intermediarios. Si una norma fuera elaborada exclusivamente con la opinión de este sector, seguramente los consumidores con su desconocimiento de las posibilidades industriales, exigirían niveles de calidad difícilmente alcanzables, 9

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provocando sin preverlo, un encarecimiento o la inaplicabilidad de la norma, y no se cumpliría tampoco con el principio general de equilibrio. 1.4 CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ENSAYOS Que es un ensayo: Los ensayos tienen como finalidad determinar las características de los materiales. Clasificación de los ensayos: 1.1 Ensayos de características Químico: Determinar la composición de los materiales. Cristales: Determinar la cristalización, se realiza mediante un microscopio electrónico. Microscópicos: Determinar el grano. Macroscópicos: Determinar la fibra Térmicos: Puntos de fusión. Puntos críticos. Constituyentes: (Ej. (Carburo de...) 1.2 Ensayos destructivos: (E.D.) Ensayos de propiedades mecánicas: Estáticos: Durezas, Tracción, Compresión, Cizalladura, Flexión, Pandeo, Fluencia Dinámicos: Resistencia al choque, Desgaste, Fatiga 1.3 Ensayos tecnológicos: Determ. el comportamiento de los mat. ante operaciones industriales: Doblado, Plegado, Forja, Embutición, Soldadura, Laminación,... 1.4 Ensayos No destructivos: (Por orden de importancia)Rayos X, Rayos Gamma (Se usa un isótopo reactivo, uso de radiografías), Ultrasonidos, Partículas magnéticas, Líquidos

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penetrantes, Corrientes Inducidas, Magnéticos, Sónicos (Es el más utilizado, un mat. sin grietas tiene un sonido agudo; si el mat. Tiene grietas el sonido es más grave.) •Que es un ensayo de dureza: las propiedades mecánicas de los materiales son: COHESION: Resistencia de los átomos a separarse unos de otros. ELASTICIDAD: Capacidad de un material de recobrar su forma primitiva cuando cesa la causa que los deformara. PLASTICIDAD: Capacidad de un material a deformarse. Se clasifica en: MALEABILIDAD: Facilidad a deformarse en láminas. DUCTILIDAD: Facilidad a deformarse en hilos. Para determinar la cohesión se realizan ensayos de DUREZA y tamaño del grano. Para determinar la elasticidad y la plasticidad se realizan ensayos de TRACCION y COMPRESION. 2 - Definiciones de Dureza. a) Dureza al rayado: Resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. Dureza Mohs (mineralúgica), Dureza Lima, Dureza Martens, Dureza Turner. b) Dureza a la penetración: Resistencia que opone un material a dejarse penetrar por otro más duro. HBS y HBW, HR, HV, HK, POLDI (Brinell dinámico), Herziana, Monotrón. c) Dureza elástica: Reacción elástica del material cuando se deja caer sobre él un cuerpo más duro. SHORE y Método Dinámico.

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d) Dureza Pendular: Resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él.

Entra, la lima raya al material; Dureza menor de 60 HRC b) Dureza a la penetración:

a) Dureza al Rayado. * Dureza MOHS: Se usa para determinar la dureza de los minerales. Se basa en que un cuerpo es rayado por otro más duro. Esta es la escala de Mohs: 1 - Talco 6 - Feldespato (Ortosa) 2 - Yeso 7 - Cuarzo 3 - Calcita 8 - Topacio 4 - Fluorita 9 - Corindón 5 - Apatita 10 - Diamante La fundición gris esta entre 8 y 9; el hierro dulce en el 5; y los aceros entre 6,7 y 8.

* Dureza HERZIANA: Viene determinada por la menor carga que hay que aplicar a un material (con bolas de 1,5 a 4 mm. de acero extraduro) para que deje huella. * Dureza MONOTRON: Es una variante de la dureza Herziana. Viene expresada por la carga que hay que aplicar para producir una penetración de 0,0018 pulgadas. El penetrador es una semiesfera de diamante de 0,75 mm. Tiene dos dispositivos, uno que da la carga aplicada y un sensor que para el ensayo cuando la penetración es de 0,0018Ó.

* Dureza MARTENS: Se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90º, con una carga constante y determinada. Se aplica sobre superficies nitruradas. Se mide “a” en micras y la dureza Martens viene dada por: DUREZA MARTENS= peso en gr que produce en el material una huella de 10 micras * Dureza TURNER: Es una variante de la dureza Martens. La dureza viene dada en función de los gramos necesarios (carga necesaria, P) para conseguir una deformación tal que a = 10 micras. El valor de las carga será el valor de la dureza Turner. * Dureza a la lima: Se usa en industria. En todo material templado la lima no "entra". Dependiendo de sí la lima entra o no entra sabremos: No entra, el material raya a la lima; Dureza mayor de 60 HRC

* Dureza BRINELL ( HBS y HBW): UNE 7-422-85 Este método consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, sobre un material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo también conocido. HB viene dado por: DUREZA=(fuerza aplicada (kgf))/(superficie esférica de la huella) El valor de la carga P viene dado por: P = K D2, donde K=cte. de ensayo. El tiempo de ensayo es t=10 - 15 seg. según normas UNE. Los valores de K para algunos materiales son: Aceros y elementos siderúrgicos: K=30 ; Cobres, Bronces, Latones: K=10 ; Aluminio y aleaciones: K=5 ; Materiales blandos (Sn, Pb): K=2,5; No se utilizan los ensayos Brinell para durezas superiores a 500 (aceros templados), porque se deforman las bolas.

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Nomenclatura: XXX HBS (D/P/t) Ej. 156 HBS 10/3000/15. Generalmente se usan bolas de 10 mm; cuando t = 15 seg. no hace falta indicarlo. Condiciones de ensayo: 1 - La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes. 2 - El espesor de la probeta (s), debe ser al menos ocho veces la flecha de la impronta. ( s = 8f) 3 - La distancia entre 2 huellas = (4:6) d; la distancia del centro de la huella al borde = (2,5:3) d. 4 - Temperatura de ensayo = 23 C ±5 Uso de HBS: -Cálculo de la resistencia a la tracción. r= mH n * Dureza Meyer ( HBW ): Es igual que la Brinell excepto que S es la superficie proyectada de la huella: HV=1,8544 P/l [kg/mm] * Dureza ROCKWELL ( HRx ): UNE 7-424/89/1 (Normal) UNE 7-424/89/2 (Superficial) El método Rockwell se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella. Permite medir durezas en aceros templados. Da directamente la dureza en el durómetro: - escala de bolas de 130 divisiones (rojo) - escala de conos de 100 divisiones (negro)

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Los ensayos se pueden realizar con 2 tipos de penetradores: Bolas de 1/8” y 1/16” y Conos de 120º ángulo en el vértice. Las cargas se aplican en dos tiempos; primero se aplica la carga previa (10 — 3 Kp); y posteriormente se mete el resto de la carga. A partir de introducir la carga adicional se mide la dureza. La carga previa en HR normal es de 10 Kp y en HR superficial es de 3 Kp. Nomenclatura: XXX HRx t XXX HRS P/t Condiciones de ensayo: 1 - La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes. 2. El espesor de la probeta debe ser 10 veces la penetración del cono. s = 10 f 3-La distancia entre 2 huellas = 3d; la distancia del centro de la huella al borde = 2,5d 4 - Temperatura de ensayo = 23º C ±5ºC 5. Si las piezas son cilíndricas y d0,5 mm. => d±0,01 mm. HV se redondea a la décima. HV>25 ++> se redondea a la unidad. Ventajas del método Vickers:

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1. Las huellas Vickers son comparables entre sí; independientes de las cargas. 2. Pueden medirse una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegándose hasta 1.150 HV. 3. Se pueden medir piezas muy delgadas con cargas peque-as, hasta espesores de orden de 0,05 mm. 4. Puede medirse dureza superficial. (para determinar recubrimientos de los materiales) 5. La escala Vickers es más detallada que la Rockwell; 32 unidades Vickers = 1 unidad Rockwell 6. Como es preciso examinar la huella puede comprobarse el estado del penetrador. * Dureza KNOOP ( HK ): Se usa para durezas normales (P=15 Kp), superficiales (P=1/2-1 Kp) y microdurezas (P=10 gr-500 gr). El penetrador esta hecho con una pirámide rómbica con relación entre diagonales de 1:7. Sus ángulos entre aristas son a = 130¡ y b = 170º30”. El método Knoop se emplea sólo en laboratorio, para medir la dureza de láminas muy delgadas, incluso de depósitos electrolíticos. Nomenclatura: XXX HK P/t Condiciones de Ensayo: 1. D £ 3e (e= espesor de la probeta) * Dureza POLDI : Es una variable de la dureza Brinell. Es portátil. Es independiente del tiempo de carga.

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Ciencia de los materiales II

Se basa en ejercer una carga P sobre el durómetro que nos producirá 2 huellas en dos probetas, una de dureza conocida y otra de dureza desconocida. La dureza esta en razón inversa del tipo del material (duro, blando). Nomenclatura: XXX HBS D POLDI c) Dureza elástica: * Dureza SHORE ( HS ): Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide. La práctica se realiza en un ESCLEROMETRO o escleroscopio, aparato formado por un tubo de cristal de 300 mm. de altura, por cuyo interior cae un martillo con punta de diamante redondeada de 2,36 gr. La altura de la caída es de 254 mm. y la escala esta dividida en 140 divisiones Nomenclatura: XXX HS Condiciones de ensayo: 1. Superficie plana, limpia, pulida y perpendicular al esclerímetro. 2. Hacer 3 ensayos y cada vez en sitios diferentes (endurecimiento de la superficie por el choque). Ventajas del método Shore: 1. No produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado. 2. Permite medir dureza superficial de piezas terminadas.

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

3. Es el único ensayo NO destructivo para medir durezas. * Método Dinámico para ensayo de la dureza al rebote ( L ): Este método se basa en las medidas de las velocidades de impulsión y rebote de un cuerpo móvil impulsado por un resorte contra la superficie del material metálico a ensayar. Existen curvas de relación de L con HB y HRC. El tiempo de ensayo es de 2 seg. y el durómetro puede estar en cualquier posición (horizontal, vertical, inclinado...), vasta con luego restar al resultado 10 si estaba horizontal, y diferentes valores(18...26) si estaba invertido. Uso industrial: Piezas de gran tamaño, Mapas de dureza de una misma pieza. Ventajas: Operario No cualificado, Resultados independientes del operario • Dureza por rebote • DUROSCOPIO: d) Dureza pendular: Se basa en la resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él. Sirve para materiales con reacción elástica muy alta. Consiste en 2 péndulos, uno se apoya sobre un eje de cuarzo y el otro sobre el material a ensayar. Se dejan caer y empiezan a oscilar, como son diferentes materiales tienen diferentes durezas, luego hay una descompensación de oscilaciones, cuando las oscilaciones coinciden de nuevo se mide el tiempo que han tardado en coincidir y luego con ese tiempo se traduce a la dureza correspondiente.

14

Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

* Método UCI: Es un aparato portátil, con un penetrador piramidal de 136º entre caras de diamante. Se coloca el penetrador que vibra con una frecuencia y una carga de 5 Kp. Según la huella que produce se genera una frecuencia de resonancia, que es traducida por el aparato al dato numérico de la dureza que se halla seleccionado, puesto que nos puede dar cualquiera (HBS, HRx, HV,...). Existe una relación directa entre la frecuencia de resonancia y la dureza del material. * Relación de HBS con HRb y HRc. Fórmulas empíricas de tolerancia ±10%: Con esto quedan explicados los ensayos de dureza para cualquier tipo de material, al no haber podido encontrar nada acerca de los ensayos de dureza en los materiales plásticos. Deformación plástica por mezclado

FOMENTO INDUSTRIAL NORMA MEXICANA NMX-B-242-1990 PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO CON RESISTENCIA A LA TENSION INTERMEDIA Y BAJA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN A PRESION DIRECCION NORMAS

SECRETARIA DE COMERCIO Y

Y

DE

PREFACIO En la elaboración de esta norma participaron las siguientes empresas e instituciones: BABCOCK & WILCOX DE MEXICO, S.A. DE C.V. CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION. CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO. COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD. DEPARTAMENTO DE LA INDUSTRIA MILITAR. DEPARTAMENTO DEL DISTRITO FEDERAL. FERROCARRILES 1 OBJETIVO APLICACIÓN

1.5 NORMAS ESPECIFICACIONES

GENERAL

Y

CAMPO

DE

1.1 Esta Norma Oficial Mexicana establece los requisitos que deben cumplir las plantas de acero al carbono, con resistencia a la tensión intermedia y baja, que se utilizan en la fabricación de calderas y recipientes que trabajan a presión.

15

Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

Este material es adecuado para soldarse. A opción del fabricante, las planchas pueden fabricarse de acero calmado, semicalmado o tapado. 1.2 La norma contempla tres clases de planchas, las cuales se indican en 3.1. 1.3 El espesor máximo de las planchas que se contemplan en esta norma es de 50mm. 2

REFERENCIAS

Esta norma se complementa con la siguiente Norma Oficial Mexicana vigente:

requisitos aplicables de la NOM-B246, como son: definiciones, inspección, certificación, etc. 4.1.2 Además de los requisitos básicos, esta norma también incluye requisitos suplementarios, los cuales deben aplicarse sólo cuando se especifiquen pruebas o exámenes adicionales, para cumplir con el uso final. Los requisitos suplementarios se indican en esta norma, y se detallan en la NOM-B-246. 4.1.3 En caso de discrepancia en cuanto a requisitos, deben prevalecer en primer lugar los indicados en esta norma sobre los especificados en la NOM-B-246. 4.1.4 Tratamiento térmico.

NOM-B-246 "Requisitos generales para planchas de acero para recipientes que trabajan a presión." 3 CLASIFICACIÓN DESIGNACIÓN

Y

Las planchas se suministran, generalmente sin tratamiento térmico (en su condición de laminado). Pueden solicitarse normalizadas o con relevado de esfuerzos, o con ambos tratamientos.

3.1 Clasificación

4.2

Las planchas se clasifican conforme a sus niveles de resistencia a la tensión en tres clases: A, B y C.

El acero debe cumplir con la composición química indicada en la tabla 1.

3.2

Tabla 1.- Composición química, en por ciento.

Designación

Requisitos químicos.

La designación debe ser la que se establece en la NOM-B-246. 4

ESPECIFICACIONES

4.1

Requisitos generales.

4.1.1 A menos que se especifique otra cosa, las planchas objeto de esta norma, deben cumplir con los

Nota.- (a) Se aplica para ambos análisis ( de colada y de producto). 16

Ciencia de los materiales II

4.3

Requisitos de tensión.

El material debe cumplir con los requisitos de tensión indicados en la tabla 2.

5

MUESTREO

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

valor de 0.2% de deformación, o por el método de extensión total bajo carga, considerando una deformación de 0.5% de la longitud calibrada. 7 REQUISITOS SUPLEMENTARIOS 7.1 Los requisitos suplementarios sólo deben aplicarse a solicitud del comprador, previo acuerdo con el fabricante. Los detalles de estos deben ser los que se especifican en la NOM-B-246. A continuación se da una lista de los requisitos suplementarios a los que se pueden someter las planchas objeto de esta norma.

El muestreo debe efectuarse conforme a lo indicado en la NOM-B246.

7.1.1 Tratamiento térmico simulado, posterior a la soldadura de probetas, para pruebas mecánicas. 7.1.2 Prueba de tensión adicional.

Tabla 2.- Requisitos de tensión.

7.1.3 Prueba de doblado.

Notas.-

7.1.4 Contenido de cobre

a) Ver inciso 6.2 de esta norma.

El contenido de cobre en el análisis de colada debe ser de 0.20% a 0.35% y para el análisis de producto de 0.18% a 0.37%.

b) Ver requisitos de tensión de la NOM-B-246. 6

MÉTODOS DE PRUEBA

6.1 Los métodos de prueba para verificar las especificaciones de esta norma, deben ser los indicados en la NOM-B-246. 6.2 En la prueba de tensión, el límite de fluencia debe determinarse, ya sea empleando el método de deformación permanente especificado (Off-Set), utilizando un

SECRETARIA DE COMERCIO Y FOMENTO INDUSTRIAL NORMA MEXICANA NMX-B-244-1990 PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO, PARA SERVICIO A TEMPERATURAS ALTAS E INTERMEDIAS, PARA

17

Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

RECIPIENTES QUE TRABAJAN A PRESION

RECIPIENTES QUE TRABAJAN A PRESION 1 OBJETIVO APLICACION

DIRECCION NORMAS

GENERAL

DE

PREFACIO En la elaboración de esta norma participaron las siguientes empresas e instituciones. BABCOCK & WILCOX MEXICO, S.A. DE C.V.

DE

CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION. CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO. COMISION ELECTRICIDAD.

FEDERAL

DEPARTAMENTO INDUSTRIA MILITAR. DEPARTAMENTO DISTRITO FEDERAL.

DE LA DEL

FERROCARRILES NACIONALES DE MEXICO. -

SISTEMA DE TRANSPORTE COLECTIVO -METRO-.

PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO, PARA SERVICIO A TEMPERATURAS ALTAS E INTERMEDIAS, PARA

CAMPO

DE

1.1 Esta Norma Oficial Mexicana establece los requisitos que deben cumplir las planchas de acero al carbono silicio, destinadas principalmente para servicio a temperaturas altas e intermedias, en calderas y otros recipientes soldados que trabajan a presión. 1.2 Esta norma contempla cuatro clases de planchas, las cuales se indican en 3.1. 1.3 Los espesores máximos de las planchas, solamente están en función de la capacidad de la composición química para cumplir con los requisitos de tensión especificados; sin embargo, los espesores máximos de las planchas contempladas en esta norma, se limitan a los siguientes: 2

DE

Y

REFERENCIAS

Esta norma se complementa con las siguientes Normas Mexicanas vigentes: NOM-B-246 “Requisitos generales para planchas de acero para recipientes que trabajan a presión”. NOM-B-261 “Inspección ultrasónica con haz angular de planchas de acero”. NOM-B-476 “Método de inspección ultrasónica con haz recto para planchas de acero”.

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Ciencia de los materiales II

3 CLASIFICACION DESIGNACION 3.1

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

Y

Clasificación

Las planchas se clasifican conforme a sus niveles de resistencia a la tensión, en cuatro clases: 3.2

Designación

La designación debe ser conforme a lo indicado en la NOM-B-246.

4

ESPECIFICACIONES

4.1.3 En caso de discrepancia en cuanto a requisitos, deben prevalecer en primer lugar los indicados en esta norma, sobre los especificados en la NOM-B-246. 4.2

El acero debe ser calmado, y a menos que se especifique otra cosa, debe fabricarse de tal manera que se obtenga una microestructura de grano grueso. Entendiéndose por grueso aquel que tiene un número de 1 a 5 (ver NOM-B-246). 4.3

4.1

Requisitos generales

4.1.1 Las planchas suministradas bajo esta norma deben cumplir con los requisitos aplicables de la NOMB-246, como son: definiciones, inspección, certificación, etc. 4.1.2 Además de los requisitos básicos de esta norma, se incluyen requisitos suplementarios, los cuales deben aplicarse cuando se especifiquen pruebas o exámenes adicionales, para cumplir con el uso final. Dichos requisitos suplementarios se indican en 7.

Fabricación

Tratamiento térmico

4.3.1 Las planchas de 50mm de espesor y menores se suministran generalmente sin tratamiento térmico (en su condición de laminado). Estas planchas pueden solicitarse normalizadas o con relevado de esfuerzos, o con ambos tratamientos. 4.3.1.1 Las planchas con espesor mayor de 50 mm deben ser normalizadas. 4.4

Requisitos químicos

4.4.1 El acero debe cumplir con los requisitos químicos indicados en la tabla 1

19

Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

6

METODOS DE PRUEBA

Los métodos de prueba para verificar las especificaciones de esta norma deben ser los indicados en la NOM-B246. 7 REQUISITOS SUPLEMENTARIOS

Tabla 1. Composición química, en por ciento. Nota.- (a) Se aplica para ambos análisis (de colada y de producto). 4.5

Requisitos de tensión

El material debe cumplir con los requisitos de tensión indicados en la tabla 2.

Los requisitos suplementarios solo deben aplicarse a solicitud del comprador, previo acuerdo con el fabricante. Los detalles de éstos deben ser los que se especifican en la NOM-B-246. A continuación se da una lista de los requisitos Suplementarios a que pueden someterse las planchas objeto de esta norma. 7.1

Análisis de producto.

7.2 Tratamiento térmico simulado posterior a la soldadura de probetas para pruebas mecánicas. 7.3

Prueba de tensión adicional.

7.4 Prueba de impacto tipo Charpy con ranura en "V". Tabla 2.- Requisitos de tensión. Nota de la tabla 2.- (a) Ver requisitos de tensión de la NOM-B-246. 5

MUESTREO

El muestreo debe efectuarse conforme a lo indicado en la NOM-B246.

7.5

Prueba de caída de peso.

7.6 Examen ultrasónico, conforme a lo indicado en la NOM-B-476. 7.7 Examen magnéticas.

con

partículas

7.8 Examen ultrasónico, conforme a lo indicado en la NOM-B-261. 7.9

Prueba de doblado.

20

Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

SECRETARIA DE COMERCIO Y FOMENTO INDUSTRIAL NORMA MEXICANA NMX-B-243-1990 PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO-MANGANESO DE AL RESISTENCIA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN PRESION DIRECCION NORMAS

GENERAL

DE

PREFACIO En la elaboración de esta norma participaron las siguientes empresas e instituciones. BABCOCK & WILCOX DE MEXICO, S.A. DE C.V. CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION. CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO. COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD. DEPARTAMENTO DE LA INDUSTRIA MILITAR. DEPARTAMENTO DEL DISTRITO FEDERAL. FERROCARRILES NACIONALES DE MEXICO. SISTEMA DE TRANSPORTE COLECTIVO -METRO-.

1 OBJETIVO APLICACIÓN

Y

CAMPO

DE

1.1 Esta Norma oficial Mexicana establece los requisitos que deben cumplir las planchas de acero al carbono - manganeso, con alta resistencia a la tensión, las cuales se emplean en la fabricación de recipientes que trabajan a presión. Este material es adecuado para soldarse. 1.2 Las planchas se producen a partir de un acero semicalmado o tapado Sin embargo, a opción del fabricante o del comprador, el acero puede ser calmado con silicio o con aluminio. 1.3

-

2

El espesor máximo de las planchas objeto de esta norma es de 20mm. REFERENCIAS

Esta norma se complementa con la siguiente Norma Oficial Mexicana vigente: NOM-B-246 "Requisitos generales para planchas de acero, para recipientes que trabajan a presión." 3 CLASIFICACIÓN DESIGNACIÓN 3.1

Y

Clasificación

Las planchas objeto de esta norma se

PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO-MANGANESO DE AL RESISTENCIA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN PRESION

21

Ciencia de los materiales II

suministran en una sola clase, por lo que no requieren clasificación. 3.2

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

b)

Cuando el contenido de silicio es mayor de 0.10%, el contenido máximo de carbono no debe exceder de 0.28%.

c)

A opción del fabricante o del comprador, el contenido máximo de silicio puede ser hasta 0.40% en el análisis de colada y hasta 0.45% en el análisis de producto.

4.4

Requisitos de tensión

Designación

La designación debe ser conforme a lo indicado en la NOM-B-246.

4

ESPECIFICACIONES

4.1

Requisitos generales

4.1.1 A menos que se especifique otra cosa, las planchas suministradas bajo esta norma deben cumplir con los requisitos aplicables de la NOMB-246, como son: definiciones, inspección, certificación, etc.

El material debe cumplir con los requisitos de tensión indicados en la tabla 2. 5

4.1.2 En caso de discrepancia en cuanto a requisitos, deben prevalecer en primer lugar los indicados en esta norma sobre los especificados en la NOM-B-246.

4.2

MUESTREO

El muestreo debe efectuarse conforme a lo indicado en la NOM-B246.

Tratamiento térmico

Las planchas se suministran generalmente, sin tratamiento térmico (en su condición de laminado). Pueden solicitarse normalizadas o con relevado de esfuerzos, o con ambos tratamientos. 4.3 Requisitos químicos El acero debe cumplir con la composición química indicada en la tabla 1. Tabla 1.- Composición química. Notas.a) Se aplica para ambos análisis (de colada y de producto).

Tabla 2. Requisitos de tensión. Nota.- (a) Ver requisitos de tensión en la NOM-B-246. 6

MÉTODOS DE PRUEBA

Los métodos de prueba, deben ser los indicados en la NOM-B-246.

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Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

7 REQUISITOS SUPLEMENTARIOS 7.1 Los siguientes requisitos suplementarios, deben aplicarse por acuerdo previo entre fabricante y comprador; y deben especificarse en la orden de compra. En la NOM-B-246 se indican otros requisitos suplementarios, los cuales puede solicitar el comprador. Aquellos que se consideran adecuados para usarse en esta norma, se indican a continuación. 7.2 Tratamiento térmico simulado posterior a la soldadura de probetas para pruebas mecánicas. 7.3

Prueba de doblado

SECRETARIA DE COMERCIO Y FOMENTO INDUSTRIAL

BABCOCK & WILCOX DE MEXICO, S.A. DE C.V. CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION. CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO. COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD. DEPARTAMENTO DE LA INDUSTRIA MILITAR. DEPARTAMENTO DEL DISTRITO FEDERAL. FERROCARRILES NACIONALES DE MEXICO. SISTEMA DE TRANSPORTE COLECTIVO -METRO-. PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO-MANGANESO DE AL RESISTENCIA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN PRESION 1 OBJETIVO APLICACION

Y

CAMPO

DE

NORMA MEXICANA NMX-B-243-1990 PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO-MANGANESO DE AL RESISTENCIA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN PRESIÓN DIRECCION NORMAS

GENERAL

1.1 Esta Norma oficial Mexicana establece los requisitos que deben cumplir las planchas de acero al carbono - manganeso, con alta resistencia a la tensión, las cuales se emplean en la fabricación de recipientes que trabajan a presión. Este material es adecuado para soldarse.

DE

PREFACIO En la elaboración de esta norma participaron las siguientes empresas e instituciones.

1.2 Las planchas se producen a partir de un acero semicalmado o tapado Sin embargo, a opción del fabricante o del comprador, el acero puede ser calmado con silicio o con aluminio.

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Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

1.3 El espesor máximo de las planchas objeto de esta norma es de 20mm. 3

REFERENCIAS

Esta norma se complementa con la siguiente Norma Oficial Mexicana vigente:

4.2

Las planchas se suministran generalmente, sin tratamiento térmico (en su condición de laminado). Pueden solicitarse normalizadas o con relevado de esfuerzos, o con ambos tratamientos. 4.3

NOM-B-246 "Requisitos generales para planchas de acero, para recipientes que trabajan a presión." 3 CLASIFICACION DESIGNACION 3.1

Y

Clasificación

Las planchas objeto de esta norma se suministran en una sola clase, por lo que no requieren clasificación. 3.2

Designación

La designación debe ser conforme a lo indicado en la NOM-B-246. 4

ESPECIFICACIONES

4.1

Requisitos generales

4.1.1 A menos que se especifique otra cosa, las planchas suministradas bajo esta norma deben cumplir con los requisitos aplicables de la NOMB-246, como son: definiciones, inspección, certificación, etc. 4.1.2 En caso de discrepancia en cuanto a requisitos, deben prevalecer en primer lugar los indicados en esta norma sobre los especificados en la NOM-B-246.

Tratamiento térmico

Requisitos químicos

El acero debe cumplir con la composición química indicada en la tabla 1. Tabla 1.- Composición química. Notas.a) Se aplica para ambos análisis (de colada y de producto). b) Cuando el contenido de silicio es mayor de 0.10%, el contenido máximo de carbono no debe exceder de 0.28%. c) A opción del fabricante o del comprador, el contenido máximo de silicio puede ser hasta 0.40% en el análisis de colada y hasta 0.45% en el análisis de producto. 4.4

Requisitos de tensión

El material debe cumplir con los requisitos de tensión indicados en la tabla 2. 5

MUESTREO

El muestreo debe efectuarse conforme a lo indicado en la NOM-B246.

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Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

Tabla 2. Requisitos de tensión. Nota.- (a) Ver requisitos de tensión en la NOM-B-246. 6

METODOS DE PRUEBA

7 REQUISITOS SUPLEMENTARIOS 7.1 Los siguientes requisitos suplementarios, deben aplicarse por acuerdo previo entre fabricante y comprador; y deben especificarse en la orden de compra. En la NOM-B-246 se indican otros requisitos suplementarios, los cuales puede solicitar el comprador. Aquellos que se consideran adecuados para usarse en esta norma, se indican a continuación. 7.2 Tratamiento térmico simulado posterior a la soldadura de probetas para pruebas mecánicas.

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Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

UNlDAD II. COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS METALES. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. AI finalizar la Unidad el alumno, obtendrá los conocimientos del esfuerzo y la deformación aplicados sobre los materiales, cuando se les aplica una carga o fuerza, además sabrá a interpretar la curva de esfuerzo - deformación en el ensayo de tensión y compresión, además determinará algunas propiedades de los materiales a partir de este diagrama, etc. Aplicará los conocimientos anteriores en la solución de problemas planteados en clase.

TEMAS: 2.1.CONCEPTO DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN____________________27 2.2.DEFORMACIÓN ELASTICA (LEY DE HOOKE)______________________28 2.3.DEFORMACIÓN PLASTICA DE MONOCRISTALES Y POLICRISTALES__34 2.4.EFECTO DE VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y TIEMPO____________36 2.6.PROBLEMAS________________________________________________37

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Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

UNIDAD II. COMPORTAMIENTO DE LOS METALES.

MECANICO

OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. Al finalizar la Unidad el alumno, obtendrá los conocimientos del esfuerzo y la deformación aplicados sobre los materiales, cuando se les aplica una carga o fuerza, además sabrá interpretar la curva de esfuerzo – deformación en el ensayo de tensión y compresión, además determinará algunas propiedades de los materiales a partir de este diagrama, etc. Aplicará los conocimientos anteriores en la solución de problemas planteados en clase. COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS METALES.

como el esfuerzo por unidad de área. El esfuerzo unitario generalmente se expresa en unidades de libra por pulgada cuadrada (lb/pulg2), y para una carga axial tensil o una comprensiva, se calcula como la carga por unidad de área. La deformación o alargamiento total en cualquier dirección es el cambio total de una dimensión del cuerpo en esa dirección, y la deformación o tensión unitaria es la deformación o alargamiento por unidad de longitud en esa dirección. Inicialmente, la deformación es en esencia proporcional al esfuerzo; además, es reversible. Después de eliminar el esfuerzo, la deformación desaparece. El modulo de elasticidad es la relación entre el esfuerzo σ y la deformación reversible ε : σ Ε= ε

2.1 CONCEPTO DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN. Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza externa que tiende a cambiar su forma o tamaño, el cuerpo se resiste a esa fuerza. La resistencia interna del cuerpo se conoce como esfuerzo y los cambios en las dimensiones del cuerpo que la acompañan se llaman deformaciones o alargamientos. El esfuerzo total es la resistencias interna total que actúa en una sección del cuerpo. Por lo general, la cantidad determinada es la intensidad de esfuerzo o esfuerzo unitario, definida

Cuando una pieza de metal es sometida a una fuerza de tensión uniaxial, se produce una deformación del metal. Si el metal vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa, se dice que el metal ha experimentado una deformación elástica. El número de deformaciones elásticas que un metal puede soportar es pequeño, puesto que durante la deformación elástica los átomos del metal son desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que

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Ciencia de los materiales II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

tomen nuevas posiciones fijas. De esta manera, cuando la fuerza sobre el metal que ha sido deformado elásticamente cesa, los átomos del metal vuelven a sus posiciones originales y el metal adquiere de nuevo su forma original. Si el metal es deformado hasta el extremo de que no puede recuperar completamente sus dimensiones originales, se dice que ha experimentado una deformación plástica. Durante la deformación plástica, los átomos del metal son desplazados permanentemente de sus posiciones originales y toman nuevas posiciones. La capacidad de algunos metales de ser deformados plásticamente en gran extensión sin sufrir fractura, es una de las propiedades más útiles de los metales para ingeniería. Por ejemplo, la deformabilidad plástica del acero posibilita que parte del automóvil tales como parachoques, cubiertas y puertas sean troqueladas mecánicamente sin romperse el metal. 2.2 DEFORMACIÓN (LEY DE HOOKE)

ELÁSTICA

Deformación elástica procede a la deformación plástica. Esta ocurre cuando se aplica un esfuerzo a una pieza de metal o cualquier material sólido. Cuando la carga se aplica en tensión, la pieza se vuelven un poco más larga; al quitar la carga, la muestra regresa a sus dimensiones originales. Inversamente, cuando la carga se aplica en comprensión, la muestra se vuelve un poco más corta. Dentro de la región elástica, la deformación es resultado de una ligera elongación de la celda unitaria

en la dirección de la tensión, o de una ligera contracción en la dirección de la comprensión

Fig. 6.3.1 deformación elástica normal (muy exagerada). a) tensión, b) sin deformar y c) comprensión. Cuando ocurre una deformación elástica, ésta es casi proporcional al esfuerzo. Esta relación entre esfuerzo y deformación, es el módulo de elasticidad (módulo de Young) y es una característica del tipo de metal. Entre mayores sean las fuerzas de atracción entre los átomos en un metal, mayor es un módulo de elasticidad. Cualquier elongación o comprensión de la estructura cristalina en una dirección, debida a una fuerza uniaxial, produce un cambio de las dimensiones perpendiculares a la fuerza. Por ejemplo, en la figura, se produce una pequeña contracción perpendicular a la fuerza de tensión. La razón negativa entre la deformación lateral ε x y la deformación paralela al esfuerzo de tensión ε y se llama la razón de Poisson υ

υ=−

εX εY

28

Ciencia de los materiales II

En las aplicaciones a la ingeniería, los esfuerzos cortantes también aparecen en estructuras cristalinas ver figura.

Deformación elástica cortante. a) sin deformación, b) deformación cortante. Estos producen un desplazamiento de un plano de átomos con relación a otro adyacente. La deformación elástica cortante γ , se define como la tangente del ángulo α .

γ = tan α ; Y el módulo de corte G, es la razón τ a la del esfuerzo cortante deformación cortante γ : G=

τ γ

Este modulo de corte (También llamado de rigidez) es diferente del módulo de elasticidad E; sin embargo, los dos están relacionados por la expresión.

E = 2G(1 + υ )

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

de la compresibilidad β del material y es igual a la presión hidrostática σ h por unidad de volumen comprimido ∆V : V σV 1 K= h = . β ∆V

El módulo volumétrico se relaciona a el módulo de elasticidad como sigue: K=

E . 3(1 − 2υ )

Ley de Hooke. Los diagramas de esfuerzodeformación para la mayoría de los materiales de ingeniería, exhiben una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación unitaria dentro de la región elástica. Por consiguiente, un aumento en el esfuerzo causa un aumento proporcional en la deformación unitaria. Este hecho fue descubierto por Roberto Hooke en 1676 cuando utilizaba resortes, y se conoce como ley de Hooke. Puede expresarse matemáticamente como:

σ = Eε

Como la relación de Poisson normalmente esta entre 0.25 y .50 el valor de G es de alrededor de 35% de E.

Aquí E representa la constante de proporcionalidad, que es el módulo de elasticidad, o módulo de Young, en honor de Thomas Young, quien publicó en 1807 un trabajo sobre el asunto.

En los materiales se encuentra un tercer módulo elástico, el módulo volumétrico. K. Este es el recíproco

La ecuación anterior representa en realidad la ecuación de la proporción inicial en línea recta del diagrama

29

Ciencia de los materiales II

esfuerzo- deformación hasta el límite proporcional. Además, el módulo de elasticidad representa la pendiente de esta línea. Puesto que la deformación unitaria no tiene dimensiones, según esta ecuación, E tendrá un ideal es de esfuerzo, tales como psi, ksi o Pascales. Como ejemplo de este cálculo, consideremos el diagrama de esfuerzo-deformación para el acero mostrado en la (figura 3.6). Aquí σ pl = 35ksi y ε pl = 0.0012 in in , de

generalmente se acepta como de ESI = 29(103 )ksi ó 200GPa . Los valores comunes de E para otros materiales de ingeniería están a menudo tabulados en códigos de ingeniería y en libros de referencia. Debe observarse que el módulo de elasticidad es una propiedad mecánica que indica la rigidez de un material. Los materiales que son muy rígidos, como el acero, tienen valores grandes de E ESI = 29(103 )ksióGPa , mientras que los materiales esponjosos, como el hule vulcanizado, pueden tener valores bajos Er = 0.10 103 ksió0.70 MPa .

[

[

modo que

E=

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez. Cédula profesional: 1057705

( )

]

]

σ pl 35ksi = ε pl 0.0012 in in

Diagrama esfuerzo-deformación para un acero de bajo carbón. Como se muestra la figura 3.12, el límite proporcional para un tipo particular de acero depende de su contenido de aleación; sin embargo, la mayoría de los grados de acero, desde el acero rolado más suave hasta el acero de herramientas más duro, tienen aproximadamente el mismo módulo de elasticidad, que

El módulo de elasticidad es una de las propiedades mecánicas más importantes usadas en el desarrollo de las ecuaciones presentadas en este texto.

30

Ciencia de los materiales II

Por lo tanto, deberá siempre recordase que E puede usarse solo si un material tiene un comportamiento elástico lineal.

También, si el esfuerzo en el material es mayor que el límite proporcional, el diagrama de esfuerzo-deformación deja de ser una línea recta y la ecuación σ = Eε ya no es válida. 2.3 DEFORMACIÓN PLASTICA DE MONOCRISTALES Y POLICRISTALES. Introducción Cuando un material se tensa por debajo de su límite elástico, la deformación resultante es temporal. La supresión del esfuerzo da como resultado un retorno gradual del objeto a sus dimensiones originales. Cuando un material se tensa más allá de su límite elástico, tiene lugar una deformación plástica o permanente, y no regresará a su forma original por la sola aplicación de una fuerza. La posibilidad de que un metal sufra deformación plástica es probablemente su característica más relevante en comparación con otros materiales. Todas las operaciones de formado, como son troquelado, prensado, hilado, laminado o rolado, forjado, estirado y extrusión, se relacionan con la deformación plástica de los metales. Varias operaciones de maquinado, como fresado, torneado, corte por sierra y punzado también se relacionan con la deformación plástica. El comportamiento de un metal cuando se deforma plásticamente y el mecanismo mediante el cual ocurre

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son de interés perfeccionar la trabajado.

esencial para operación de

Se puede obtener mucha información respecto al mecanismo de deformación plástica al estudiar el comportamiento de un monocristal sujeto a esfuerzo y aplicando más tarde este conocimiento a un material policristalino. La deformación plástica puede tener lugar por deslizamiento, por maclaje o mediante una combinación de ambos procesos. Deformación por deslizamiento Si el monocristal de un metal es esforzado tensilmente más allá de su límite elástico, se alarga en forma ligera, aparece un escalón sobre la superficie indicando un desplazamiento relativo de una parte del cristal con respecto al resto y la elongación se detiene. Al aumentar la carga se producirá movimiento en otro plano paralelo y dará como resultado otro escalón. Es como si delgadas secciones vecinas del cristal se hubieran deslizado una sobre otra como cartas de baraja. Cada alargamiento sucesivo necesita un esfuerzo aplicado mayor y resulta en la aparición de otro escalón, que es realmente la intersección de un plano de deslizamiento con la superficie del cristal. El aumento progresivo de la eventualmente produce fractura del material.

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Vista de un cristal real Deformación por maclaje En ciertos materiales, particularmente metales c.p.h., el maclaje es uno de los principales medios de deformación. Esto puede causar un extensivo cambio en la forma o colocar planos potenciales de deslizamiento en una posición más favorable para el deslizamiento. El maclaje es un movimiento de planos de átomos en la red, paralelo a un plano específico (de maclaje) de manera que la red se divide en dos partes simétricas diferentemente orientadas. La cantidad de movimiento de cada plano de átomos en la región maclada es proporcional a su distancia del plano de maclaje, de manera que se forma una imagen especular a través del plano de maclaje. Las figuras 3.11 y 3.12 ilustran esquemáticamente el maclaje en una red f.c.c.

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En la figura 3.1 1, el plano de maclaje ( 111) corta al plano (1 1 0) a lo largo AB', que es la dirección de maclaje. La figura 3.12 muestra el mecanismo de maclaje. El plano del papel es el (110) y se toman juntas muchas celdas unitarias. Cada plano (111 ) en la región de maclaje se mueve tangencialmente a la dirección (112). El primero, CD, se mueve un tercio de una distancia interatómica; el segundo, EF, se mueve dos tercios de una distancia interatómica y el tercero, GH, se mueve un espacio entero.

Fig. 3.11 Diagrama de un plano de maclaje y dirección de maclaje en una red f.c.c.

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Al metalurgista le interesan dos tipos de maclaje:

Fig. 3.12 Diagrama esquemático de maclaje en. una red f.c.c. Si desde el átomo A’ se traza una línea perpendicular al plano de maclaje (AB'), se tendrá otro átomo, C', exactamente a la misma distancia del plano maclado, pero del otro lado. Lo mismo es cierto para todos los átomos en la región maclada, de modo que realmente se tiene una imagen especular en la región maclada que refleja la porción no maclada del cristal. Como los átomos terminan en espacios interatómicos, se ha cambiado la orientación de los átomos o la distancia entre ellos. Generalmente la región maclada comprende el movimiento de un gran número de átomos, y suele aparecer microscópicamente como una línea o banda ancha, como se indica en la figura 3.13. Esta fotografía muestra bandas de maclaje en zinc; nótese como las bandas cambian de dirección en la frontera de grano.

1

Maclajes -mecánicos o de deformación; prevalecientes principalmente en metales c.p.h. (magnesio, zinc, etc.) y en metales b.c.c. (tungsteno, hierro, etc.).

2

Maclajes de recocido, prevalecientes principalmente en metales f.c.c. (aluminio, cobre, latón, etc.). Estos metales han sido previamente trabajados y luego recalentados. Los maclajes se forman debido a un cambio en el mecanismo de crecimiento normal.

Fractura Es la separación de un cuerpo sujeto a un esfuerzo, en dos o más partes. La fractura se clasifica en frágil o dúctil. La fractura frágil generalmente comprende la rápida propagación de una grieta, con el mínimo de absorción de energía y de deformación plástica. En los monocristales, la fractura frágil ocurre Por clivaje a lo largo de un plano cristalográfico en particular [por ejemplo, el plano (100) en hierro]. En los materiales policristalinos, la superficie de fractura frágil muestra una apariencia granular debida a los cambios en orientación de los planos de clivaje de un grano a otro.

El plano y la dirección de maclaje no son necesariamente los mismos que los del proceso de deslizamiento. En los metales f.c.c., el plano de maclaje es el (111) y la dirección de maclaje es la (112); en los b.c.c., es el plano (112) y la dirección (111). 33

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2.3 Deformación monocristales

plástica

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de

Los metales con estructura cúbica u sus aleaciones no ordenadas se deforman predominantemente por corte plástico o deslizamiento. Este es también uno de los métodos de deformación en metales con estructura hexagonal. La deformación cortante ocurre aun en el caso de que e esfuerzo aplicado sea de tensión o de comprensión, debido a que estos esfuerzos se pueden descomponer en esfuerzos cortantes.

Deformación de policristalinos (a bajas temperaturas)

metales

El material comercial está siempre formado de granos policristalinos, cuyos ejes cristalinos se orientan al azar. Cuando un material policristalino está sujeto a esfuerzo, el deslizamiento empieza primero en aquellos granos en que el sistema de deslizamiento se halla más favorablemente situado 1 respecto al esfuerzo aplicado. Como se debe mantener el contacto en las fronteras de grano, podría necesitarse la acción de más de un sistema de deslizamiento. Existen suficientes datos que muestran que metales con granos finos son más fuertes y menos dúctiles que metales con granos gruesos. Como esto se atribuye a la interferencia de las fronteras con el deslizamiento, las propiedades se graficarán en función del área de la frontera entre granos (Fig. 6.5.1).

fig. 6.4.1 Deslizamiento en un monocristal El deslizamiento se produce principalmente a lo largo de ciertas direcciones y planos cristalinos. Esto se ilustra en la siguiente figura, donde un monocristal de un metal hexagonal compacto fue deformado plásticamente. El esfuerzo cortante requerido para iniciar el deslizamiento se llama esfuerzo crítico de corte. figura 6.5.1 resistencia y ductilidad

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Las fronteras entre granos (Sec. 4-4) interfieren con el deslizamiento, pues son sitios en donde terminan los planos cristalinos en donde las dislocaciones se mueven. Esto da lugar a un apilamiento de dislocaciones que va a tener el mismo efecto que un congestionamiento de tráfico en un viaducto (Fig. 6-5.2). Se requiere la aplicación de una fuerza (o esfuerzo) mayor para continuar con la deformación plástica.

figura 6.5.2 dislocaciones

apilamiento

de

Los metales Policristalinos se deforman de manera diferente a los monocristales. El monocristal de la Fíg. 6-4.1 no tuvo constricciones producidas por cristales adyacentes. En contraste, observe la Fig. 6-5.3 en donde evidente que el grano grande de cobre situado en el centro no cedió, en forma independiente de sus granos vecinos. El metalurgista puede demostrar que para que un grano se deforme en conjunto con sus vecinos, introducir fisuras o espaciamientos, deben operar simultáneamente dentro del grano, al menos cinco combinaciones de deslizamiento. Debido a que no todos los planos de deslizamiento están favorablemente orientados (Ej. 674.1(b)), podemos con facilidad darnos cuenta por qué un cristal metálico cF o cl, con un gran número de sistemas de deslizamiento (tabla 6-4.1) presenta una gran ductilidad y un metal hC presenta baja ductilidad.

Deformación de metales policristalinos (a altas temperaturas) En la Sección anterior se hizo ver que los metales de grano fino son mas resistentes que los de grano grueso a bajas temperaturas-. a temperaturas elevadas la difusión puede volverse significativa y encontramos que se presenta termofluencia. Como su nombre lo implica, es un proceso de deformación. Las velocidades de deformación van desde unos porcentajes por hora a cargas muy grandes o temperaturas muy altas hasta menos de 10-4 % por hora (Fig. 6-8. 1 ). Estas velocidades son muy bajas; sin embargo, considere su importancia cuando se diseña una planta de potencia impulsada por vapor o un reactor nuclear, los cuales deberán estar en servicio a altas temperaturas por muchos. La termofluencia también es importante en el diseño de turbinas de gas y otras aplicaciones que deberán operar sin cambio en dimensiones a altos esfuerzos y temperaturas elevadas para maximizar la eficiencia en la conversión de energía.

Como la termofluencia es dependiente del tiempo, podemos graficar la deformación en función de la temperatura. La Fig. 6-8.2 es un

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ejemplo. Cuando un metal se somete a esfuerzo, sufre de inmediato una deformación elástica, la cual es mayor entre más alto sea el esfuerzo aplicado o la temperatura. En el primer período de (región 1), el material sufre ajustes plásticos adicionales y relativamente rápidos en puntos donde los esfuerzos se concentrar a lo largo de fracturas de grano y de fisuras internas. Estos ajustes plásticos iniciales dan lugar a una velocidad de deformación lenta y casi estacionaria que definimos como rapidez o velocidad de deformación. La segunda región de termofluencia estacionaria continua a lo largo de un extenso periodo de tiempo, hasta que se ha producido suficiente deformación, de tal manera que se produce un encuellamiento y por ello una reducción de área. Con este cambio de área a carga constante, la rapidez de deformación se acelera hasta que ocurre la ruptura (región 3). Si se puede ajustar la carga para compensar la reducción en área y mantener un esfuerzo constante, la velocidad de termofluencia de la región 2 continuará constante hasta la ruptura.

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2.4 EFECTO DE VELOCIDAD DE DEFORMACION Y TIEMPO Cuando un material tiene que soportar una carga por un periodo de tiempo muy largo, puede continuar deformándose hasta que ocurra una fatiga súbita o su utilidad se ve amenazada. Esta deformación permanente dependiente del tiempo se llama flujo plástico. Normalmente el flujo plástico es tomado en cuenta cuando se usan metales o cerámicas como miembros estructurales o partes mecánicas sometidos a temperaturas elevadas. Sin embargo, algunos materiales, como los polímeros y materiales compuestos (incluyendo la madera y el concreto), si bien la temperatura no es un factor importante, el flujo plástico puede presentarse. Como ejemplo típico, consideremos el hecho de que una banda de hule no retorna a su forma original después de haber sido liberada de una posición estirada en la cual se mantuvo durante un periodo de tiempo muy largo. En sentido general, tanto el esfuerzo como la temperatura juegan un papel importante en la tasa del flujo plástico. Para efectos prácticos, cuando el flujo plástico resulta importante, un material se diseña usualmente para resistir una deformación unitaria por flujo plástico especificado para un periodo de tiempo determinado. A este respecto una propiedad mecánica importante que se usa para el diseño de miembros sometidos a flujo plástico es la resistencia por flujo plástico. Este valor representa el 36

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esfuerzo inicial más alto que el material puede soportar durante un tiempo especificado sin causar una cantidad determinada de deformación unitaria por flujo plástico. La resistencia por flujo plástico variara con la temperatura y para efectos de diseño, deberán especificarse la temperatura, la duración de la carga, y la deformación unitaria por flujo plástico permisible. Por ejemplo se ha sugerido una deformación unitaria por flujo plástico de 0.1% anual para el acero en pernos y en tuberías, y un 0.25% anual para el forro de plomo en cables. Existen varios métodos para determinar la resistencia por flujo plástico permisible para un material en particular. Uno de los más sencillos implica ensayar varias probetas simultáneamente a una temperatura constante, pero estando cada una sometida a un esfuerzo axial diferente.

Midiendo la longitud de tiempo necesaria para producir ya sea una deformación unitaria permisible o la deformación unitaria de rotura para cada probeta, se puede establecer una curva de esfuerzo contra tiempo. Normalmente estas probetas se efectúan para un periodo de 100 horas. En la figura 3.26 se muestra un ejemplo de los resultados para un acero inoxidable a una temperatura de 1200 grados F. este material tiene una resistencia de cadencia de 40 ksi (276 MPa) a la temperatura ambiente (con 0.2% de desviación del origen), y la deformación unitaria por flujo plástico prescrita es de 1%. Según la

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grafica, la resistencia por flujo plástico en 1000 horas seria, aproximadamente, σ = 20 ksi (138 MPa).

Diagrama esfuerzo-tiempo para acero inoxidable a 1200 °F

En general, la resistencia por flujo plástico disminuirá para temperaturas más elevadas o para esfuerzos aplicados mas elevados para periodo de tiempo mas largo, deberán hacerse extrapolaciones de las curvas. Para ello se requiere un cierto grado de experiencia con el comportamiento del flujo plástico y cierto conocimiento suplementario del uso de las propiedades del material bajo flujo plástico. Sin embargo una vez que la resistencia por flujo plástico de un material se ha determinado, se aplica un factor de seguridad para obtener un esfuerzo permisible apropiado para el diseño.

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2.5 Problemas. Problema No. 1 Una muestra de aluminio comercial puro de pulg. De ancho, de grueso y 8 pulg. De longitud, tiene unas marcas de calibración en el medio de la muestra, separadas 2 pulg., y es estirada de manera que dichas marcas se separan hasta 2.65 pulg. Calcular la deformación y el porcentaje de elongación que sufre la muestra.

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se muestra en la figura. Calcule el módulo de elasticidad y la resistencia de cedencia basados en una desviación de 0.2%. Identifique en la gráfica el esfuerzo ultimo y el esfuerzo de fractura.

SOLUCIÓN: SOLUCION: Deformación l-l 0 = 2.65 pu lg − 2.00 pu lg l 2.00 pu lg 0 0.65 pu lg ε= = 0.325 2.00 pu lg ε=

% de elongación = 0.325 x 100 % = 32.5 %

Problema N° 2 Una prueba de tensión para una aleación de acero da por resultado el diagrama esfuerzo-deformación que

Módulo de elasticidad Debemos calcular la pendiente de la porción de línea recta inicial de la gráfica. Usando la escala aumentada que se muestra (con línea más intensa) en la figura 3.17, esta línea se extiende desde el punto 0 hasta el punto A. Un punto en esta línea tiene coordenadas de (50 ksi, 0.001 6 in/in) aproximadamente. Por lo tanto, 50 ksi E= = 31.25(103 ) ksi Re sp. 0.0016 in/in Nótese que la ecuación de la línea OA es entonces σ = 31.25(103)Є. Resistencia de cedencia. Para una desviación de 0.2%, comenzamos con una deformación unitaria de 0.2%, ó 0.002 in/ín y gráficamente,

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extenderemos una línea (punteada) paralela a OA hasta que interseque a la curva σ - Є en A', figura del problema. La resistencia de cedencia es aproximadamente σ ys = 68 ksi Re sp. esfuerzo último. Está definido por la altura máxima de la curva σ - Є en la gráfica, punto B en la figura.

σ u = 108ksi Re sp. Esfuerzo de fractura. Cuando la probeta de ensayo se estire hasta su máximo de Єf = 0.23 in/in, se fracturará en el punto C, en la figura del problema. Entonces,

σ f = 90ksi Re sp. Problema N° 3 En la figura siguiente se muestra el Diagrama de esfuerzo-deformación para una aleación de aluminio utilizada para hacer partes para un aeroplano. Si una probeta de este material es esforzado hasta 600 MPa, determine la deformación unitaria permanente que permanece en la probeta cuando la carga se suprime. Calcule también el módulo de resiliencia tanto antes como después de la aplicación de la carga

SOLUCION: Deformación permanente. Cuando la probeta de ensayo se somete a un esfuerzo de 600 MPa, se endurece hasta que se alcanza el punto B en el diagrama esfuerzo - deformación, figura del problema. La deformación unitaria en este punto es aproximadamente de 0.023 mm/mm. Cuando la carga deja de actuar, el material se comporta siguiendo la línea recta BC, que es paralela a la línea OA. Puesto que ambas líneas tienen la misma pendiente, la deformación unitaria en el punto C puede determinarse analíticamente. La pendiente de la línea OA es el módulo de elasticidad, es decir,

E=

σ pl ε pl

=

450 Mpa = 75.0 GPa 0.006 mm/mm

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Del triángulo CBD en la figura, deducimos que

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ha disminuido, puesto que el área bajo la curva, OABF, es mayor que el área bajo la curva CBF.

BD 600(106 )Pa E= = = 75.0(109 ) Pa CD CD CD = 0.008 mm/mm Esta deformación unitaria representa la cantidad de deformación unitaria elástica recuperada. La deformación permanente, COO-I figura 3.18, es entonces

ε oc = 0.023 mm/mm − 0.00800 mm/mm = 0.0150 mm/mm Nota: Si las marcas de calibración en la probeta de ensayo estaban originalmente con una separación de 50mm, entonces después de que la carga es suprimida estas marcas estarán a 50 mm + (0.0150) (50 mm) = 50.75 mm de distancia. Módulo de resiliencia. Aplicando la ecuación, tendremos que 1 1 σ plε pl = (450MPa)(0.006mm/mm) 2 2 3 = 1.35MJ/m 1 1 (Ur)final = σ plε pl = (600MPa)(0.008mm/mm) 2 2 3 = 2.40MJ/m (Ur)inicial =

El efecto del endurecimiento del material ha causado un incremento en el módulo de resiliencia, como se advierte por comparación de las soluciones; sin embargo, nótese que el módulo de tenacidad del material 40

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UNIDAD III. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. Aplicará los principios de las principales pruebas mecánicas que se le realizan a los materiales, para que le permitan '', seleccionar adecuadamente este y su aplicación tanto en diseño de elementos de maquinas como en los procesos de manufactura en función de sus propiedades, además aplicará los conocimientos obtenidos en la solución de, problemas planteados en clase. TEMAS: 3.1.DUREZA______________________________________43 3.1.1.Principios y Objetivos 3.1.2. Equipos y materiales de prueba 3.1.3. Procedimientos y rnétodos de prueba 3.1.4. Conversiones de dureza 3.1.5. Aplicaciones. 3.2.TENSIÓN_____________________________________45 3.2.1. Introducción 3.2.2. Interpretación del diagrama esfuerzo - deformación 3 2.3. Procedimientos y métodos de prueba 3.2.4. Determinación de propiedades 3 2.5. Aplicaciones y problemas. 3.3.COMPRESIÓN________________________________46 3.3.1. Introducción 3.3.2. Compresión de materiales dúctiles 3.3.3. Compresión de materiales frágiles 3.3.4. Discusión de resultados 3.3.5. Aplicaciones 3.4.FLEXION_____________________________________49 3.4.1.Principios y objetivos 3.4.2.Determinación de propiedades 3.4 3.Extensometría eléctrica 3.4.4. Aplicaciones y problemas 3.5.IMPACTO____________________________________50 3.5.1.Principios y objetivos 3 5.2.Clasificación de pruebas de impacto 3 5.3. Formas de fractura 41

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3.5.4. Equipos y materiales de pruebo 3.5.5. Curva de energía de fractura vs. temperatura 3.6.TORSIÓN_______________________________________________56 3.6.1. Principios y objetivos 3.6.2. Curva de torsión 3.6.3. Interpretación y uso de resultados 3.6.4. Relación entre el módulo de elasticidad y módulo de rigidez 3.7.TERMOFLUENCIA________________________________________57 3.7.1. Principios y objetivos 3.7.2. Procedimientos y método de prueba 3.7.3. Curva de termofluencia (deformación - tiempo y esfuerzo - temperatura) 3.7.4. Interpretación y uso de resultados 3.8.TENACIDAD_____________________________________________63 3.8.1. Principios y objetivos 3.8.2. Concentración de esfuerzos 3.8.3. Criterio de la energía de Griftith 3.8.4. Tenacidad de fractura 3.8.5. Interpretación de resultados 3.9.FATIGA_________________________________________________65 3.9.1. Fundamentos generales 3.9.2. Procedimientos y métodos de prueba 3.9.3. Tensiones cíclicas 3.9.4. Iniciación de propagación de la grieta 3.9.5. Factores que afectan a la vida a fatiga 3.9.6 Influencia del medio 3.9.7. Análisis, interpretación y uso de resultados 3.10. DESGASTE____________________________________________66 3.10.1. Principios y objetivos 3.10.2. Superficies sólidas 3.10 3. Contaminantes 3.10.4. Interpretación de resultados y aplicaciones

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UNIDAD III.

tiene por lo general un disco autoindicador tal que la altura de rebote se indica automáticamente.

EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL.

3.1.2 Equipos y materiales de prueba. Prueba de Ralladura.

EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL 3.1DUREZA La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas.

Esta prueba la ideó Friedrich Mohs. La escala consta de diez minerales estándar arreglados siguiendo un orden de incremento de dureza. El talco es el 1, el yeso el 2, etc., hasta el 9 para el corindón y el 10 para el diamante. Si un material desconocido es rayado apreciablemente por el 6 y no por el 5, el valor de dureza está entre 5 y 6.

3.1.1.Principios y objetivos. Prueba de Lima. El valor de dureza obtenido en un prueba determinada sirve sólo como comparación entre materiales o tratamientos. La prueba de dureza se utiliza ampliamente para inspección y control. Cuando se establece el valor resultante de la dureza de un tratamiento térmico a un material dado por un proceso determinado, esa estimación proporcionará un método rápido y sencillo (de inspección y control) para el material y proceso particulares.

La pieza a prueba se somete a la acción de corte de una lima de dureza conocida, para determinar si se produce un corte visible. Las pruebas comparativas con una lima dependen del tamaño, forma y dureza de la lima; de la velocidad, presión y ángulo de limado durante la prueba; y de la composición y tratamiento térmico del material a prueba. 3.1.3 Procedimientos y métodos de pruebas.

Las diversas pruebas de dureza se pueden dividir en tres categorías:

RESISTENCIA A LA INDENTACIÓN

DUREZA ELÁSTICA.

Ensayo de Dureza Brinell.

Este tipo de dureza se mide mediante un escleroscopio que es un dispositivo para medir la altura de rebote de un pequeño martillo con emboquillado de diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba. El instrumento

El probador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operación manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la muestra.

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Para metales ferrosos, la bola (que es de 10 mm de diámetro) bajo presión es presionada dentro de la muestra a prueba por lo menos durante 10 seg; para metales no ferrosos el tiempo es de 30 seg.

menor todavía en sección, el número de dureza Rockwell es leído en el disco medidor. 3.1.4 Conversiones de dureza. Ensayo de Dureza Vickers.

El diámetro de la impresión producida es medido por medio de un microscopio que contiene una escala ocular, generalmente graduada en décimos de milímetro, que permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm. El número de dureza Brinell (HB) es la razón de la carga en kilogramos al área en milímetros cuadrados de la impresión, y se calcula mediante la formula: HB =

(

π D

2

)(D

L −

D 2 − d 2

)

Donde: L = Carga de prueba, kg. D = Diámetro de la bola, mm. d = Diámetro de la impresión, mm. Por lo general no se necesita hacer el cálculo, ya que hay tablas para convertir el diámetro de la grabación observada al número de dureza Brinell (consultar la tabla 1.4). Ensayo de Dureza Rockwell. En esta prueba de dureza se utiliza un instrumento de lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial. La prueba se lleva a cabo al elevar la muestra lentamente contra el marcador hasta que se ha aplicado una carga determinada menor. Esto se indica en el disco medidor. Luego se aplica la carga mayor a través de un sistema de palanca de carga, después de que la aguja del disco llega al reposo, se quita la carga mayor y, con la carga

En esta prueba, el instrumento utiliza un marcador piramidal de diamante de base cuadrada con un ángulo incluido de 136° entre caras opuestas. El intervalo de carga esta generalmente entre 1 y 120 kg. El probador de dureza Vickers funciona bajo el mismo principio que el probador Brinell, y los números se expresan en términos de carga y área de la impresión. Como resultado de la forma del marcador, la impresión sobre la superficie de la muestra será un cuadrado. Por lo general, hay tablas para convertir la diagonal medida al número de dureza piramidal Vickers (HV) o por medio de la formula: HV = 1.854 L d2 Donde: L = Carga aplicada, en kg. d = Longitud de la diagonal del cuadrado de la impresión, en mm. 3.1.5 Aplicaciones. Ensayo de Microdureza. Las cargas de prueba están entre 1 y 1000 g. Hay dos tipos de marcadores empleados para la prueba de microdureza: la pirámide de diamante Vickers de base cuadrada de 136° y el marcador Knoop de diamante alargado.El marcador Knoop tiene forma piramidal que produce una 44

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impresión en forma de diamante, y tiene diagonales largas y cortas a una razón aproximada de 7:1. la forma piramidal empleada tiene incluidos ángulos longitudinales de 172°30’ y ángulos transversales de 130°. La profundidad de impresión es como de 1/30 de su longitud. Por lo general, se utilizan tablas para convertir la longitud diagonal medida al número de dureza Knoop (HK), o mediante la fórmula siguiente: HK = 14.229 L d2 Donde: L = Carga aplicada, en kg. d = Longitud de la diagonal mayor, en mm. 3.2.TENSIÓN. El ensayo de tensión es la realizada más frecuentemente para determinar ciertas propiedades mecánicas, mide la resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. USO DEL DIAGRAMA ESFUERZODEFORMACIÓN. La probeta se coloca en la máquina de pruebas y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicación de fuerza en la longitud calibrada se utiliza un extensómetro. Esfuerzo y Deformación Ingenieriles. Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo tamaño y formas de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre marcas calibradas en deformación.

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El esfuerzo y la deformación ingenieriles se definen mediante las ecuaciones siguientes: F σ= Ao l − lo ε= lo Donde: σ = Esfuerzo ingenieril ε = Deformación ingenieril Ao = Área de la probeta Io = Distancia original I = distancia entre las mismas F = fuerza La curva esfuerzo-deformación se utiliza para registrar los resultados del ensayo de tensión. PROPIEDADES DEL ENSAYO DE TENSIÓN. A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información relacionada con la resistencia, rigidez y ductilidad de un material. Esfuerzo de Cedencia. Es el esfuerzo al cual la deformación plástica se hace importante. El esfuerzo de cedencia es, por lo tanto, el esfuerzo que divide los comportamientos elástico y plástico del material. Si se desea diseñar un componente que no se deforme plásticamente, se debe seleccionar un material con un límite elástico elevado, o fabricar el componente de tamaño suficiente para que la fuerza aplicada produzca un esfuerzo que quede por debajo del esfuerzo de cedencia.

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Resistencia a la tensión.

3.3.Compresión

El esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada es la resistencia a la tensión, que es el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo-deformación ingenieril. En muchos materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme.

Introducción

En cierto momento, una región se deforma más que otras y ocurre una reducción local de importancia en la sección recta. Propiedades Elásticas. El módulo de elasticidad o módulo de Young (E) es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. El módulo es una medida de la rigidez del material. Un material rígido, con un alto módulo de elasticidad, conserva su tamaño y su forma incluso al ser sometido a una carga en la región elástica. Ductilidad. La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Efecto de la Temperatura. Las propiedades a la tensión dependen de la temperatura. El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperatura más altas, en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa.

El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo. El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta para los aceros, al igual que el de tracción un periodo elástico y otro plástico. En los gráficos de metales sometidos a compresión, que indica la figura siguiente obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con respecto al diámetro, se verifica lo expuesto anteriormente, siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspención de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al limite de proporcionalidad. En los gráficos de metales sometidos a compresión, que indica la figura siguiente obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con respecto al diámetro. Se verifica lo expuesto anteriormente.

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Siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspensión de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al limite de proporcionalidad. Probeta para compresión de metales. En los ensayos de compresión, la forma de la probeta tiene gran influencia, por lo que todos ellos son de dimensiones normalizadas. El rozamiento con los platos de la maquina hace aparecer, como dijimos, un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, la influencia de estas tensiones va disminuyendo hacia la sección media de la probeta, razón por la cual se obtiene mejores condiciones de compresión simple cuando están se presenta con forma prismáticas o cilíndricas de mayores alturas, las que se limitan, para evitar el efecto del flexionamiento lateral debido al pandeo.

Tensión al limite proporcional:

En los metales muy maleables, que se deforman sin rotura, la tensión al límite proporcional resulta el único valor empleado a los fines comparativos. Tensión al límite de aplastamiento:

El valor de Pf que corresponde al límite de aplastamiento es equivalente al de fluencia por tracción, no presentándose en forma tan nítida como este ni aun en los aceros muy blandos, por lo que generalmente se calcula, en su reemplazo, la tensión de proporcionalidad. Acortamiento de rotura

correspondiente al alargamiento de rotura por tracción. Ensanchamiento transversal.

Determinaciones a efectuar en un ensayo de compresión. En general es posible efectuar las mismas determinaciones que en el ensayo de tracción, por lo que solo insistiremos en las más importantes. Resistencia compresión:

estática

ala

Corresponde a la estricción en tracción. Debido a que en las construcciones, muchos elementos, tales como columnas y cimientos se encuentran a compresión, este ensayo resulta esencial para determinar los 47

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esfuerzos de compresión de los materiales. Este ensayo es muy similar al de tensión. Es decir, que a una probeta de un material dado se le somete a cargas y se mide su deformación, de la misma manera que con el ensayo de tensión, de manera que se obtiene una gráfica similar. Las observaciones destacables de estas pruebas se pueden resumir por medio de las siguientes aseveraciones: Los materiales dúctiles se comportan de la misma manera tanto en compresión como en tensión. Los materiales frágiles, tanto a tensión como a compresión, no presentan punto de cedencia y el esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo último. Los materiales frágiles presentan una resistencia última mucho más elevada en una compresión que en una tensión.

Observaciones Generales. El ensayo de compresión es meramente lo contrario al de tensión, con respecto al sentido del esfuerzo aplicado. Las mayor parte de recomendaciones con respecto al ensayo de tensión se aplican al ensayo de compresión con ciertas salvedades. La dificultad de aplicar una carga meramente axial. La aparición de fuerzas flexionantes y el efecto de las irregularidades de alineación accidentales dentro de la

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probeta se acentúan aumenta la carga.

conforme

La fricción entre los puentes de la máquina y la superficie de la probeta, lo que procede a una expansión transversal irregular. La dimensión de las probetas y la necesidad de máquinas de capacidades sumamente elevadas, lo que dificulta la precisión de la prueba. Requerimientos para probetas de Compresión Para las probetas de compresión se prefieren probetas cilíndricas a cualquier otra forma. La selección de una relación entre xtensió y diámetro de la probeta es una elección que se toma para evitar una serie de inconvenientes, ya que de ser muy ancha y muy corta, las mediciones de xtensión ció serían casi irrealizables, de ser muy larga y delgada, se daría una fractura por flexión, entonces se establece una relación determinada para evitar dichos efectos. Esta relación se sugiere como sigue en la xtensió (1): (1) El tamaño de la relación depende del tipo de material, del tipo de mediciones y del aparato de ensayo. Los extremos de las probetas deben ser extensión planos para evitar la extensión de esfuerzos en las superficies rugosas, lo que originaría una ruptura en forma parcial de copa antes de que se haya llegado al punto de ruptura, en sí de la pieza.

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Extensión de los ensayos. En los ensayos comerciales la única extensión determinada es la resistencia a la compresión. Para los materiales extensión en los cuales ocurre una fractura, la resistencia última se determina extensión y extensión. Ya que solamente se toma el dato del esfuerzo para el cual se dio la ruptura. Para los materiales que no tienen un punto de ruptura extensión, se toman límites de extensión arbitrarios como criterios de resistencia. Para este tipo de ensayos se debe tener sumo cuidado en la extensión de la probeta con los puentes de la máquina, ya que, de no quedar “extensión” alineados, se aumentarán los esfuerzos de tensión y flexión. Extensión de Ensayo La extensión, las dimensiones, las cargas críticas, las lecturas compresométricas, el tipo de la falla, etc. Se registran en una forma apropiada al tipo de ensayo y la extensión de los datos a tomar. Los datos que se toman en este tipo de ensayos, son muy similares a los que se toman en los ensayos a tensión, salvo que en lugar de alargamientos se toman acortamientos, de igual manera los esfuerzos no son de tensión, sino compresión.

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barra y las coordenadas (xf, yf) del extremo libre para pequeñas flexiones de la barra. Supondremos que • La barra tiene una longitud L mucho

mayor que las dimensiones de su sección trasversal, y que la deformación debida a su propio peso es despreciable. • Que la sección de la barra no cambia

cuando se dobla. Cuando el espesor de la barra es pequeño comparado con el radio de curvatura, la sección trasversal cambia muy poco. Que en estas condiciones es aplicable la ecuación de EulerBernoulli que relaciona el momento flector M de la fuerza aplicada y el radio de curvatura ρ de la barra deformada Actividades Se introduce 1. El material del que está hecho la barra eligiéndolo en el control selección titulado Material. 2. La longitud de la barra L en cm actuando en la barra de desplazamiento titulada Longitud.

3.4.Flexion

3. El espesor b de la barra en mm actuando en la barra de desplazamiento titulada Espesor

Consideremos una barra delgada de longitud L en posición horizontal, empotrada por un extremo y sometida a una fuera vertical F en el extremo libre. Determinaremos la forma de la

4. . Se pulsa el botón titulado Nuevo 5. Se pulsa el botón izquierdo del ratón sobre una pesa de 10 g,

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de 25 g, de 50 g se arrastra con el ratón y se cuelga del extremo libre de la barra. El programa interactivo convierte el peso en g en fuerza en N, multiplicando por 10 y dividiendo por 1000. Por ejemplo, un peso de 100 g equivale a una fuerza de 1 N. 6. Cuando se deja de pulsar el botón izquierdo del ratón, se calcula y se representa la flexión de la barra. Se mide el desplazamiento del extremo libre. Los pares de datos: fuerza (en Newton), desplazamiento (en cm) se guardan en el control área de texto situado a la izquierda del applet. 7. Se pulsa el botón izquierdo del ratón sobre otra pesa, se arrastra con el ratón y se cuelga del gancho inferior de la pesa precedente. Se puede colgar del extremo libre de la barra hasta cuatro pesas de cada tipo, un máximo de 12 pesas que equivalen a una fuerza de 340 g ó 3.4 N 8. Cuando se ha recolectado suficientemente número de datos se pulsa en el botón Gráfica. El programa representa los datos "experimentales" y la recta que describe el comportamiento del extremo libre de la barra cuando se aplica una fuerza F en dicho extremo. En la parte superior del applet, se muestra el valor de la pendiente de dicha recta. Cuando la fuerza F aplicada, es mayor que la fuerza máxima

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Fm=2Y·I·0.375/L2 el programa interactivo no permite colgar del extremo libre pesas adicionales, ya que se supone que la aproximación de pequeñas flexiones deja de ser aplicable. 3.5 IMPACTO 3.5.1. Principios y objetivos. El choque entre dos cuerpos, en donde se presentan fuerzas relativamente grandes durante un intervalo de tiempo corto en comparación se llama impacto. Una recta perpendicular al plano de contacto de dos cuerpos que chocan se llama línea de impacto. Si los centros de gravedad de los dos cuerpos se encuentran sobre la línea de contacto, se dice que se trata de un impacto central, en cualquier otro caso, es un impacto excéntrico. Si las cantidades de movimiento lineales de los centros de gravedad también están dirigidas a lo largo de la línea de impacto, se tiene un impacto colineal o central directo; en cualquier otro caso se dice que el impacto es oblicuo. Clasificación impacto.

de

pruebas

de

Impacto colineal. Cuando dos masas m1 y m2, que tienen las velocidades respectivas u1 y u2, se mueven sobre la misma recta, chocaran si u2 > u1. Durante el choque, la energía cinética se absorbe en la deformación de los cuerpos. Sigue un periodo de restauración que puede ser completo ó no. Si se tiene una restauración

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completa de la energía de deformación, el impacto es elástico; si esa restauración es incompleta se dice que el impacto es inelástico. Después del choque, los cuerpos continúan su movimiento con las velocidades cambiadas u1 y u2. Como las fuerzas de contacto sobre uno de los cuerpos son iguales y opuestas a las fuerzas de contacto sobre el otro, se conserva la suma de las cantidades de movimiento lineales de los dos cuerpos: m1u1 + m2u2 = m1v1 + m2v2. La ley de conservación de la cantidad de movimiento afirma que la cantidad de movimiento lineal de un sistema de cuerpos permanece inalterada si no se tiene fuerza resultante externa sobre el sistema. La relación de la velocidad de separación v1 – v2 a la de aproximación u2 – u1 se llama coeficiente de restitución e. e = (v1 – v2) / (u2 – u1). El valor de e dependerá de la forma y de las propiedades de los materiales de los cuerpos que chocan. En el impacto elástico, el coeficiente de restitución es igual a la mitad y no hay pérdida de energía. Un coeficiente de restitución de cero indica un impacto perfectamente inelástico o plástico en el que los cuerpos no se separan después del choque y la pérdida de energía es máxima. En el impacto oblicuo, el coeficiente de restitución sólo se aplica a aquellas componentes de la velocidad a lo largo de la línea de impacto, o sea, normales al plano de impacto. Puede medirse el coeficiente de restitución entre dos materiales si

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se hace uno de los cuerpos muchas veces mayor que el otro, de modo que m2 sea infinitamente grande en comparación con m1. Para todos los fines prácticos, la velocidad de m2 no se altera durante el impacto y e = v1 / u1. Para una pequeña bola que se deja caer desde una altura H sobre una superficie horizontal extensa y que rebota hasta una altura h, e = h/ H . Impacto de un chorro de agua sobre una placa plana. Si un chorro de agua choca contra una placa plana en forma perpendicular a ésta, la fuerza ejercida por el agua sobre la placa es w v / g, en donde w es el peso del agua que choca contra la placa en la unidad de tiempo y v es la velocidad. Si el chorro está inclinado formando un ángulo respecto a la superficie, A, la presión es (w v / g) cos A. Formas de fractura. Las típicas clases de fracturas son: fractura dúctil, fractura frágil, fractura por fatiga, fractura por Creep y fractura debida al medio ambiente. La fractura simple es la separación de un cuerpo en dos o más trozos como respuesta a una tensión que puede ser estática (constante o variando lentamente con el tiempo) y a temperaturas que son bajas en relación a la temperatura de fusión del material. Las tensiones aplicadas pueden ser de tracción, compresión, de corte o torcionales. Los tipos de fractura típicos son dúctil y frágil.

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Esta clasificación esta basada en la capacidad del material a experimentar deformación plástica. Los materiales dúctiles típicamente exhiben una sustancial deformación plástica, con alta absorción de energía antes de la fractura. Por otro lado, hay una pequeña deformación plástica y una baja absorción de energía en la fractura frágil. La ductilidad puede ser cuantificada en términos de elongación porcentual y reducción de área porcentual, y es función de la temperatura del material, la velocidad de carga y estado de tensiones. Cualquier proceso de fractura involucra dos etapas, iniciación de la fisura y su propagación como respuesta a las tensiones impuestas. El tipo de fractura altamente dependiente de los mecanismos de propagación de la fisura. La fractura dúctil esta caracterizada por una gran deformación plástica en la vecindad de la punta de fisura. Además el proceso se lleva a cabo relativamente lento a medida que la fisura se extiende. Así se dice que la fisura es estable. Esto significa que se resiste a cualquier propagación a menos que haya un incremento en las tensiones aplicadas. Además generalmente se apreciara un incremento grosero en la deformación en sus superficies de fractura. Por otro lado para la fractura frágil, la fisura se puede propagar extremadamente rápido (300 a 2000 m/s) con muy poca deformación plástica. Tales fisuras se llaman inestables y su propagación una vez comenzada continuara

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espontáneamente sin un incremento en las tensiones aplicadas. Se aclara que también pueden existir inestabilidades dúctiles. La fractura dúctil es casi preferible por dos razones. Primero la fractura frágil ocurre repentina y catastróficamente sin ninguna advertencia, consecuencia de la espontánea y rápida propagación de la fisura. Por otro lado, en la fractura dúctil la presencia de deformación plástica da aviso que la fractura será inminente, permitiendo que se tomen medidas preventivas. La segunda es que se requiere mayor energía para inducir la fractura dúctil por lo que los materiales dúctiles son generalmente más tenaces. Bajo la acción de una tensión de tracción, la mayoría de los metales son dúctiles, mientras que los cerámicos son notablemente frágiles. Equipos y materiales de prueba. Cargas dinámicas. Muchas máquinas y partes de ellas están sometidas comúnmente a estas cargas; un tipo importante de carga dinámica es aquel en que la carga se aplica súbitamente como en el caso del impacto de una masa en movimiento; aquí se trata algunos de los aspectos del comportamiento de los materiales bajo tales cargas de impacto. A medida que se cambia la velocidad de un cuerpo al golpear, debe ocurrir una transferencia de energía; se realiza trabajo sobre las partes que reciben el golpe. La mecánica del impacto involucra no solamente la cuestión de los esfuerzos inducidos, sino también una consideración de la 52

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transferencia absorción y energía.

de energía y la disipación de esa

La energía de un golpe puede absorverse de varias maneras: A través de la deformación elástica de los miembros y las partes de un sistema. A través de los efectos de la histéresis en las partes. A través de las deformaciones plásticas de las partes. A través de la acción friccional entre las partes. A través de los efectos de la inercia de las partes en movimiento. El efecto de una carga de impacto que produzca esfuerzo depende de la cantidad de energía utilizada en causar deformación; al tratar los problemas que involucran las cargas de impacto, la manera predominante en que la carga haya de resistirse obviamente determina el tipo de información que se necesita. La meta es proveer margen para la absorción de tanta energía como sea posible a través de acción elástica y luego confiar en alguna clase de contención para disiparla. En la mayoría de los ensayos para determinar las características de absorción energética de los materiales bajo cargas de impacto, el objeto es utilizar la energía del golpeo para causar la ruptura de la probeta. Comportamiento de los materiales bajo la carga de impacto. La propiedad de un material en relación con el trabajo requerido para causar la ruptura ha sido designada como tenacidad; esta depende fundamentalmente de la resistencia y

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la ductilidad y parece ser independiente del tipo de carga. No todos los materiales responden de la misma manera a las variaciones de velocidad de la aplicación de la carga; algunos materiales muestran lo que se denomina "sensitividad a la velocidad" en un grado mucho más alto que otros. Ejemplos notorios son el del vidrio ordinario, el cual es perforado con un agujero muy limpio por una bala de alta velocidad, pero se estrella bajo carga concentrada y lenta. Además del efecto de la velocidad, la forma de una pieza puede mostrar un marcado efecto sobre su capacidad para resistir las cargas de impacto; a temperaturas ordinarias una barra simple de metal dúctil no se fracturará bajo una carga de impacto en flexión. Para poder inducir la ocurrencia de la fractura con un solo golpe, las probetas de un material dúctil se ranuran. Alcance y aplicabilidad de los ensayos de impacto. El ensayo de impacto ideal seria uno en el cual toda la energía de un golpe se transmitiera a la probeta. En realidad este ideal nunca se alcanza; siempre se pierde alguna energía por fricción, por deformación de los apoyos y la masa de golpeo, y por vibración de varias partes de la máquina de ensaye. Al realizar un ensayo de impacto, la carga puede aplicarse en flexión, tensión, comprensión o torsión, siendo la carga flexiónate la más común. Quizás los ensayos de impacto más comúnmente usados para los aceros en este país sean los de Charpy e Izod, ambos de los cuales emplean el 53

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principio del péndulo. Ordinariamente estos ensayos se hacen sobre pequeñas probetas ranuradas quebradas en flexión; en el ensayo de Charpy, la probeta es apoyada como una viga simple, y en el de Izod se le apoya como un voladizo; los procedimientos para estos ensayos han sido normalizados, y la especificación formal de los límites de la resistencia al impacto ha sido hecha en el caso de los materiales para un número de productos tales como partes de motores de avión, engranes de transmisión, partes para orugas de tractores, aletas para turbinas, Muchos tipos de forjados y tubo y placa de acero para servicio a baja temperatura. Aspectos generales de las máquinas de impacto. El efecto de un golpe depende tanto de la mas de las partes que reciben el golpe como de la energía y masa del cuerpo golpeante. Los objetos que requieren normalización son la base, el yunque, los apoyos para probetas, la probeta, la masa percutiente y su velocidad. Los aspectos principales de una máquina de impacto, pendular y de un solo impacto, son: Una masa móvil cuya energía cinética es suficiente para causar la ruptura de la probeta colocada en su camino. Un yunque y un apoyo sobre el cual se coloca la probeta para recibir el impacto. Un medio para medir la energía residual de la masa móvil después de que la probeta ha sido rota.

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La energía cinética es determinada y controlada por la masa del péndulo y la altura de la caída libre. El ensayo de Charpy para metales y plásticos. La máquina del tipo Charpy es adquirible en una variedad de tamaños; un tamaño usual es aquel que posee una capacidad de aproximadamente 220 pie-lb para metales y 4 pie-lb para plásticos; un diseño común de maquina se muestra en la siguiente figura. La siguiente descripción del ensayo se basa en los requerimientos de la ASTM E 23; el péndulo consiste en una barra ligera y rígida, situándose un pesado disco en el extremo; el péndulo esta suspendido de una flecha corta que gira en rodamientos de balines y se balancea hasta la mitad de la distancia entre dos postes verticales, cerca de cuya base están los soportes o yunques de las probetas. El percutor esta ligeramente redondeado y debe alinearse de modo tal que establezca contacto con la probeta contra su peralte total en el instante del impacto. La probeta estándar para ensayos de flexión es una pieza de 10x10x50 mm ranurada; otros tamaños se usan en casos especiales; en muchas especificaciones comerciales se requiere una ranura en forma de ojo de cerradura o de U. La probeta la cual se carga como una viga simple, se coloca horizontalmente entre los dos yunques, de modo que el percutor golpee el lado opuesto de la ranura a la mitad del claro. El péndulo es elevado hasta su posición más alta y sostenido por un tope ajustado para dar una altura de caída constante 54

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para todos los ensayos; luego se le suelta y permite caer y fracturar la probeta. En su movimiento ascendente el péndulo lleva el indicador de fricción sobre un escala semicircular graduada en grados o pie-libras; La energía requerida para fracturar la probeta es una función del ángulo de elevación. Los ensayos de Charpy para determinar la resistencia al impacto de los metales a bajas temperaturas son comúnmente realizados sumergiendo las probetas en algún líquido fresco en una vasija de boca ancha con 1 plg de líquido arriba y debajo de las probetas. Para temperaturas desde la ambiente hasta -109ºF, este líquido es usualmente alcohol o acetona, enfriado a la temperatura deseada mediante la adición de pequeños trozos de hielo seco, aunque para temperaturas más bajas se utiliza el nitrógeno líquido en cuyo caso el líquido para la inmersión sería alcohol, isopentano, o el mismo nitrógeno líquido. Los termómetros adecuados para determinar la temperatura del enfriador son del tipo mercurial o termómetros del tipo de pentano para temperaturas más bajas. Las probetas deben mantenerse a una temperatura por 15 min y la temperatura del baño debe mantenerse constante dentro de +0, 3ºF durante los últimos 5 min antes del ensaye; el ensayo debe completarse dentro de 5 seg después de retirar la probeta del enfriador. La de de el

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montado en chumaceras de balas en un poste atornillado a un zoclo de hierro fundido. El péndulo golpea la probeta, la cual se sujeta para fungir como un voladizo vertical de 10X10 mm de sección y 75 mm de largo que lleva una ranura normal de 45º y 2 mm de profundidad. La elevación angular del péndulo después de la ruptura de la probeta o la energía para fracturar la probeta se indica en una escala graduada por un indicador de fricción. Algunos experimentadores prefieren esta máquina a la de Charpy, pues en la primera la pieza de ensayo no es esforzada en la región de la ranura por la presión del tornillo opresor. Cálculo de relaciones energéticas. La resistencia al impacto o energía absorbida al romper la probeta es igual a la diferencia entre la energía del péndulo antes y después del impacto. La diferencia de energía es una función de la disminución de la velocidad de rotación y puede computarse por el peso y la altura de la caída del péndulo antes del impacto y la altura de elevación después.

maquina Izod. El péndulo consiste un martillo montado en el extremo un miembro relativamente ligero, extremo superior del cual esta 55

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3.5.5. Curva de energía de fractura Vs. Temperatura.

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considerada. Naturalmente, la elección de lado es arbitraria en cada caso. Momento polar de inercia: Para un árbol circular hueco de diámetro exterior De con un agujero circular concéntrico de diámetro Di, el momento polar de inercia de la sección representado generalmente por Ip esta dado por: Ip = π / 32 (De4 - Ei4)

3.6. TORSIÓN Definición de torsión: Consideremos una barra sujeta rígidamente en un extremo y sometida en el otro a un par T(=Fd) aplicado en un plano perpendicular al eje. Se dice que esa barra esta sometida a torsión. Efectos de la torsión:

El momento polar de inercia de un árbol macizo se obtiene haciendo Di = 0. Este numero Ip es simplemente una característica geométrica de la sección. No tiene significado físico, pero aparece en el estudio de las tensiones que se producen en un eje circular sometido a torsión. A veces es conveniente escribir la ecuación anterior en la forma:

Los efectos de la aplicación de una carga de torsión a una barra son: (1) producir un desplazamiento angular de la sección de un extremo respecto al otro y (2) originar tensiones cortantes en cualquier sección de la barra perpendicular a su eje.

Esta ultima forma es útil para calcular el valor de Ip en los casos en los que la diferencia (De – Di) es pequeña.

Momento torsor:

Tensión cortante de torsión:

A veces, a lo largo de un eje actúan una serie de pares. En este caso, es conveniente introducir un nuevo concepto, el momento torsor, que se define para cada sección de la barra, como la suma algebraica de los momentos de los pares aplicados, situados a un lado de la sección

Para un árbol circular, hueco o macizo, sometido a un momento de torsión T, la tensión cortante de torsión τ a una distancia p del centro del eje esta dada por

Ip = π32 (De2 +Di2) (De2 – Di2)= π / 32 (2 + Di2) (De + Di) (De – Di)

τ = Tp / Ip

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Angulo de torsión: Hipótesis: Para reducir la formula τ = Tp / Ip se supone que una sección del árbol normal a su eje, plana antes de la carga, permanece plana después de aplicar el par y que un diámetro de la sección antes de la deformación sigue siendo un diámetro, o recta, de la sección después de la deformación. A causa de la simetría polar de un árbol circular, estas hipótesis parecen razonables; pero si la sección no es circula, ya no son ciertas; se sabe, por experiencias, que en este ultimo caso, durante la aplicación de cargas exteriores, las secciones se alabean. Deformación por cortante: Si se marca una generatriz a-b en la superficie de la barra sin carga, y luego se aplica el momento torsor T. El ángulo, medido en radianes, entre las posiciones inicial y final de la generatriz, se define como la deformación por cortante en la superficie de la barra. La misma definición sirve para cualquier punto interior de la misma.

Si un árbol de longitud L esta sometido a un momento de torsión constante T en toda su longitud, el ángulo que un extremo de la barra gira respecto del otro, es: 0 = TL / Gip Donde Ip representa el momento polar de inercia de la sección. Modulo de rotura: Es la tensión cortante ficticia que se obtiene sustituyendo en la ecuación, el par máximo T que soporta un árbol cuando se ensaya a rotura. En este caso, se toma para valor de p el radio exterior de la barra. Indudablemente, no esta justificado el uso de esta formula en el punto de rotura porque, como podrá verse, se deduce solo para utilizarla dentro de la zona de comportamiento lineal del material. La tensión obtenida utilizando esta formula en este caso no es una verdadera tensión, pero a veces es útil para comparaciones.

Modulo de elasticidad en cortante: 3.7 TERMOFLUENCIA La relación entre la tensión cortante τ y su deformación γ se llama modulo de elasticidad en cortante y, esta dado por G=τ/γ Como allí, las unidades de G son las mismas que las de la tensión cortante, pues la deformación no tiene dimensión.

Deformación termofluencia:

y

rotura

por

Es un mecanismo de fallo por rotura de los materiales. La mayor parte de los materiales metálicos no se pueden utilizar para aplicaciones estructurales cuando su temperatura se eleva por encima de 0,5-0,6*TF porque se deforma plástica e intergranularmente, llegando a producirse la rotura. 57

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Los materiales estructurales están sometidos generalmente a cargas por debajo del límite elástico. En este caso se produce deformación plástica permanente a cargas por debajo del límite elástico de los materiales. A esta deformación plástica e intergranular dependiente del tiempo que se da en materiales por debajo de su límite elástico se denomina termofluencia o creep. En la figura 53 observamos que en las curvas hay dos tramos con pendientes distintas. Un tramo asociado a rotura por deformación transgranular, con tiempos de rotura pequeños. Un segundo tramo, con distinta pendiente, que corresponde a tensiones más bajas y, por tanto, a tiempos de rotura mayores. El tipo de deformación será intergranular.

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manera que en el interior de grano no habrá descohesión entre los planos. En los materiales cerámicos también se produce la termofluencia, pero se producirá a temperaturas un poco más elevadas, del orden de 0,4*TF a 0,7*TF. En muchos de los polímeros se produce termofluencia a temperatura ambiente. Este tipo de fallo es muy complejo, y en él intervienen distintos mecanismos de deformación y depende de la tensión a la que está sometido el material, la temperatura, la velocidad de deformación y el tipo de material. Termofluencia=f(T,σ,ε,material) Ensayos de termofluencia:

La termofluencia se da para condiciones de baja tensión y largo tiempo a elevadas temperaturas. La temperatura a partir de la cual este efecto empieza a producirse depende del tipo de material.

Los ensayos de termofluencia requieren un dispositivo en el cual se puede someter a un material a tensión, elevando la temperatura y midiendo la deformación existente para el mismo tiempo.

En los materiales metálicos se da a temperaturas que están por encima de la temperatura equicohesiva, que es la temperatura a la cual, a lo largo del límite de grano, la cohesión es igual que a lo largo del grano, que puede ser 0,4-0,5-0,6*TF, dependiendo del material.

Se suele realizar con un ensayo de tracción, con el mismo tipo de probetas pero en distinto horno, a temperatura constante y tensión constante, midiendo la deformación con el tiempo. También se pueden hacer ensayos a compresión (para materiales cerámicos). Para los materiales metálicos normalmente se hace a tracción. La resistencia a la termofluencia es independiente de la dirección de aplicación de la carga para la mayor parte de los materiales.

Se va a dar siempre que tengamos una temperatura para la cual el límite de grano es menos resistente que el interior del grano. La superficie de rotura en este tipo de fallo será de tal

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Para el ensayo a tensión constante se obtiene información sobre los mecanismos de deformación. Normalmente se hacen ensayos acelerados, es decir, para elevadas tensiones, superiores al límite elástico, y a partir de los datos obtenidos, se extrapola la información para tensiones más bajas (y velocidades de deformación más bajas también). Curva de termofluencia: Representa la deformación (ε) frente al tiempo de rotura del material. Se hace para valores de tensión inferiores al límite elástico. Se produce una deformación instantánea nada más aplicar la carga. Esta deformación es fundamentalmente elástica. La primera zona es la zona de fluencia primaria o transitoria, donde se observa que la pendiente de la curva disminuye con el tiempo, es decir, hay una velocidad de fluencia decreciente. Esto nos hace suponer que en el material, los mecanismos de deformación que existen están generando acritud (el material se endurece por deformación). La segunda zona es la zona de fluencia secundaria o estacionaria en la cual la deformación es lineal con el tiempo, y la pendiente es constante. Esto indica que se está produciendo por una parte endurecimiento estructural y por otro hay un mecanismo que ablanda el material en caliente (restauración y recristalización), y por lo tanto se produce un equilibrio entre estos dos mecanismos antagónicos.

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La tercera zona es la zona de fluencia terciaria. Se caracteriza porque la parte de la curva aumenta su pendiente. Esto implica un aumento de la velocidad de deformación en esa zona hasta llevar al material a rotura, para un determinado tiempo. Se observa que en esta etapa aparecen en el material cambios estructurales, como separación del límite de grano, formación de fisuras internas, cavidades, huecos... En el caso de materiales metálicos sometidos a ensayo de tracción puede aparecer estricción. Esto supone una disminución de la sección, que produce un aumento de la tensión aplicada en esa zona, y esto hace que aumente la velocidad de deformación. Hay dos parámetros que interesan desde el punto de vista del diseño, que son el tiempo hasta llegar a rotura y la velocidad de fluencia estacionaria (velocidad en la zona estacionaria). La utilización de un parámetro u otro depende de la utilización de ese material. Podemos distinguir dos situaciones extremas: Aplicaciones de vida larga y aplicaciones de vida corta. En aplicaciones de vida larga el parámetro de diseño es la velocidad de fluencia estacionaria, para saber si la deformación que va a sufrir está por encima del nivel de deformación máximo admisible para esa aplicación. En aplicaciones de vida corta nos interesa conocer el tiempo de fallo, 59

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para ver si el tiempo de fallo es superior al tiempo para el cual se ha diseñado el componente, teniendo en cuenta que en este caso la velocidad de deformación tiene que ser lenta. Influencia de la tensión y temperatura en la deformación por termofluencia: Si observamos la curva de fluencia en distintas condiciones de tensión y temperatura, observamos que a medida que aumenta la temperatura o la tensión, aumenta la deformación instantánea y la velocidad de deformación estacionaria, disminuyendo el tiempo de fallo. Para temperaturas por debajo de 0,3*TF la ε es independiente del tiempo. Fotocopia 2.8 por delante. Ley General: Existe una ley que correlaciona σ con ‫ غ‬y con la temperatura, que es la ley general del comportamiento en caliente. Esta ecuación también sirve para la termofluencia cuando la deformación es pequeña.

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curvas σ-Tiempo de rotura. Estas curvas se realizan para distintas temperaturas. σ-‫غ‬Æ Para cada temperatura hay un valor de N distinto. Hay una correlación entre el valor de N y el mecanismo de deformación. Se han propuesto distintos mecanismos de deformación, que cada uno conduce a un valor teórico de N, y luego los valores experimentales de N se comparan con los teóricos y se ve si para esas condiciones de tensión y temperatura ese mecanismo es adecuado. Una vez obtenida esta información se elaboran unos mapas de mecanismos, donde tenemos determinadas zonas en las cuales existe un mecanismo determinante. (Tª/Tª de fusión)ÆTª Homóloga También se pueden determinar dentro de estos diagramas las velocidades de fluencia.

Si α*σ