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GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS TRANSFORMACIONES DE MATERIALES Ing. Ana Velia Druker

TRABAJO PRÁCTICO Nº 1: COMO FALLAN LOS METALES Descripción: Estudio de componentes mecánicos fallados en servicio Objetivo: Análisis de las condiciones de servicio, aspectos del diseño y otros factores que afectan al comportamiento de la pieza; determinación de las posibles causas de fallas. Mejoramiento de las propiedades mediante tratamientos térmicos. Desarrollo: Los alumnos deben leer previamente el material que se adjunta; se evalúan sus conocimientos en un cuestionario oral, y su aplicación a la observación, análisis y discusión de piezas falladas en servicio. Informe a realizar: Descripción de las piezas falladas, análisis de las causas y propuesta de mejoras Evaluación: cuestionario oral, participación en la sesión de discusión, actitud frente al problema y al grupo, criterios adquiridos para la resolución de los problemas planteados.

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PROPIEDADES MECANICAS En términos generales, las propiedades mecánicas de un material se caracterizan por dos magnitudes: 1) Resistencia: oposición que presenta a ser deformado o destruido. 2) Plasticidad: Capacidad de adquirir deformación remanente (que se conserva aún después de que las fuerzas deformantes dejan de actuar), sin que se destruya. Una pequeña plasticidad o la carencia total de ella se denomina fragilidad. La magnitud de las propiedades mecánicas, esto es, los valores de las tensiones y deformaciones que modifican el estado físico del material, se determinan mediante ensayos mecánicos. Estos datos permiten a los diseñadores y constructores establecer en qué límites de cargas y en qué condiciones de servicio ese material puede ser empleado. 1- TIPOS DE TENSIONES Las tensiones son esfuerzos que surgen en el interior de los materiales como respuesta a acciones disgregantes o distorsionadoras; de acuerdo con los efectos que las provocan se clasifican en: 1) tensiones temporales: aparecen por efecto de una carga externa aplicada y desaparecen cuando ésta deja de actuar. El caso más simple son las tensiones provocadas por una fuerza de tracción axial P

P Tensión = -----A





P donde P es la carga aplicada sobre una superficie A determinada, que generalmente no es perpendicular a aquella. Por lo tanto, descomponiendo la fuerza en la dirección de la superficie y en una perpendicular a ella, se pueden desarrollar tensiones normales () y tangenciales (). 2) tensiones internas: se originan y equilibran dentro de los límites de la pieza, sin la acción de ninguna carga exterior; están relacionadas fundamentalmente con la distribución heterogénea de deformaciones en su volumen. Las que surgen durante un calentamiento o enfriamiento violento del material, como resultado de dilatación (o contracción) de las capas externas o internas, se denominan tensiones térmicas. Las debidas a procesos de cristalización, cuando las transformaciones de fase no son homogéneas en todo el volumen, son las tensiones estructurales. 2- TIPOS DE DEFORMACIONES. ROTURA Se entiende por deformación el cambio de dimensiones y forma de la materia causado por la acción mecánica de fuerzas externas aplicadas o diferentes procesos fisico-químicos que ocurren en el cuerpo, por ejemplo, la variación de volumen de algunos cristales durante los cambios de fase, o los gradientes de temperatura. Transformaciones de Materiales

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Las deformaciones pueden ser elásticas o plásticas. Se llama deformación elástica a la que desaparece completamente cuando las fuerzas dejan de actuar; no produce cambios notables en la estructura y propiedades del material ya que los desplazamientos atómicos relativos son insignificantes. (Los átomos que se alejaron o aproximaron unos de otros durante los esfuerzos, vuelven a sus posiciones de equilibrio cuando éstos dejan de actuar). En algunos casos, por ejemplo, los metales, la magnitud de la deformación elástica es muy pequeña y depende linealmente de la carga respondiendo a la ley de Hooke:

=.E

donde  = l/l es la deformación específica E es el módulo de elasticidad

El módulo de elasticidad, es una propiedad del material que caracteriza su rigidez, esto es, su resistencia a las deformaciones elásticas; depende muy poco de la estructura y se determina por las fuerzas de enlace interatómico. He aquí los valores de E para algunos metales: E,

kg/mm2

Mg 4500

Al 7200

Cu 10300

Fe 21000

La deformación plástica es aquella que perdura luego de la eliminación de la carga; se produce cuando las tensiones en el material superan un cierto valor f (límite de fluencia, o más bien σel, límite elástico, según se verá más adelante) a partir del cual se altera la proporcionalidad directa entre -l (Fig. 1). Este tipo de deformaciones está relacionado con el deslizamiento de las dislocaciones dentro del grano, y produce cambios residuales en la forma, estructura y propiedades.

Fig.1: Deformación en función de la tensión aplicada en un ensayo de tracción

La deformación plástica de los cristales puede producirse por deslizamiento y maclaje. El deslizamiento o desplazamiento de las distintas partes del cristal, se debe a las tensiones tangenciales, cuando éstas alcanzan en el plano y en la dirección de desplazamiento, una determinada magnitud crítica (cr). En la Fig. 2 se muestra el esquema de las deformaciones elástica y plástica de un metal con red Transformaciones de Materiales

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cúbica, sometido la acción de tensiones tangenciales. El deslizamiento se produce en los planos y direcciones con mayor densidad atómica, donde la resistencia es mínima. Esto se debe a que en dichas direcciones, la magnitud del desplazamiento de cada átomo de una posición de equilibrio a otra es mínima, y la distancia entre planos atómicos es máxima, es decir, cuando se minimiza la fuerza de enlace. Otro modo de deformación plástica es el maclado, que consiste en la reorientación de una parte del cristal, a una posición simétrica a la otra, con respecto al plano (llamado plano de macla). Fig. 3.

Fig. 2: Deformación elástica y plástica

Fig 3.2: Deformación elástica y plástica Fig. 3: Esquema de la formación de una macla

Todo proceso de deformación, al aumentar las tensiones, termina en una rotura, que puede ser frágil o dúctil. En la rotura frágil se produce una alteración de los enlaces interatómicos bajo la acción, fundamentalmente de tensiones normales; no va acompañada de deformación plástica; comúnmente transcurre por los límites de grano y la fractura tiene carácter cristalino. Es característica de los materiales cerámicos. Entre los metales, la presentan el zinc y sus aleaciones, los aceros de baja y media aleación después de templados o a bajas temperaturas, o cuando se segregan fases frágiles en los bordes de grano. La rotura dúctil va precedida de una deformación plástica considerable; su fractura es fibrosa y opaca porque tiene lugar como resultado del corte a través de los granos. Normalmente la destrucción del material se produce por una compleja combinación de ambos tipos de rotura. 3- OTRA PROPIEDAD: LA TENACIDAD Es una medida de la cantidad de energía (expresada en Joules o kgm) necesaria para romper el material. Por ejemplo, una carga súbita o repentina de un diente de engranaje contra otro hermanado, desarrolla una cierta cantidad de energía que debe ser absorbida por el par de dientes, o uno de ellos romperá. Transformaciones de Materiales

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La tenacidad está directamente relacionada con el área bajo la curva tensión-deformación. Comparando las curvas de tres materiales distintos (Fig. 4), se puede observar que ni el de mayor resistencia, ni el más dúctil, son los más tenaces. En cambio, sí lo será un material dúctil, con la misma resistencia que uno no dúctil. El área bajo la curva indica el trabajo total realizado en deformar la probeta hasta la rotura. La tenacidad depende entonces de la resistencia y de la cantidad de deformación antes de la rotura. Existen ensayos especialmente diseñados para evaluar la tenacidad de los materiales. Los ensayos de impacto Charpy e Izod, que difieren en la forma de la probeta y el modo de aplicar la energía, son muy difundidos en ingeniería. No obstante, son más precisos los ensayos de tenacidad a la fractura, que se estudiarán más adelante.

Fig. 4: Área debajo de la curva de distintos aceros.

5- FACTORES QUE MODIFICAN EL COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LOS MATERIALES Las condiciones de servicio de los materiales pueden afectar sus propiedades de resistencia y plasticidad, de tal modo de provocar comportamientos contrarios a los esperados de ellos. Estas condiciones incluyen factores de carácter geométrico, físico y/o mecánico, que describiremos a continuación.

5.1- Factores geométricos. Efecto de entalla La distribución de tensiones en una pieza sometida a un esfuerzo, aún en el caso de tracción simple, no siempre es uniforme y homogénea en todos sus puntos; diversos obstáculos debidos, por ejemplo, a la configuración de la pieza, obligan a las líneas de tensión a efectuar cambios bruscos de dirección (Fig. 5), originándose puntos de concentración de tensiones. Alrededor de ellos las solicitaciones en el material son muy superiores al esfuerzo medio que se originaría en una distribución homogénea (Fig. 6). La relación entre la tensión máxima en el punto de concentración y el promedio que soporta la

q

barra en la sección entallada, se denomina factor de concentración de tensiones:

 m

q depende de la forma de la entalla, siendo mayor cuanto más aguda y profunda sea ésta. Transformaciones de Materiales

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Fig. 5 : Efecto de las entallas sobre las líneas de tensión.

Fig. 6: Distribución de tensiones en la sección entallada.

El aumento localizado de los esfuerzos, puede poner a la pieza en condiciones tales que no sea capaz de soportarlos, produciéndose la rotura en la entalla cuando la tensión allí alcance el valor de la tensión de rotura del material, o sea, para un esfuerzo medio.

m 

R q

Esto es válido para materiales que no sean capaces de deformarse plásticamente, lo que prácticamente no ocurre nunca, ya que aún los más frágiles presentan algún tipo de deformación antes de romperse. En el efecto real de entalla tiene influencia la ductilidad, pudiendo definirse entonces otro factor que depende tanto de la forma geométrica y como de la ductilidad:

q´

R  mR

donde R : esfuerzo de rotura del metal sin entalla mR: esfuerzo medio a que rompe el metal con entalla.

Sensibilidad a la entalla Es una propiedad del metal relacionada con su plasticidad, gracias a la cual el efecto de las entallas se mantiene sólo durante el período de deformación elástica. Se define:

QS  Transformaciones de Materiales

q´1 q 1 Ingeniería Mecánica

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como q’ y q son mayores que la unidad, Qs varía entre 0 y 1. Si el material no se deforma plásticamente, q’= q y por lo tanto, Qs = 1; si la deformación es mucha, el efecto de entalla se neutraliza (R = mR), q’= 1 y la sensibilidad a la entalla Qs = 0. Esto ocurre porque, al hacerse importante la deformación, la configuración de la entalla se modifica, suavizándose y homogeneizándose la distribución de las líneas de tensión. Por lo tanto, el efecto real de entalla es menor que el teórico y la sensibilidad disminuye cuanto mayor sea la capacidad del material de deformarse plásticamente. Justo al contrario, los peligros de las entallas son tanto mayores cuanto mayor es la resistencia y fragilidad del metal. Triaxialidad Veamos otro efecto producido por la deformación plástica en el material entallado. Cuando la probeta de la fig. 7 es sometida a tracción, cualquiera sea la forma de la entalla, debido a la concentración de tensiones en esa sección se alcanzará el límite elástico antes que en el resto de la probeta; por lo que tenderá a alargarse longitudinalmente y encogerse transversalmente. Pero esa deformación se verá impedida por la acción de las capas de material contiguas a esa sección, que aún no han alcanzado el límite elástico, generándose tensiones de dentro hacia afuera (equilibradas por otras iguales y opuestas en la zona no entallada). Así es que la sección entallada queda sometida a un sistema de tensiones triaxiales perpendiculares entre sí (fig. 8), constituido por 1 debida a la tracción exterior, 2 y 3 transversales, iguales entre sí y menores que 1, originadas como se indicó más arriba. Consideremos una parte de 1 de igual magnitud que 2 y 3, a la que denominamos t. Entre ellas se compone un sistema triaxial simétrico, de características similares a la presión hidrostática; es decir, no se producen tensiones tangenciales capaces de provocar cizallamiento. Queda entonces sólo una parte de la tensión aplicada, 1 – t, en condiciones eficaces de deformar plásticamente el material. La deformación sólo será apreciable cuando el valor de la tensión axial aplicada, supere en un número K de veces al límite elástico. Es como si el metal se hubiese reforzado; si la tensión de rotura, R, fuese menor que K . el , se producirán roturas frágiles por efectos de entalla aún en metales normalmente dúctiles. Como en la práctica K, denominado coeficiente de constricción, nunca supera el valor 3, si R > 3. el , se garantiza ductilidad en la entalla.

Fig. 7: Probeta entallada sometida a tracción. Transformaciones de Materiales

Fig. 8: Sistema de tensiones triaxiales. Ingeniería Mecánica

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5.2- Factores físicos Efecto de la temperatura Los procesos de deformación y rotura dependen de los enlaces atómicos y de los desplazamientos de los átomos en los planos cristalográficos. La temperatura, que rige los fenómenos de dilatación y contracción separando o acercando los átomos entre sí, provocará modificaciones en sus fuerzas de enlace. Simultáneamente, debido a su influencia sobre la velocidad de difusión, facilitará o impedirá los desplazamientos atómicos. Por lo tanto, las altas temperaturas facilitan la deformación, provocan la disminución del límite elástico, el aumento de la ductilidad y la disminución de la resistencia a la rotura. Bajas temperaturas provocan, por el contrario, aumento en la resistencia a la deformación y disminución de la ductilidad, pudiendo aparecer roturas frágiles en metales que a temperatura ambiente tienen un comportamiento dúctil o tenaz. En general, la transición dúctil—fràgil se da bruscamente a un valor de temperatura crítica, que será tanto más baja cuanto mayor sea la plasticidad del metal. Efecto del tiempo: Impacto Largos tiempos de aplicación de la carga permitirán que efectos lentos se hagan sensibles, apareciendo como fenómenos nuevos, que pasarían inadvertidos si los tiempos fueran breves. Como la deformación plástica importa desplazamientos de planos atómicos, si la carga es aplicada tan rápidamente como para no dar tiempo a que se produzcan esos desplazamientos, el material puede llegar a romperse sin deformarse. Las cargas de impacto, elevan el límite elástico del metal y disminuyen su deformación plástica o ductilidad. Permanencia de la carga. Fluencia: Como ya es de conocimiento de los estudiantes, durante el periodo de deformación plástica se produce un aumento de resistencia debido a la multiplicación de dislocaciones, denominado acritud. Este aumento es necesario para soportar la carga aplicada, siempre que ésta sea inferior a la de rotura. Aunque la difusión a temperatura ambiente es muy lenta, si la carga permanece durante cierto tiempo, se van produciendo desplazamientos atómicos para bajar el nivel de energía en el metal, destruyendo el estado de acritud. Esto implica una pérdida en la resistencia; para poder seguir soportando la carga aplicada, el material deberá deformarse más y reponer la acritud perdida. Fig. 9

Fig. 9: Fluencia lenta en el tiempo

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Por lo tanto, la permanencia de una carga superior al límite elástico dará lugar a que se produzcan en el metal deformaciones más allá de la deformación inicial, en un proceso denominado fluencia lenta o creep. Éste depende de la naturaleza de los materiales y de la capacidad de difusión de sus átomos: es tanto mayor cuanto menor es su temperatura de fusión. Lógicamente, el efecto de fluencia lenta aumenta cuando aumenta la temperatura de trabajo del metal. Acciones enfragilizadoras Hemos visto que existen ciertos factores que inducen al material a comportarse frágilmente; ellos son: el efecto de entalla, las bajas temperaturas y las cargas aplicadas rápidamente. Cuando las tres condiciones se dan simultáneamente, el material tiene más posibilidad de perder plasticidad, y romperse frágil. Los metales de estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo presentan el fenómeno de transición dúctil-frágil. En estos casos, un modo de evaluar la tenacidad es mediante la determinación de la temperatura critica de transición dúctil— frágil en ensayos de impacto sobre probetas entalladas, es decir, en condiciones tales que esa temperatura no sea demasiado baja. En el ensayo Charpy (Fig. 10), la probeta se coloca en la máquina sobre dos apoyos, de manera tal que el golpe del péndulo tiene lugar justamente sobre la sección entallada. El péndulo de masa G es elevado a la altura h1; al caer, destruye la probeta y sigue hasta otra altura h2