material es

5/24/2018 Material Es

1/57

INGENIERA DE MATERIALES

1.- Clasificacin de los materiales: Existen muchas formas de clasificar losmateriales. La ms comn los divide en metales, materiales cermicos, polmeros ymateriales compuestos (o composites).

Otra clasificacin los divide en materiales ESTRUCTURALES y en materialesFUNCIONALES.

Un material estructural se va a elegir por sus propiedades mecnicas masivas y por suspropiedades superficiales.Ejemplos: Hormign y Acero.Propiedades mecnicas masivas: Rigidez; Elasticidad; Resistencia mecnica; Tenacidad.Propiedades superficiales: Comportamiento frente a la friccin, desgaste, oxidacin,corrosin.Los materiales funcionales son aquellos cuya produccin ponderal es menor que la de losestructurales y cuyo precio unitario acostumbra a ser elevado. Estos materiales seseleccionan por sus propiedades elctricas o electrnicas (Conductividad;

Superconductividad; Semiconductividad); magnticas, termoinicas, radiactivas ybiocompatibles.

PROPIEDADES MECNICAS: Capacidad que tienen los materiales para resistir fuerzaso cargas. Se clasifican en dos grupos:

1. Las que tienen que ver con la resistencia miden la aptitud de los materiales pararesistir cargas estticas o cargas aplicadas a baja velocidad. Son dureza yresistencia.

2. Las que tienen que ver con la deformabilidad del material miden la capacidad pararesistir cargas dinmicas sin llegar a romperse ni a deformarse. Son tenacidadyductilidad.

ENSAYOS DE DUREZA

La dureza, desde un punto de vista fsico, se puede definir como la resistencia queoponen los cuerpos a la deformacin. De esta definicin general se derivan tres tipos demedida de durezas:

1. Resistencia al rayado (Mineraloga): Clasifica a los minerales por la resistencia arayarse unos a otros (Escala de Mohs).

2. Existe oto concepto de dureza y es el que se refiere a la capacidad de devolucinde energa elstica que tienen los cuerpos. Es conocido que de forma relativa paraun determinado material, la capacidad de devolucin de energa elstica, dEe,est correlacionada directamente con el grado de endurecimiento, gH, es decir:

DEe=f(gH)

Existen ensayos de dureza basados en este principio (devolucin de energa), querecoge la informacin aportada por el ensayo de traccin, slo en su zona elstica(ENSAYO SHORE).

1


2/57

3. La Ciencia de Materiales restringe algo ms el concepto para definirlo como laresistencia, cuantificada, que opone un cuerpo a la deformacin permanente en susuperficie. La dureza de un metal se mide por su resistencia a la penetracinsuperficial por otro cuerpo ms duro. Bajo esta definicin la cuantificacin de ladureza se realiza sobre la base de la medicin de los parmetros de una huella, detal modo que dureza, H, y dimensin de huella, h, estarn correlacionadas

inversamente; es decir:

H=f(1/h)

ENSAYO DE DUREZA BRINELL: En funcin de la norma, la forma de expresar la durezava cambiando:X HBW d(mm)/P(kg)/t(s)X es el valor de la dureza del material (escala Brinell)HBW indica ensayo Brinell con identador de carburo de tungsteno.d es el dimetro de la esfera (identador) en mm.P es la carga aplicada en kg.t es el tiempo de aplicacin de la carga en segundos.

Ejemplo: 70 HBW 10/3000/20

Nota: Si realizamos el ensayo con la carga en Newtons, es necesario multiplicarpor una constante de conversin para tener el valor en kg/(mm2). La constante vale 0,102(=1/9,806 Inversa de la Aceleracin de la Gravedad).

La dureza no tiene dimensiones. Se utiliza como dato comparativo.

El rea que genera la esfera no es un concepto que exprese perfectamente unapresin media por unidad de superficie. MEYER demostr que para tener una presinmedia idntica en dos huellas hechas por esferas de diferente tamao debemos tener elmismo ngulo en las esferas (referencia en transparencias de clase). Buscamos huellasque sean geomtricamente semejantes.

Tambin existen condiciones imponibles a las muestras, que deben estar limpias,libres de cualquier resto de grasa u xido. Estamos midiendo la diagonal (dimetro) delcasquete esfrico (huella), y a partir de esto calculamos el valor de la dureza. Otra de lasexigencias es el espesor mnimo de la muestra, que se debe consultar en una tablanormalizada, que relaciona la profundidad de la huella con el dimetro de la misma y conla carga aplicada.

CARGA DE ENSAYO: Se ha comprobado que la mayor precisin de losresultados se obtiene cuando el ngulo de huella es aproximadamente igual a 136, quecorresponde a una relacin d/D=0,375. Como esto no es posible de obtener consemejante exactitud por procedimientos convencionales, se ampli el intervalo de larelacin d/D a:

0,6>d/D>0,24que corresponde a:0,6*D>d>0,24*D

La distancia entre centros de huellas debe ser alta debido a la acritud o aumentode dureza producido por la deformacin en fro del material al generar las huellas.

Estos resultados de dureza son vlidos hasta un valor de 650 en la Escala deBrinell. A partir de ah no se puede dar validez a los resultados obtenidos. Se dice queNO SON REPRODUCIBLES.

2


3/57

Para que exista semejanza geomtrica debe verificarse una relacin carga-dimetro, de la forma:

P/D2=k con k=cte.

ENSAYO DE DUREZA VICKERS: La huella que deja el identador en la muestra tiene

forma de pirmide recta, y se eligi de esta forma debido a lo siguiente: Se deforma poco el material. Se simplifican los clculos del rea de la huella. Da una correlacin entre los valores de dureza Vickers y Brinell que son iguales

hasta 250, y casi iguales hasta 300.El concepto de dureza en este ensayo es igual que en el ensayo Brinell (Relacin

entre carga aplicada y rea de la huella). Slo necesitamos determinar la diagonal delcuadrado (que es la superficie de la huella) para calcular el rea de la huella. Para ello esnecesario conocer adems que el ngulo entre caras opuestas es de 136.

La dureza Vickers viene dada por la expresin:

HV=P/A

NORMATIVA: Expresin de la dureza Vickers.X HV P(kg)/t(s)X es el valor de la dureza en el ensayo Vickers.HV indica el tipo de ensayo (ensayo de dureza Vickers)P es la carga aplicada en kg.t es el tiempo de aplicacin de la carga en segundos.Ejemplo: 100 HV 50/25

El factor de conversin para obtener las unidades deseadas si el ensayo se realizaen Newtons es C=0,1891.

La superficie debe estar limpia (al igual que en el ensayo Brinell) y adems elacabado superficial debe ser mayor (PULIDO) debido a que la huella producida por el

identador es muy pequea. Tambin es necesario un espesor mnimo de la muestra y unacierta distancia entre los centros de las huellas, que ser mayor cuanto ms blandos seanlos materiales.

Si aplicamos el mtodo a una superficie curva, para determinar el valor de ladureza hay que aplicar una serie de factores de correccin.

Debido a la geometra del identador en el ensayo Vickers, las huellas son siempregeomtricamente semejantes, por lo que el valor de la dureza es independiente de lafuerza aplicada. Esto se verifica para valores altos de la carga (hasta 5kg). Por debajo deeste valor las huellas ya no son geomtricamente semejantes.

Entre 5kg y 200g.Entre 200g y 10g (Ensayos de Microdureza).

NORMAS:UNE-> Unin de Normas Espaolas.EN-> Traduccin de la Norma Europea.ISO-> Norma Internacional.

ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL: La dureza viene expresada en funcin de laprofundidad remanente de la huella. El valor de la dureza est relacionado con esteparmetro.

3


4/57

La huella la vamos a generar aplicando dos cargas consecutivas. La profundidadremanente la vamos a medir en condiciones en las que la primera carga todava sigueactuando.

Hay dos tipos de identador (cono de diamante y esfera de carburo de tungsteno), ytambin hay varios tipos de escala (vanse fotocopias de transparencias).

Ensayos derivados: Existen dos tipos de ensayo (NORMALy SUPERFICIAL).

La razn de aplicar dos cargas es la siguiente:La primera carga es pequea y tiene carcter preliminar. Sirve para determinar el

fondo o inicio de escala (carga F0), y genera una huella con una profundidad h0. Ahoraaplicamos una nueva carga F1de forma sucesiva, manteniendo siempre aplicada la cargaF0. Despus se retira la carga F1y se produce una cierta recuperacin elstica, quedandouna profundidad de huella que llamamos h.

Denominamos como valor de la dureza a la diferencia entre la profundidad total dela escala y el valor de la profundidad remanente h.

Este ensayo nos proporciona una elevada precisin. Adems, no todas las escalastienen la misma separacin.N-> Valor de toda la escala.Dureza Rockwell=N-h/S

La lectura que proporciona el durmetro nos da directamente el valor de la dureza.Dicho valor hay que leerlo a partir de la primera carga aplicada.

S=0,002 a 0,001 dependiendo de la escala.Las escalas A, C y D tienen como identador el cono de diamante. Se elige la

escala en funcin del material a analizar y de las cargas a aplicar. La primera cargapreliminar es idntica para todas las escalas (fondo de escala igual para todas). Vara portanto la carga F1, que es la segunda carga aplicada.

Las escalas estn correlacionadas. Se han hecho varias escalas para poderbarrer todo el espectro de materiales existentes, es decir, para poder estudiar la durezade todos los tipos de material existentes.

Para este mtodo la rugosidad superficial no tiene tanta importancia como paraotros ensayos, debido a que la primera carga se aplica para evitar los problemas

derivados de la rugosidad superficial. Por lo tanto slo afecta la suciedad o impurezas dela superficie.

Ventajas: (Transparencia 7c) No-necesidad de medir dimetros. Mayor precisin en la medida que en el resto de ensayos. Etc.

-MICRODUREZA-

Este ensayo consiste en generar una huella muy pequea para medir la dureza dezonas de pequeo tamao. Esto se hace aplicando cargas muy pequeas. Son ensayosde precisin. Se utilizan por ejemplo en metalurgia para evaluar la dureza entre fases

diferentes o para analizar la dureza de un recubrimiento (como son los galvanizados).Tambin se utiliza para testear materiales cermicos, que son muy frgiles.

El principal inconveniente es que necesitan una gran preparacin superficial,llegando al PULIDO metalogrfico, tambin denominado acabado especular.

Tenemos dos clases de ensayos de microdureza. El Vickers utiliza un identadorpiramidal de base cuadrada. Las ltimas normas limitan el campo de aplicacin a cargasde un valor situado entre 10 y 200 gramos.

ASTM-> Norma americana (entre 1 y 1000 gramos)

4


5/57

El otro ensayo es el ensayo knoop. Utiliza como identador una pirmide dediamante con ngulos entre aristas de 17230 y 130 (vanse transparencias de clase).En este ensayo se calcula la superficie a partir de la diagonal principal.

Nota: La dureza no tiene unidades, aunque el valor corresponde a dividir kg pormm2. [ver transparencia 13]

En ninguno de estos ensayos son comparables los valores a no ser que se haya

realizado con la misma carga, es decir; las huellas no son geomtricamente semejantes.

PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALESENSAYO DE TRACCIN

El ensayo de traccin consiste en someter a una probeta metlica de geometradefinida a un esfuerzo suficiente para llevar a la probeta a rotura. Dicho esfuerzo es unesfuerzo axial de traccin.

Para ello necesitamos una mquina (prensa hidrulica) que pueda provocar lafractura en la probeta y permita controlar la velocidad de deformacin, y tambin registrarlas fuerzas aplicadas (F) y los alargamientos (L) de la probeta. Las probetas estnnormalizadas. Existe una relacin entre la seccin de la probeta y una serie de puntos que

se van midiendo a lo largo del ensayo.(Vase la figura 1 en los anexos)El ngulo producido al estirarse la probeta debe ser suave y agudo para que no

acte como concentrador de cargas.L0-> Distancia inicial entre los dos puntos de la probeta elegidos para medir.

(Vase figura 1)La figura 1 es similar a la que aparece en la parte inferior de la pgina 115 del libro

de Callister.

Curvas: F(kN)-L(mm)(MPa)-[Tensin-Deformacin]

A partir de la curva F-L se dibuja la otra curva (Tensin-Deformacin) que

representa la carga instantnea dividida por la seccin inicial de la probeta, y ladeformacin es el alargamiento dividido entre la longitud inicial de la probeta (magnitud

ADIMENSIONAL).Esta curva (-) se denomina curva convencional. En ella se aprecian dos zonas

claramente diferenciadas:En el primer tramo existe una correlacin lineal o cuasi-lineal entre la tensin y la

deformacin (zona elstica). La deformacin producida no es permanente, ya que una vezcesada la carga el material recupera la forma inicial.

La constante que correlaciona estas dos variables (-) a lo largo de la zonaelstica se denomina mdulo de Young () y es la tg(es el ngulo entre la curva y eleje de abcisas). El mdulo de Young es un indicador de la rigidez del material (siaumentamos aumentaremos tambin la rigidez). Mide la resistencia de los enlacesinteratmicos del material.

se mantiene constante cuando el material se encuentra aleado, ya que el valordel mdulo de Young no depende de la fase, de si el material est aleado, recocido, etc.Lo que realmente afecta al mdulo de Young es la temperatura (Vanse fotocopias).

El mdulo de Young vale igual para clculos de resistencia a compresin como atraccin. Por convenio, en el ensayo de compresin se tomarn como negativos losvalores de las fuerzas y deformaciones.

5


6/57

Hay materiales en los que la curva no es lineal en su zona elstica (hoja 6fotocopias de clase).

Ejemplo: Hormign.Hay que determinar el mdulo secantey el mdulo tangente.

Mdulo secante:Pendiente de la recta secante entre dos puntos de la curva.Mdulo tangente:Pendiente de la recta tangente a la curva en un punto determinado.

PROPIEDADES ELSTICAS:El coeficiente de Poisson relaciona la contraccin relativade una seccin transversal y el alargamiento relativo de la seccin longitudinal.(Vase figura 2)

Esta figura es la misma que aparece en la pgina 123 del libro de Callister en laparte inferior de la pgina 9 de los apuntes de esta asignatura que se encuentran en ladireccin:http://pagina.de/minasvigo Material istropo: Es aqul en el cual las propiedades mecnicas son las mismasen todas las direcciones.

Deformacin de cizalla: =a/h=tgTensin de cizalla: =G*

(Vase la figura 3)

Esta figura es un diagrama de cmo la deformacin producida por una tensin decizalla afecta al material, desplazando una partcula situada a una altura h a una distanciaa de su posicin inicial.

Nota: En la mayora de los materiales G0,4* (G es el mdulo de cizalla). Estonos permite obtener una constante a partir de la otra.

Anelas ticidad : La deformacin elstica depende del tiempo. Aparece endeterminados materiales (obsrvese el caso de los polmeros). Al dejar de aplicar unacarga, el material sigue deformndose durante un periodo de tiempo. Lo mismo ocurre aleliminar la carga, ya que tarda un tiempo en recuperar su forma inicial.

El ensayo de traccin fue diseado para conseguir que la velocidad dedeformacin sea constante, ya que es este parmetro el que realmente controlamos en el

ensayo.Superada la zona elstica se producen una serie de deformaciones que

permanecen una vez retirada la carga (zona plstica). El lmite que separa estas zonas noest definido claramente. En la zona plstica hay rotura de enlaces y formacin de otrosnuevos. Nos interesa que la mayor parte de las estructuras no pasen de la zona elstica,luego es muy importante definir los lmites entre zonas.

Lmite elstico convencional: Es la carga unitaria definida para la cual se produceuna deformacin plstica (expresada en %) prefijada. Es una medida de la resistencia a ladeformacin plstica. Es comn el lmite del 0,2%.

En algunos materiales la variacin de zonas es muy abrupta (zona de cedencia).Se definen dos lmites: el lmite superior de cedencia y el lmite inferior de cedencia.

Norma aplicada: EN 10002-1 (1990)

La zona de cedencia aparece en los aceros al carbn endurecidos por nitrgeno.Se producen unas rayas caractersticas en la probeta, con un ngulo de 45 con respectoal eje de traccin.

El lmite elstico convencional se calcula trazando una lnea inclinada paralela a lazona elstica desde el alargamiento en % que queremos calcular.Resistencia a la traccin: Es la carga nominal o unitaria mxima que soporta la

probeta. Es un parmetro de diseo. Estos valores varan mucho segn el tipo de material(ver tablas en fotocopias de clase), si estn aleados, si han sido tratados trmicamente,etc.

6
http://pagina.de/minasvigohttp://pagina.de/minasvigo


7/57

DUCTILIDAD: Medida del grado en que un material es capaz de deformarseplsticamente. Esta propiedad se evala por medio del ensayo de traccin mediante dosparmetros, que son el alargamiento porcentual de rotura (A) y el coeficiente de estriccin(z). [Ver las fotocopias]

Nota: El alargamiento depende tanto de L0como de S0.,-LEY DE BARBA-

a,c:Parmetros que dependen del material (son constantes)S0,L0:Variables (Consultar anexo; ejercicios)

Para que dos probetas de distintas dimensiones den lugar a un alargamientosemejante debe verificarse la ley de semejanza geomtrica, esto es:S0/( L0)

2=S1/(L1)2=k en general k=5,65

Entonces se podrn comparar los alargamientos.Estriccin: Variacin de la seccin de la probeta por unidades de seccin inicial

(en %). No depende de S0ni de L0.El opuesto a un material dctil es un material frgil. Su deformacin a la fractura es

inferior a un 5%.EFECTO DE RESILIENCIA:Es la capacidad que tiene un material para absorber

energa elstica cuando es deformado y de ceder esta energa cuando dejamos de aplicar

la carga. La propiedad asociada a este efecto es el mdulo de resiliencia, que lo definimoscomo energa de deformacin por unidad de volumen que se requiere para deformar elmaterial hasta su lmite elstico.

Matemticamente este mdulo UR se expresa como la integral entre 0 y Y delproducto *dy las unidades se expresan en Pascales.(Ver figura 4 y desarrollo de la expresin)

Un material de alta resiliencia necesita un mdulo de Young bajo y un lmiteelstico elevado.

Tenacidad: Se puede definir como la resistencia del material a agrietarserpidamente, o tambin como la capacidad de absorber energa plstica antes defracturarse.

En el ensayo de traccin (ensayo realizado a baja velocidad de deformacin) sepuede evaluar la tenacidad como el rea que hay debajo de la curva -. Se trata de unaenerga por unidad de volumen.

La tenacidad es mayor cuando se alcanza un compromiso entre una buenaresistencia y una buena ductilidad. Un material puede ser dctil pero no tenaz, o puedeser resistente pero no ser tenaz.(Ver figura 5)Explicacin de esta figura

La figura 5 muestra un diagrama -en el que aparecen tres tipos de materiales.El primero posee una elevada resistencia a la traccin (RTordenada mxima) pero bajadeformacin; es muy resistente pero poco tenaz. El segundo posee buenas cualidades deresistencia a la traccin y de deformabilidad, luego es muy tenaz. El tercero es altamente

deformable pero posee muy poca resistencia; es por tanto muy dctil, pero poco tenaz.

En condiciones de aplicacin de cargas a velocidades altas hay que recurrir aotros ensayos: Ensayos de flexin por choque con entalla.

Existen estados ms complejos de tensiones.(Curva convencional y curva real en un material metlico. Vase la figura 6)La curva convencional no nos proporciona informacin acerca de cmo son las tensionesy deformaciones reales (R=F/SI; R).

7


8/57

Enmascaracin: El no utilizar una tensin real enmascara que el aumento deacritud es continuo en todo el ensayo, y nos oculta tambin que para seguir deformandoel material es necesario aplicar una carga mayor.

Deformacin plstica-> Deslizamiento de las dislocaciones. Las dislocaciones sedeslizan por planos de deslizamiento. Los sistemas de deslizamiento vienen dados por unplano de deslizamiento (compacto) y por una direccin de deslizamiento (compacta).

SISTEMAS DE DESLIZAMIENTOFCC-----12BCC-----12 24 segn el metalHC-----3 6 segn el metal(Fuente: Callister pgina 163)

Acritud: Favorece la inmovilidad de las dislocaciones, lo que implica elimpedimento de la deformacin plstica. El esfuerzo real es siempre creciente.

A partir del punto de carga nominal mxima se produce la estriccin, que es unestrechamiento en la parte central de la probeta.(Ver la figura 7)

En la curva Fuerza-Alargamiento, la fuerza disminuye despus de aplicar la carga

mxima (a partir del punto de estriccin). Lo que ocurre es que el rea instantnea S Itambin disminuye, y en mayor medida; por eso:

(F/ SI)=R

Alargamiento remanente: Es hablar de la deformacin convencional multiplicadapor cien (en porcentaje).

A=[(LU-L0)/L0]*100Siendo:

LUla longitud final entre marcas. L0la longitud inicial entre marcas. (LU-L0)/L0=L/L0=(deformacin convencional)

Adems, el alargamiento remanente no es aditivo, esto es que si para un tiempo t1el alargamiento es:

A1=[(L1-L0)/L0]*100=20%Y para un tiempo t1tenemos:

A2=[(L2-L0)/L0]*100=30%Si realizamos la diferencia A2-A1=10%, que sin embargo no es el alargamiento

remanente entre t1y t2. Lo que tenemos es:A2-A1=[(L2-L1)/L0]*100

Este resultado es un incremento porcentual de longitud referido a la longitud inicial,que nos proporciona una informacin errnea.

Lo que haremos ser definir un alargamiento real, que nos permita conocer cuales el incremento de longitud proporcional a un incremento infinitesimal de la tensin para

cada longitud instantnea LI.R=[(L1-L0)/L0]+[(L2-L1)/L1]+[(L3-L2)/L2]+...

Este alargamiento Res igual a la integral definida entre L0y L de dL/L, obteniendoque:R=Ln(L/L0)

La ventaja es que si realizamos la deformacin a traccin y a compresinobtenemos valores idnticos, pero de distinto signo:

8


9/57

Ejemplo: Para un material cualquiera obtenemos 0,69 a traccin y -0,69 acompresin; en caso de no utilizar deformacin real obtendramos 1 y 0,5 comoresultados.

Para deformaciones inferiores al 10%, los valores del alargamiento y deformacinreal son muy parecidos.

Desde el momento en que comienza la deformacin plstica hasta el inicio de la

estriccin en la probeta, el alargamiento es homogneo, y el volumen de la zona queestamos ensayando se conserva.S1*L1=S0*L0

A partir de la curva F-L se determina la curva convencional -. Veamos larelacin que tiene esta curva con los valores reales (R-R):

R=F/SI=(F*LI)/(S0*L0)=(F/S0)*(L0/L0+L/L0)=*(1+)

LI=L0+LR=Ln(L/L0)=Ln[(L0+L)/L0]=Ln(L0/L0+L/L0)=Ln(1+)

Desde que comienza la estriccin hasta que se produce la rotura habr que medirla carga aplicada y la seccin y longitud instantneas.

Esta correlacin anterior era teniendo en cuenta que el volumen era conservativo,lo que nos permite definir la siguiente correlacin que slo se cumple cuando el materiales poco sensible a la velocidad de deformacin.Ecuacin de Ludwik(En la zona de alargamiento homogneo)

R=K*(R)N

K=Coeficiente de resistencia.n=ndice de endurecimiento por deformacin ndice de acritud.N y K son constantes caractersticas que dependen del material y de las condiciones delensayo (T, tamao de grano del material, etc.).

CORRECCIONES POR EL CUELLO

En la estriccin tenemos una distribucin triaxial (mayor grado de complejidad) detensiones. La tensin axial en el cuello es ligeramente menor que la que estamosconsiderando, por lo que hay que hacer una correccin a la curva (Vase fotocopia 11b).Log(R)=Log(K)+n*Log(R)

A mayor valor de n indica un mayor endurecimiento por deformacin (acritud) delmaterial. Esto implica que la tensin necesaria para deformar el material aumentatambin.(Vase figura 8)

Aunque la acritud es siempre creciente con la deformacin, el ritmo de acritud nolo es, ya que inicialmente es ms rpido que al final.

A efectos prcticos, para controlar el valor de n en el ensayo controlamos eltamao de grano, pero hay otros factores que influyen en n (material con fases dispersas,endurecimiento por precipitacin,...). N disminuye cuanto ms resistente sea el material aldesplazamiento de las dislocaciones.FACTORES

Tipo de soluto sustitucional: En general los solutos sustitucionales disminuyen elvalor de n (son aleaciones).

9


10/57

Presencia de fases dispersas: Mayoritariamente es una estructura cristalina conmicro nanoestructuras de otra fase. Disminuyen el valor de n.

En general, cualquier elemento que aumente la resistencia del material, haciendoms difcil el movimiento de las dislocaciones, hace que n disminuya.

Materiales recocidos: nM. trabajados en fro: n

Para conformar los materiales en fro es importante que n sea elevado.A partir de la curva real, n es igual al valor de la deformacin real en el punto de

inicio de la estriccin. Es una buena aproximacin tomar el valor de n como el valor de ladeformacin en el punto de inicio de la estriccin en la curva convencional.

Una informacin similar a la que proporciona n se obtiene mediante la ecuacin:nRC/RM

Si este cociente es prximo a la unidad, esto quiere decir que el material adquieremuy poca acritud con la deformacin, que rompe al pasar de la zona elstica.

Si el cociente es menor que la unidad, significa que el material adquirir muchaacritud al deformarse.

Estriccin: Es el cuello que se forma en el centro de la probeta a partir del puntode carga mxima. Si el material es muy dctil, la estriccin es casi un punto. Cuanto ms

dctil sea el material menor va a ser la seccin final cuando rompa la probeta.NDICE DE ESTRICCINZ=[(S0-SU)/S0]*100

Si tuvisemos en cuenta la carga axial que acta en la zona de estriccin,tendramos una curva por debajo de la curva real.EFECTO DE LA T EN LA CURVA DE TRACCIN

Interesa por que la curva de traccin se utiliza para el diseo de una pieza de esematerial, mediante el clculo de determinadas propiedades mecnicas. Por eso esinteresante saber el comportamiento del material a diferentes temperaturas.

Se pueden realizar ensayos de traccin a altas temperaturas, mediante unaprobeta envuelta en un horno (resistencia, etc.). La temperatura afecta al material

disminuyendo su resistencia y aumentando su ductilidad, mediante la disminucin aumento de las propiedades mecnicas relacionadas con stas.

Si la temperatura aumenta, podemos decir que: Disminuye el lmite elstico. Disminuye la resistencia. Disminuye n. Aumenta la ductilidad.

Para hacer una buena comparativa de materiales hay que realizarla a unatemperatura homloga, que es igual a la temperatura de ensayo dividida por latemperatura de fusin del material.

Para comparar lmites elsticos en materiales sometidos a altas temperaturas hayque utilizar un factor homologado, que sera el lmite elstico dividido por el mdulo deYoung.

Si tratamos de ver la influencia de la estructura cristalina, podemos diferenciar elsiguiente comportamiento general (con excepciones):

FCC: El lmite elstico vara poco y sin embargo el ndice de acritud varaconsiderablemente.

BCC: Para estos materiales el lmite elstico vara de forma significativa, mientrasque el ndice de acritud apenas vara.

10


11/57

HC ( HCP): Comportamiento similar al de materiales de estructura FCC,existiendo sin embargo una gran influencia de las impurezas en el comportamiento.

Lgicamente, el conformado de materiales en caliente resulta mucho ms fcildebido al aumento de la ductilidad.Resistencia a la traccin y dureza

Es una correlacin aproximada (ver fotocopia 19). Nos sirve para extrapolar

valores del ensayo de traccin a partir del ensayo de dureza (ms rpido, sencillo ybarato).

Para los aceros se da la siguiente correlacin numrica (Callister):RM(MPa)=3,45*HB

Al hacer un ensayo varias veces nunca obtendremos los mismos resultados; hayque dar un valor promedio con su desviacin tpica. En la tensin de trabajo hay queutilizar un factor de seguridad, para sobredimensionar el resultado obtenido.W=Y/n

Siendo n2Ejemplo de curva de traccin (Vase anexo).

Referencia: Anexo (Ejercicios)

FRACTURA

Por fractura se entiende la separacin o fragmentacin de un cuerpo slido en doso ms partes bajo la accin de una tensin a temperaturas que estn muy alejadas de latemperatura de fusin del material. Los materiales metlicos sufren sobre todo fracturapor fatiga.

Etapas a tener en cuenta: (son 2) Iniciacin de una grieta o fisura. Propagacin de dicha grieta o fisura (es la etapa que determina el modo de fallo).

Clasificacin: Fractura dctil y fractura frgil.La ductilidad depende tanto de factores internos como de factores externos. De

aqu que la clasificacin de fractura atendiendo a la ductilidad del material depende engran medida de las condiciones de ensayo.

Al hablar del tipo de material, los factores que condicionan su ductilidad son:Estructura cristalina: (FCC, BCC, HC). Cada estructura cristalina tiene unos sistemas de

deslizamiento distintos (Vase hoja correspondiente). Cuantos ms sistemas dedeslizamiento haya, ms fcil ser de deformar plsticamente dicho material.

FCC: Au, Al, Ag, Ni, Cu, Bronces y aceros inoxidables austenticos. BCC: Fe (puro), aceros dulces, Mo, W. HC: Ti, Mg, Zn, Co, Be, Zr.

Microestructura: Factor importante es el tamao de grano, ya que existe una correlacininversa entre ductilidad y tamao de grano; es decir, a menor tamao de grano mayorser la ductilidad (y tambin la tenacidad) para un determinado material. El tamao degrano es el nico mecanismo que hace aumentar a la vez la ductilidad y la tenacidad delos materiales.Caractersticas generales

Fractura dctil: Tiene asociada una gran deformacin plstica en el entorno de lagrieta (o zona fracturada). Se trata de una grieta estable, ya que para seguir creciendonecesita que el esfuerzo (externo) sea cada vez mayor. Adems, el avance de la grieta eslento y existe una deformacin plstica apreciable en las superficies de fractura.

11


12/57

Fractura frgil: Una vez iniciada, la grieta se propaga rpidamente sin necesidadde aumentar el esfuerzo (grieta inestable), y adems no existe deformacin plstica en elentorno de la grieta.

La mayor parte de los materiales metlicos son muy dctiles y tenaces. Losmateriales cermicos van a ser frgiles, y en cuanto a los polmeros tendremos los dostipos de comportamiento. Esto es vlido para cualquier tipo de ensayo (traccin y

compresin).FRACTURA EN EL ENSAYO DE TRACCIN

Podemos tener los dos tipos de fractura. Dentro de la fractura dctil podemos teneruna fractura muy dctil (como la del Au por ejemplo). En este tipo de fractura, la tensincortante mxima se obtiene cuando los ngulos y son iguales y con un valor de 45. Aesta tensin se la denomina tensin de cizalladura resuelta crtica. (Vase fotocopia FR4y figura 9).

En otros materiales se da la fractura de copa-cono. El mecanismo por el que sellega a este tipo de fractura incluye otros efectos. Existen unas marcas superficialescaractersticas. Este tipo de fractura es caracterstica de la mayora de los metales.

La rotura de materiales es un hecho no deseado porque puede producir posiblesprdidas de vidas humanas e importantes prdidas econmicas. Su prevencin es muy

difcil de garantizar.CAUSAS

Puede deberse a una mala utilizacin en servicio; en muchos casos es unaseleccin inadecuada para una determinada actividad o se debe a un mal diseo.

Es responsabilidad del ingeniero evitar esto.El estudio de las causas de rotura es uno de los problemas principales que tratan

hoy en da los ingenieros especializados en metalurgia.

Mecanismo de la fractura de copa-cono: (Vase fotocopia FR5)La primera etapa es que una vez iniciada la estriccin se forman una serie de

microcavidades en el interior de la seccin de la probeta en esa zona de estriccin. Estasmicrocavidades se deben a la descohesin a lo largo de la intercara entre partculas de 2

fase y la matriz (Ver la figura 10). En muchos casos las partculas de 2 fase forman partedel material o son impurezas. Si el precipitado que se forma es muy grande puederomper, produciendo las fisuras. A medida que continua la deformacin, lasmicrocavidades crecen, y va a llegar un momento en el que se produce una coalescenciade microcavidades, por rotura de los tabiques de separacin de esas microcavidades. Seforma entonces una grieta elptica, cuyo eje mayor es perpendicular al esfuerzo (detraccin, en este caso), que va a seguir creciendo (por coalescencia de microcavidades).Pero la rotura final se va a producir cuando, en un momento dado, la seccin del materialno aguante la carga (ya que est aplicada sobre los extremos), y rompe de manera rpidapor propagacin de la grieta alrededor del permetro exterior de la estriccin por tensinde cizalladura, formando un ngulo de 45 con el eje de aplicacin de la carga. Estengulo es de 45 porque ah es donde estn situados los planos ms activos; los que

deslizan antes.En este caso tenemos la fractura de copa-cono, en la que una de las superficies

de fractura tiene forma de copa y la otra de cono.Si nos fijamos en la parte central observamos que sta tiene un aspecto fibroso

muy caracterstico que identifica claramente el modo de fallo. Existe una comprobacin deeste fenmeno por medio de la fractografa, que es la ciencia que se dedica al estudio delas superficies de fractura para, por medio de una serie de anlisis, poder determinar eltipo de fallo.

12


13/57

Esta ciencia se apoya en el microscopio electrnico de vaco, que por medio de unbombardeo con haces de electrones provocan una reemisin de electrones secundariospor parte del material, obteniendo una informacin en forma de imagen topogrfica.

(2 imagen de la fotocopia FR6) Cada hueco se denomina cpula y corresponde ala mitad de un microvaco. A efectos macroscpicos, la superficie es muy fibrosa y hayuna gran deformacin plstica en el entorno.

En materiales frgiles, tenemos a nivel macroscpico una fractura que se propagaa travs de una superficie prcticamente plana, perpendicular a la direccin del esfuerzo(fotocopia FR4 c). Microscpicamente (fotocopia FR7), se observa una pequeadeformacin plstica.

(Fotocopia FR8) Micrografa de la seccin de un acero (con aspecto todavamacroscpico). Hay unas marcas radiales que nacen del centro de la superficie defractura y que son tpicos de la fractura frgil de los aceros, y que apuntan hacia el iniciode la grieta.

Volviendo a la fotocopia FR7 podemos ver una zona como granular. El mecanismode fallo es el siguiente:

En la mayora de los materiales frgiles la propagacin de la grieta corresponde auna sucesiva rotura de enlaces atmicos a lo largo de planos cristalogrficos (lo que se

denomina como descohesin o clivaje), observndose unos huecos alargados queindican los planos de fractura.

Este tipo de fractura (por clivaje) es transgranular, porque las microgrietas vanatravesando los granos del material. En este tipo de fallo, los planos de descohesincambian de un grano a otro (por cmo estn distribuidos los planos mejor orientados).Esto proporciona un aspecto facetado a la superficie de fractura.

Rotura intergranular en materiales frgiles: (FR9).La grieta progresa por los lmites de grano. Este tipo de fallo est asociado a la

presencia de impurezas en el lmite de grano, que debilitan el material. Como ejemplotenemos la rotura que se da en los aceros inoxidables austenticos sometidos a una cargade traccin en un ambiente corrosivo. Tambin son importantes en las fracturas losfactores externos adems de las cargas, como se puede apreciar en el ejemplo.

ENSAYOS DE IMPACTOEl modo de fallo en el ensayo de traccin no nos permite extrapolar los resultados

a otras situaciones diferentes. El tipo de fallo est condicionado por las condiciones decontorno del material.

Para ensayar los materiales en las peores condiciones posibles se crearon losensayos de impacto, para poder saber en qu condiciones el material presenta fracturafrgil. Estas condiciones son:

1. Temperaturas bajas.2. Velocidad de deformacin elevada.3. Estado triaxial de tensiones (mediante entalla mecnica).

Tipos: Ensayo Charpy y ensayo Izod.Estos dos ensayos han sido normalizados y diseados para determinar la energa

de impacto o tenacidad a la entalla, que se define como la energa absorbida por lasuperficie entallada cuando rompe. En ambos casos se romper una superficie entalladade un golpe dado con una masa-pndulo. Se medir la energa absorbida por ese golpe.La velocidad que adquiere la masa al golpear la probeta queda determinada por la alturadel pndulo. Tras la rotura, la masa continua su camino hasta llegar a una cierta altura, apartir de la cual se determina la energa absorbida (FR10).Energa absorbidaEabs=(m*g*h)-(m*g*h)=m*g*(h-h)

13


14/57

La diferencia entre alturas se correlaciona muy bien con el ngulo que forman elbrazo con la vertical en las posiciones inicial () y final () y con la longitud del brazo (I).Eabs=m*g*I*(cos-cos)ltima norma aplicada: EN 10045-1

Esta norma define una probeta de 55 mm de longitud total y de base cuadrada de10 mm de lado. A la mitad de la longitud hay una entalla, que puede tener forma de U o

de V.U: se define una profundidad de 2 mm y rc=0,25 mm.V: profundidad=5 mm y rc=1 mm.En el ensayo viene tambin normalizada la velocidad de choque Vc, que vara

entre 5 y 5,5 m/s.En el ensayo Izod la probeta est en posicin vertical y la carga golpea

perpendicularmente a la probeta por el lado de la entalla.Inicialmente en Espaa a estos ensayos se les denomin Ensayos de

Resiliencia.EXPRESIN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ENSAYOKU=130 JKV=121 J

Nota: Los valores dados son para un caso hipottico. Las unidades vienenexpresadas en Julios, absorbidos por el ensayo Charpy de flexin por choque con entallaen forma de U o V.

En esta norma la energa no se define como energa absorbida por unidad desuperficie, ya que no se contempla la resiliencia.

Una entalla particular es la denominada ojo de cerradura, que no aparece en lanueva norma.

Lo ms importante de estos ensayos es que nos van a permitir determinar latemperatura de transicin dctil-frgil (Su principal ventaja sobre los otros ensayos). Estose consigue realizando el ensayo en iguales condiciones normalizadas, pero a distintastemperaturas. Lo que se hace es calentar o enfriar la probeta antes de realizar el ensayo(La distribucin de temperaturas debe ser homognea en toda la probeta). Se obtienen

una serie de curvas (fotocopia FR15).Se observa que existe una dependencia de la energa absorbida con la

temperatura. A altas temperaturas se absorbe gran cantidad de energa, lo que estrelacionado con la fractura dctil. A bajas temperaturas tenemos una menor absorcin deenerga, lo que est relacionado con la fractura frgil.

Podemos hacer la misma grfica pero sustituyendo la energa absorbida por el %de la superficie de fractura dctil, correspondiendo el origen de ordenadas con el 0%.

Hay una influencia importante de la estructura del material en el tipo de fractura.En la mayora de los casos habr una transicin brusca del comportamiento del material aalta temperatura y a baja temperatura. Existe lo que se denomina intervalo de transicindctil-frgil (tpico en materiales de estructura BCC).

Cuando no hay transicin pronunciada, referimos la temperatura de transicin

dctil-frgil a la temperatura para la cual el material absorbe 27 Julios de energa, otambin a la temperatura para la cual el 50% de la superficie de fractura del material es defractura dctil.

Condiciones de uso del material: Trabajaremos con el material a una temperaturaque est por encima de la temperatura de transicin dctil-frgil.

La temperatura de transicin dctil-frgil depende de:Los factores externos que condicionan el ensayo, fundamentalmente la velocidad

de aplicacin de la carga y el tipo de entalla. La entalla es un concentrador de tensiones.Cuanto ms aguda sea la entalla mayor ser la concentracin de las tensiones.

14


15/57

Los factores internos, como son:Composicin del material (Estudiaremos los aceros. Fotocopia FR15). Al introducir

carbono formamos una solucin slida intersticial (porque los tomos de C son muypequeos y ocupan los intersticios) [Es un mecanismo de endurecimiento]. Esto hace almaterial menos tenaz. Cuanto ms carbono aadimos hacemos ms favorable la fracturafrgil. El oxgeno fragiliza tambin el acero, y de forma ms pronunciada.

Tamao de grano: La disminucin del tamao de grano endurece al material y a lavez aumenta su tenacidad. La deformacin inducida es ms fcil de absorber debido a lagran superficie del lmite de grano (de alto desorden). Esto se utiliza para comprobar latenacidad de los metales.

SLA-> Aceros de alta resistencia y baja aleacin (son aceros ferrticos).Tienen una ITT=-80C (ITT=T de transicin)Esto implica una alta resistencia a bajas temperaturas.

Determinacin del tamao de granoN=2n-1

n ndice de tamao de grano ASTM (Va de 2 a 12)N N de granos por pulgada cuadrada a 100 aumentos

Efecto de la estructura cristalina: Los materiales con estructura FCC son muy

tenaces. Presentan una transicin muy suave. Se utilizan para trabajar a temperaturascriognicas (como por ejemplo los aceros inoxidables austenticos). Los materiales BCCpresentan sin embargo una transicin muy brusca. Los materiales HC tienen uncomportamiento similar al de las aleaciones de alta resistencia (poca transicin pero bajatenacidad), a excepcin del titanio (muy tenaz).

Hay otro mecanismo de deformacin plstica en metales, y que es ms rpido queel deslizamiento de dislocaciones, y se denomina maclado. Adquiere importancia cuandono hay tiempo efectivo para el desplazamiento de las dislocaciones. Los materiales FCC,en condiciones adversas (baja temperatura y elevadas velocidades de aplicacin de lacarga), presentan maclado activo. Los BCC, a pesar de tener ms sistemas dedeslizamiento, dichos sistemas son menos activos, por eso se deforman peor. En estosmateriales se puede dar un maclado mecnico a temperatura ambiente cuando la

velocidad de aplicacin de la carga es elevada (en los FCC no ocurre), y tambinpresentan maclado mecnico a bajas temperaturas, pero en menor medida que otros.

Los materiales FCC sern dctiles y tenaces para cualquier velocidad deaplicacin de la carga y para cualquier temperatura.

Materiales dctiles como los BCC a temperatura ambiente y bajas velocidades deaplicacin de la carga se comportan como frgiles cuando la temperatura es baja ycuando a temperatura ambiente se aplica la carga a altas velocidades.

Esto significa que la fractura frgil se puede dar con uno o ms requisitos. Losmateriales HC sern frgiles en prcticamente todas las condiciones (con excepciones).Ventajas y limitaciones de estos ensayos Como ventajas tenemos que el ensayo es muy simple (fcil de realizar), y que nospermite determinar la temperatura de transicin dctil-frgil.

Como limitaciones tenemos que slo obtendremos datos cuantitativos quenicamente sern tiles a efectos comparativos (no para el clculo de piezas oestructuras); que estn determinados en materiales sin defectos (ya que los materiales deprueba no presentan en general discontinuidades internas); que los datos son pocorepresentativos de las condiciones de servicio reales, ya que:

El tamao de la probeta es independiente del espesor real del material. Siempre se emplea un carga de ensayo por impacto, con independencia de que la

estructura en servicio est sometida a cargas estticas o dinmicas.

15


16/57

La raz de la entalla puede ser menos severa que una entalla real o defecto similar(poros, microgrietas, fisuras, etc.)La energa absorbida es igual a la total ms la energa de propagacin de la grieta.El ensayo de impacto permite cuantificar la tenacidad de un material, pero no

obtenemos resultados aplicables cuando lo que necesitamos es disear piezasestructurales. Para esto se ha creado toda una rama de la ciencia de los materiales, que

se llama mecnica de fractura.La mecnica de fractura es la ciencia que estudia la resistencia de un material a la

fractura frgil cuando dicho material posee defectos internos (microfracturas, grietas, etc.)mediante anlisis tericos y experimentales. Las teoras de la mecnica de fractura nospermiten cuantificar las relaciones que existen entre las tensiones aplicadas, laspropiedades del material, la presencia de defectos que producen grietas y losmecanismos de propagacin de las grietas.

Concentrador de tensiones: Cuando los tericos de la mecnica de fracturaestudiaron la resistencia cohesiva terica en un material elstico frgil, se constat queera aproximadamente igual al mdulo de Young partido por 10 (=E/10). En anlisisexperimentales se ve que este valor se reduce entre 10 y 100 veces. Esto se debe a lapresencia de defectos internos que pueden inducir la aparicin de microgrietas. El primero

en postular este fenmeno fue A. Griffin. Las microgrietas son problemticas porqueactan como concentradores de tensin en los vrtices del defecto, y el fallo sueleiniciarse en la zona del material con mayor tensin aplicada.

(Fotocopia FR17). CONCENTRACIN DE TENSIONES: Seguiremos el dibujo ylas frmulas que aparecen en esta fotocopia.

La tensin a lo largo de la direccin x va aumentando a medida que nosacercamos al vrtice de la grieta, donde tenemos la mayor concentracin de tensiones.

El factor de concentracin de tensiones KT se define como la tensin mximaaplicada dividida por la tensin nominal. Tenemos tambin una frmula para determinar elvalor de la tensin mxima (ver FR17).

El efecto concentrador de tensin es debido a la longitud de la grieta y al radio decurvatura. Si el defecto es un defecto intenso, la longitud de una grieta superficial a, se

define como la mitad de la longitud de la grieta (ver FR16a), y la tensin mxima sealcanza en ambos vrtices de la grieta (FR16b).

Este mismo efecto de concentracin de tensiones se da tambin en cualquieraspecto de diseo que acte como tal (presencia de ngulo vivo o rosca).

La mecnica de fractura estudia los materiales frgiles porque en losmateriales dctiles se produce una redistribucin del estado tensional cuando el materialempieza a deformarse plsticamente. Esta nueva distribucin de tensiones hace que latensin mxima no sea tan alta, y por tanto la propagacin de la grieta sea ms lenta. Enmateriales frgiles la rotura suceder rpidamente.

K es el factor de intensidad de tensiones. Aparece cuando se realiza el estudiotensional en el extremos de la grieta, y depende de:

El valor de la tensin aplicada.

La longitud y posicin de la grieta. Geometra de la pieza slida.

La tenacidad de fractura, KC, es una propiedad mecnica, definida como laresistencia de una determinado material a la fractura frgil cuando hay una grietapresente.

Tambin se define como el valor crtico del factor de intensidad de tensiones en lapunta de la grieta, pero que se propague en un material frgil que contiene un defecto. Suexpresin general es:KC=Y**(*a)

1/2

16


17/57

Donde Y es un parmetro sin dimensiones que depende de la geometra de lapieza y de la geometra de la grieta.

El valor de KC, para probetas delgadas depende del espesor B, y disminuye amedida que B aumenta. Para probetas gruesas tenemos la condicin de deformacinplana, con lo que KCes independiente de B.Condicin de deformacin plana (Figura 11)

B2,5*(KIC/Y)2 Explicacin a la figura 11: Nos interesan las condiciones en las que el defecto esmuy pequeo en comparacin con el espesor de la probeta, considerando as que no haydeformacin en la direccin de la grieta. Experimentalmente, se comprueba que se danlas condiciones de deformacin plana cuando se verifica la anterior relacin (ver FR19).

KCsuele llevar un subndice, que se corresponde con la direccin de avance de lagrieta, que puede ser de rotura (subndice=1) por deformaciones planas, de cizalladura(subndice=2), o de desgarre (subndice=3).

(FR20 tabla 6.5). En esta tabla aparecen valores normales de tenacidad a lafractura para aleaciones seleccionadas en ingeniera. El valor de KC depende de latemperatura, velocidad de deformacin, microestructura, etc. Esto viene dado por lasnormas.

Un material puede estar sometido a diferentes estados de deformacin, peroempezar a romperse cuando alcance el valor de KC. Los materiales frgiles tendrnvalores de KC muy pequeos, mientras que los materiales dctiles tendrn un elevadovalor para KC. En general interesa estudiar el valor de KC para materiales de ductilidadintermedia.

Desde el punto de vista del material, KCse encuentra relacionada sobre todo conel tamao de grano. Un menor tamao de grano aumenta la tenacidad a la fractura. Otrosmecanismos de endurecimiento (especialmente las disoluciones slidas o lasdispersiones de una segunda fase) disminuyen la tenacidad a la fractura.Determinacin del tamao del defectoK1C=Y**(*a)

1/2

Lo que hay que determinar en un diseo basado en la mecnica de fractura son

tres parmetros (Fijamos 2 y el tercero queda entonces determinado). Supongamos quetenemos fijada la tensin aplicada y el material a emplear, quedando slo el tamao dela grieta (a). La determinacin de este parmetro se puede realizar mediante ensayos nodestructivos (NDE), como son:

Lquidos no penetrantes. Gammagrafas. Corrientes inducidas. Partculas magnticas.

Esta clase de ensayos permiten determinar el tamao y la posicin de losdefectos.FATIGA Es otro tipo de fractura que aparece en los materiales metlicos. Tambin se da enlos polmeros, y los cermicos la soportan muy mal (ya que en general rompenenseguida). La fatiga se produce cuando el material est sometido a cargas cclicas yvariables (se repiten a lo largo del tiempo), aunque el valor del esfuerzo al que estsometido el material sea inferior a la resistencia a la traccin e incluso inferior al lmiteelstico. Un ejemplo de fatiga sera un alambre que se doblase continuamente. Suimportancia es enorme, ya que aproximadamente el 80% de los fallos en servicio de laspiezas metlicas son causados por fatiga.

17


18/57

El primero en estudiar la fatiga fue Whler, que defini tres condicionesfundamentales para que se produjese rotura por fatiga:

1) Una tensin mxima de traccin de valor elevado.2) Una variacin o fluctuacin lo suficientemente elevada.3) Un nmero suficiente de ciclos.

De aqu se deduce que los resultados obtenidos por los ensayos de traccin no

nos sirven para poder identificar o determinar este tipo de fallo.Los mecanismos que influyen en la fatiga son muy complejos. Los enumeramos y

realizaremos un estudio bsico de este fenmeno.A la hora de hablar del ensayo de fatiga, existen varios parmetros a tener en

cuenta, como son la cintica de aplicacin de la carga, el tipo de tensiones aplicadas almaterial, etc.

Tipos de ensayo: Simplificaremos el nmero de ensayos. Los principales son tres.Los resultados obtenidos son muy parecidos en los tres, por lo que slo necesitamos unensayo. Para simplificar la cintica de aplicacin de cargas haremos una aproximacin ala realidad aproximando los ciclos de carga a una funcin senoidal.

Podemos definir como ciclo de carga a la ley de variacin de la tensin o esfuerzoa lo largo de un periodo. Es un ciclo sencillo, con una parte a traccin y otra a compresin,

donde hay que definir una serie de parmetros.La tensin mximaes la mayor tensin que se alcanza en la fibra ms solicitada.La tensin mnimaes la menor tensin que se alcanza en la fibra ms solicitada.La tensin media(M) es la mitad del valor de la suma de las tensiones mxima y

mnima.La amplitud de la tensin (A) es la mitad del valor de la diferencia entre la

tensin mxima y la tensin mnima respectivamente.El rango de tensiones (R) se puede definir como la diferencia entre tensin

mxima y tensin mnima, o como el doble del valor de la amplitud de la tensin.Tambin podemos tener distintos ciclos de carga:Ciclo alterno simtrico: En este ciclo la tensin media es igual a 0 (M=0).Ciclo alterno asimtrico: La tensin media es menor que la amplitud de la tensin.

En cualquier caso la distribucin de las tensiones es simtrica con respecto al valor de latensin media.

Ciclo intermitente: El valor de la tensin media es igual al valor de la amplitud de latensin (M=A).

Ciclo pulsatorio: El valor de la tensin media es superior al de la amplitud de latensin.

En cualquiera de estas situaciones, donde los esfuerzos aplicados varan entreMaxy Min, puede considerarse que el esfuerzo aplicado es la suma o superposicin deuna componente esttica (igual a la tensin media) y una componente fluctuante o alterna(igual a la amplitud de la tensin.

Max=M+A

Min=

M-

AUtilizaremos generalmente el ensayo de flexin rotativa (que es el ms sencillo).Aplicaremos una fuerza de flexin a una probeta que gira mediante cargas aplicadas enlos extremos. Tambin se puede aplicar a una probeta fijada a un eje (que provoca el giro)con un peso en el otro extremo. En este tipo de ensayo el ciclo de carga tiene una tensinmedia igual a 0 (ciclo alterno simtrico).

Curvas de fatiga de Whler:

18


19/57

Normalizaremos una mquina de flexin por fatiga para determinar este tipo decurvas, en las que representaremos la amplitud de la tensin frente al nmero de ciclosnecesarios para llevar al material hasta la rotura por fatiga.

Mecanizamos un nmero N de probetas y sometemos una de ellas a una serie deciclos con una determinada amplitud de tensin (A), condicionada por la tensin mxima(esto nos permite obtener el primer punto de la curva). Repitiendo el ensayo con probetas

idnticas donde slo variamos los valores de tensin (disminuyendo su valor), obtenemosuna curva que se denomina curva de Whler (se trata de una curva a escala logartmica).

Se suele empezar con valores de tensin mxima o de amplitud de tensin delorden de (2/3)*RT(dos tercios de la resistencia a la traccin del material).

Cuanto mayor sea la amplitud de la tensin menor ser el nmero de ciclosnecesarios para llevar la probeta a rotura.

Hay dos tipos diferenciados de curvas. En algunos materiales se produce un valorasinttico a partir de un nmero determinado de ciclos. Esto se suele dar en algunosaceros y en aleaciones de titanio. En las curvas correspondientes a otros materialesexiste una disminucin de la tensin a medida que aumenta el nmero de ciclosnecesarios para romper la probeta.

Para las curvas con valor asinttico definiremos el lmite de fatiga como la

mxima tensin que no produce rotura cualquiera que sea el nmero de ciclos para elcual existe aplicacin de cargas.

Este lmite de fatiga, en los aceros, suele estar comprendido entre el 35% y el 60%del valor de la resistencia a la traccin.

En aquellos materiales que no posean lmite de fatiga se define la resistencia a lafatigacomo el nivel de tensin que produce la rotura despus de un determinado nmerode ciclos.

Las normas definen que para las aleaciones frreas, ese nivel de tensin es elcorrespondiente a 1*107ciclos, y para aleaciones no frreas, este lmite prctico de fatigase establece para 3*107ciclos.

En este tipo de curvas tambin se define el parmetro vida-fatiga, como elnmero de ciclos necesarios para producir la rotura a fatiga para un nivel determinado de

tensiones.El fenmeno de la fatiga es un fenmeno para el cual se obtienen resultados con

una gran dispersin, por lo cul estos resultados se representan mediante curvas deprobabilidad.

Para los tres tipos principales de ensayo las curvas son muy parecidas. Las curvasdependen del tipo de ensayo, y tambin de la tensin media (para el mismo tipo deensayo).

El valor de la tensin media afecta a las curvas de Whler, ya que varan el valordel lmite de fatiga (las distintas curvas son paralelas entre si). Experimentalmentepodemos hacer una curva para cada valor de la tensin media (ver figura 12).

Otra manera es utilizar aproximaciones matemticas basadas en la curva deWhler determinada en un ensayo para un ciclo de carga donde la tensin media es igual

a cero (vase fotocopia FAT7). Tenemos dos aproximaciones para poder determinar elvalor del nuevo lmite de fatiga (Se), segn sea el valor de la tensin media (que con elcambio de notacin se expresa como Sav), la amplitud de tensin (Sa), el lmite de fatigapara una tensin media igual a cero (Se) y la resistencia a la traccin (RM). Laaproximacin de Gerber es de orden 2 (cuadrtica), mientras que la de Goodman es lineal(orden 1) y es ms conservativa que la primera, ya que es la aproximacin en la quesuponemos el menor valor del lmite de fatiga. Los resultados obtenidos en los ensayosexperimentales se encuentran dispersos en el rea comprendida por estas dos curvas.Una aproximacin todava ms conservativa que la de Goodman es la lnea de

19


20/57

Soderberg, en la que se sustituye RMpor Re(lmite elstico). Estas curvas nos permitendeterminar la variacin del lmite de fatiga dependiendo del valor de la tensin media. Lasecuaciones correspondientes son las siguientes:

1) Aproximacin de Gerber:Se=Se*[1-(Sav/RM)

2]2) Aproximacin de Goodman:

Se=Se*[1-(Sav/RM)]Superficie de fractura en fallos por fatiga El aspecto macroscpico de la superficie de fractura en fallos por fatiga resultamuy caracterstico. Su anlisis fractogrfico permite identificar el tipo de fallo. Tambinpuede darse el caso de que existan fracturas por fatiga que no presenten estas marcascaractersticas. De todos modos, siempre que detectemos estas marcas sabremos quenos encontramos ante un material que ha roto por fatiga.

En un material que ha sufrido un fallo por fatiga se apreciarn dos zonas, la zonade fatigay la zona de sobrecarga. Esta ltima zona es la zona de fallo final, y puede serde fractura frgil o dctil segn el tipo de material.

Cuando hablamos de las marcas caractersticas nos referimos a la zona de fatiga.La superficie de fractura es siempre perpendicular a la carga mxima (la mayor de

las tensiones aplicadas). Adems, en su conjunto, la zona de fatiga corresponde con lafractura frgil (no hay deformacin plstica importante). La zona de fractura por fatigatiene aspecto bruido, como de pulido, debido al rozamiento entre las superficies de lagrieta.

Dentro de la zona interna hay dos tipos de marcas caractersticas, como son lasmarcas de playa y las estras. Las marcas de playa son macroscpicas. Son lneasconcntricas con respecto al punto de inicio de la grieta, y se corresponden con el avancede la grieta provocado por el trabajo continuado de la pieza sin que cese la aplicacin dela carga sobre la pieza. Las estras son de carcter microscpico (observables medianteun microscopio electrnico de barrido) y se corresponden con el avance de la grieta porcada ciclo de carga. Estas dos marcas, si se encuentran en el material, definenclaramente una rotura por fatiga (ver FAT8, FAT9 y FAT10).

Etapas en el proceso de fatiga Para todos los materiales, tanto dctiles como frgiles, tenemos tres etapas.

La primera etapa se denomina etapa de incubacin. En determinados puntos delmaterial, como consecuencia de los esfuerzos que soportan, se origina deformacinplstica, y en su entorno acritud. Esta acritud local es en un principio positiva para elmaterial, y mientras no haya fisuracin el material soporta mejor la sobretensin sinningn tipo de perjuicio.

Cuando aparece una fisura en el material tenemos la zona de daado, que engeneral aparece en la superficie del material (o de la probeta en el ensayo). Resultaimportante saber cuando aparecen las fisuras. La forma de detectarlas sera mediante elempleo de ensayos no destructivos (en especial ultrasonidos o partculas magnticas).Entonces se puede determinar la curva de daado, que se corresponde con la curva de

iniciacin de las grietas (Vase figura 13).La curva de fatiga se produce cuando la grieta, que ha progresado a travs delmaterial, provoca la fractura del mismo. Para una amplitud de tensin determinada, elnmero de ciclos de fallo se define como el nmero de ciclos que se necesitan para iniciaruna grieta y propagarla hasta llevar a rotura al material:Nf=Ni+Nd+NFNfes el nmero de ciclos de fallo.Nies el nmero de ciclos para que se inicie la grieta.Ndes el nmero de ciclos de daado.

20


21/57

NFes el nmero de ciclos correspondiente a la fractura del material y se considera igual a0.

De aqu extraemos que la segunda etapa ser la etapa de daado, que ir desdeel inicio de las grietas hasta la rotura del material, y se corresponder con la progresin delas grietas a travs del material.

La ultima etapa ser por tanto la etapa de rotura, y ser una etapa muy rpida (se

corresponde con la rotura del material). Por tanto el nmero de ciclos correspondiente aesta etapa ser 0.

Es importante conocer la etapa de daado, ya que si podemos registrarla entoncespodremos sustituir la pieza a tiempo y evitar as un fallo en servicio, que podra tenerconsecuencias graves.Factores que afectan a la resistencia a la fatiga

1) Frecuencia de aplicacin de los ciclos de carga:Se observa que hasta 10000 o 12000 ciclos por minuto la frecuencia no tiene

ningn efecto en el lmite de fatiga. Se empieza a apreciar algo de influencia de estefactor a partir de unos 30000 ciclos por minuto, en donde se observa que frecuencias tanaltas elevan ligeramente el valor del lmite de fatiga (hacen al material ms resistente).

2) La temperatura:

Para temperaturas por debajo del ambiente, cuanto ms baja sea la temperatura,ms alto ser el lmite de fatiga, siempre y cuando la probeta no tenga ningn tipo deentalla (concentrador de tensiones), en cuyo caso el efectos es el contrario (Vasefotocopia FAT15).

A temperaturas altas, por encima de la temperatura ambiente, el valor del lmite defatiga disminuye, lo que implica una menor resistencia a la fatiga de los materiales, ya quelas altas temperaturas favorecen los mecanismos de propagacin de las grietas.

Un caso particular es el acero al 0,17% de C. En este acero aumenta el valor dellmite de fatiga (Se) asociado a un mecanismo de endurecimiento que se hace efectivo auna temperatura que oscila entre 200C y 400C.

3) Acritud previa:Si antes de someter una probeta metlica al ensayo de fatiga inducimos una

acritud homognea por algn mecanismo deformador, y despus sometemos la probeta alensayo de traccin, sta presentar un aumento del lmite de fatiga si la comparamos conla misma probeta (del mismo material) pero sin haber sido sometida a la acritud.

4) Rugosidad superficial:Se ha comprobado experimentalmente que el acabado superficial de las probetas

tienen una influencia considerable en el lmite de fatiga, debido a que las grietas se inicianen la superficie del material.

La presencia de marcas de mecanizado en la superficie del material disminuye ellmite de fatiga (porque dichas marcas actan como concentradores de tensiones y lasgrietas se inician en donde se concentran las tensiones). Cuanta mayor rugosidadsuperficial ms bajo ser el valor del lmite de fatiga. Un pulido metalogrfico mejorar elvalor del lmite de fatiga, haciendo ms resistente al material.

5) Tensiones residuales superficiales:Las tensiones residuales del material se superponen a las tensiones procedentesdel ciclo de carga que actan sobre las fibras del material (se pueden sumar ocontrarrestar dependiendo de si el tipo de tensin residual es de traccin o decompresin).

El mecanismo ms efectivo para luchar contra la fatiga es inducir en la superficiedel material tensiones residuales de compresin (para evitar el inicio de las grietas). Estose debe a que la parte del ciclo que favorece el avance de las grietas es la partecorrespondiente a esfuerzos de traccin.

21


22/57

6) Estado superficial:Las tensiones residuales se miden por difraccin de rayos X (su valor mximo es

el lmite elstico). Cuanta ms tensin residual ms ancho ser el pico que muestre eldifractograma.

Para que se produzca fatiga tiene que haber un valor de tensin de traccinmximo.

Condicin superficial: Cualquier tratamiento en la superficie del material quemodifique su resistencia a la fatiga. Perdigonado o granallado:

Consiste en bombardear la superficie del material con bolitas metlicas depequeo tamao (perdigones de 0,1 a 1 mm de dimetro), que inducen una serie detensiones superficiales de compresin (se denomina Shot Penning).

Hay procesos de conformado que tambin inducen tensiones superficiales,mejorando la resistencia a la fatiga de la chapa. Tratamientos de cementacin y nitruracin:

Es otro tipo de tratamiento superficial que aumenta la resistencia a la fatiga. Sehacen para endurecer al material (sobre todo aceros), elevando la resistencia a la fatigadel material considerablemente, induciendo una serie de tensiones superficiales de

compresin.Un tratamiento muy negativo para la resistencia a la fatiga es la decarburizacin.

Esto consiste en que el acero pierde tomos de carbono en su zona ms externa (comoconsecuencia del conformado en caliente). Esto ablanda la superficie, disminuyendo suresistencia a la fatiga. Revestimientos metlicos superficiales:

Pueden ser recubrimientos por deposicin (galvanizado) o recubrimientoselectrolticos (cromado, niquelado). Queda hidrgeno atmico ocluido en la superficie delmaterial como consecuencia de este recubrimiento. Cuando el hidrgeno se recombina enhidrgeno molecular se fragiliza el material (esto se produce sobre todo en los aceros).Debido a todo esto podemos concluir que estos recubrimientos producen peor resistenciaa fatiga.

7) Tamao y orientacin del grano:Resulta muy complejo de estudiar. Tamaos de grano pequeos aumentan la

resistencia a la fatiga del material (tericamente). Sin embargo experimentalmente seobtienen resultados contradictorios.

8) Efecto de los concentradores de tensiones:El efecto de los concentradores de tensiones se estudia mediante probetas

entalladas, normalmente en forma de V, o tambin con entalla circular.Definiremos el factor de reduccin a la resistencia (Kf). Sirve para evaluar la

efectividad de la entalla en su accin de reducir la resistencia a la fatiga del material, y sedefine como el cociente entre Sesin entalla y Secon entalla para un determinado materialen un ensayo concreto y con el mismo ciclo de carga. Es un valor constante para cadamaterial y para cada tipo de entalla, y vara con:

i) La severidad de la entalla.ii) Tipo de entalla.iii) Tamao de la probeta.iv) Nivel de tensiones.v) Tipo de material.

Cuando se realizan ensayos en condiciones de inversin completa de carga (ciclosalternativos simtricos), en los que M=0, se observan normalmente dos tendencias:

a) Kfes casi siempre menor que KT.b) Kf/KTdisminuye cuando aumenta KT.

22


23/57

Esta segunda tendencia explica cmo el concentrador de tensiones reduce ellmite de fatiga.

Entallas muy agudas producen un efecto en la resistencia a la fatiga mucho menorde lo que cabra esperar. Esto se debe a la variacin de K T con respecto a Kf. Secomprueba experimentalmente que hay tamaos de grieta (para grietas muy pequeas ocrticas) que no producen nunca rotura por fatiga.

Factor de sensibilidad a la entallaq=(Kf-1)/(KT-1)Definido as este factor, significa que para materiales que no presentan reduccin

a la fatiga por entalla tendrn q=0 porque K f=1.En materiales muy susceptibles al efecto de la entalla, tendremos que q=1, ya que

Kf=KT.Concentradores de tensiones en los materiales: Debidos al diseo de las piezas

tenemos las roscas o los ngulos vivos. Como concentradores de tipo metalrgicotenemos las picaduras (marcas de corrosin), las sopladuras (bolsas de aire dentro delmaterial), las microgrietas, las interfases en una inclusin dura (aleaciones de Al) y dentrode un material blando, etc.

9) Fatiga trmica:

Se produce debido a las tensiones que se originan en el material por lasdilataciones y contracciones que ocurren en piezas estructurales sometidas a variacionesde temperatura. Son tensiones internas de tipo residual (por debajo del lmite elstico),debido a la imposibilidad del material para dilatarse y contraerse libremente. No esnecesaria la aplicacin de esfuerzos externos. Estas tensiones dependen del coeficientede dilatacin trmica (), del mdulo de Young (E) y de la variacin de la temperatura(T):=*E*Tcon =k-1

Un material que se ve afectado por esta clase de fatiga es el acero inoxidableaustentico, debido a que tiene un coeficiente de dilatacin alto y adems una malaconductividad trmica.

10) Understressing y overstressing:Evalan el fenmeno de una fatiga previa del material, es decir, cmo afecta la

fatiga a una probeta o una pieza cuando stas hayan sido sometidas a una fatiga previa.Understressing: Sometemos al material a una serie de esfuerzos alternos variables

(ciclos de carga) inferiores al valor del lmite de fatiga (e).A estos materiales, si los sometemos posteriormente al ensayo de fatiga, aumenta

entonces su lmite de fatiga, debido a que hemos endurecido al material.Si lo hacemos para una amplitud de tensin determinada, lo que conseguimos es

que aumente el nmero de ciclos necesarios hasta romper a fatiga.Overstressing: Cuando sometemos al material a un nmero determinado de ciclos

a un valor de amplitud por encima del lmite de fatiga. Si no se han producido grietas,entonces hemos endurecido el material, por lo que al someter posteriormente al material a

fatiga aumentar su resistencia a la fatiga.Pero si el nmero de ciclos es lo suficientemente elevado como para producir

grietas, entonces al someter al material nuevamente a fatiga disminuir su resistencia a lafatiga (el valor del lmite de fatiga disminuir).

11) Corrosin:Para un material sometido a cargas y a corrosin tenemos lo siguiente:Si el material es sometido simultneamente a fatiga y medio corrosivo, los

materiales que presentaban un lmite definido ya no lo presentan.

23


24/57

Si el material es sometido primero a corrosin y luego a fatiga, entonces, si elmaterial tiene lmite lo va a seguir teniendo pero ms bajo, y si no lo tiene definidoentonces, para el mismo nmero de ciclos, la amplitud de la tensin que produce fatiga esms bajo.

Esto se debe a lo siguiente:Los fenmenos de corrosin aceleran la aparicin de las grietas, porque producen

defectos en la superficie del material (picaduras o microgrietas de corrosin).Adems, aceleran el avance de la grieta una vez formada, porque el efecto

corrosivo favorece la rotura en el fondo de la grieta.La superficie de fractura correspondiente al fenmeno de fatiga-corrosin es

tambin muy caracterstica.MECANISMOS DE REFUERZO DE LOS MATERIALES METLICOS Deformacin plstica en los materiales metlicos : El proceso por el cul seproduce deformacin plstica debido al movimiento de las dislocaciones se denominadeslizamiento. Para simplificar el estudio del deslizamiento, primero lo vamos a estudiarpara un monocristal y despus para un agregado cristalino.

Las dislocaciones pueden ser de borde, helicoidales y mixtas. Todas ellas semueven en respuesta a una tensin de cizalladura aplicada a lo largo de un plano de

deslizamiento y una direccin de deslizamiento (que conforman un sistema dedeslizamiento).

Cuando apliquemos a un material un esfuerzo de traccin o de compresin pura (ode torsin, como se muestra en la figura 14, que genera en unas fibras traccin y en otrascompresin) tienen una componente de cizalladura, que es la que permite eldesplazamiento de las dislocaciones. Esta componente de cizalladura se denominatensin de cizalladura resuelta, que va a depender:

De la tensin aplicada. De la orientacin del sistema de deslizamiento.

Veamos ahora la relacin existente entre la tensin uniaxial que acta sobre uncilindro de un metal puro (monocristal) y la tensin de cizalladura resuelta producida sobreun sistema de deslizamiento (vase figura 15).

La tensin debida al esfuerzo uniaxial y la tensin de cizalladura resuelta es iguala la fuerza en la direccin de deslizamiento partida por el rea del plano que va a deslizar.=F/A0 R=FR/A1

Adems: cos=FR/FCos=F/FN=A0/A1(esta ltima igualdad se debe a que el ngulo que forman las normalesa dos planos es igual al ngulo que forman los dos planos).Tensin de cizalladura resuelta

A1=A0/cos FR=F*cosEntonces:R=FR/A1=(F/A0)*cos*cosR=*(cos*cos)

Expresin que se conoce como Ley de Schmid, y al producto de los cosenos selo conoce tambin como factor de Schmid.

En cada sistema de deslizamiento, cada plano forma ngulos distintos conrespecto a la tensin aplicada. La tensin R ser mxima para aquellos sistemas dedeslizamiento donde el producto de los cosenos sea mximo:R(Mx)=*(cos*cos)Mx Al aplicar una tensin dada, el deslizamiento comenzar en aquel sistema dondeRsea mxima (en el sistema orientado de forma ms favorable) y cuando el valor de latensin de cizalladura alcance un valor crtico. Este valor crtico se conoce con el nombrede tensin de cizalladura resuelta crtica (RC), que representa el valor mnimo de

24


25/57

cizalladura que se requiere para que empiece a deslizar el cristal. Es una propiedad delmaterial (depende de ste).

Un cristal se empieza a deformar plsticamente cuando en el material se supera elvalor del lmite elstico (Y).

RC=Y*(cos*cos)Mx ==45cos45=0,707

RC=Y*(0,707)2=0,5*Y Y=2*RC El valor de RCmnimo para que el sistema mejor orientado empiece a deslizar esla mitad del lmite elstico del material.

En aquellos planos de deslizamiento paralelos al eje uniaxial tenemos que =0, ypor lo tanto =90 y cos90=0. En aquellos planos que sean perpendiculares al eje detraccin tendremos que =0 y que =90, por lo que cos=cos90=0. Por lo tanto en estosplanos no existir tensin de cizalladura ni deslizamiento.

Cuando deslizan muchas dislocaciones a travs de un sistema de deslizamiento,llega un momento en el que afloran a la superficie de la probeta, formando lneas bastantegruesas que se denominan bandas de deslizamiento, que es la confirmacin de que los

sistemas de deslizamiento se hallan activos (en los planos prximos a dichos sistemas seda este mismo fenmeno). Dependiendo de la anchura de las bandas stas sernmacroscpicas o microscpicas (Vase figura 16).

Reorientacin de un cristal durante la deformacin plstica: Cuando estamosdeformando un cristal segn el eje de traccin, tenemos fijada la probeta a unasmordazas. El deslizamiento lateral est limitado por dichas mordazas, por lo que losplanos se ven obligados a rotar para poder mantener centrado el eje de traccin.

Los planos situados en el centro de la probeta sufren una rotacin pura, y losplanos situados ms hacia los extremos sufren rotacin y flexin (vase figura 17).

La reorientacin de los planos de deslizamiento como consecuencia de ese girovara directamente con el cambio de longitud que experimenta la probeta, segn lasiguiente relacin.

LI/L0=senx0/senxIL0es la longitud inicial del monocristal.LIes la longitud final del monocristal.x0es el ngulo entre el eje de aplicacin de la carga y el plano de deslizamiento.xIes el ngulo que forma el plano de deslizamiento con respecto al eje de aplicacin de lacarga una vez que acaba la deformacin.

Si tenemos un esfuerzo axial, se comprueba que los planos de deslizamiento sehan reorientado de manera que se sitan paralelamente al eje de traccin.

De igual forma, si tenemos la probeta sometida a compresin, los planos dedeslizamiento tienden a alinearse perpendiculares al eje de aplicacin de la carga.

Como consecuencia de esto, sistemas de deslizamiento que no eran activos alprincipio de aplicar la tensin, empiezan entonces a ser activos, ya que alcanzan el valor

de tensin de cizalladura resuelta crtica suficiente para empezar a deslizar.Para un agregado policristalino(metal) formado por gran cantidad de granos, lasituacin se complica debido a las siguientes causas:

1) Tenemos gran cantidad de granos orientados al azar, por lo que la direccin dedeslizamiento vara de un grano a otro. En cada grano, el movimiento de las dislocacionestiene lugar segn un sistema de deslizamiento que sea el ms favorablemente orientado.

2) Existen interacciones a travs de los bordes de grano entre los granos que sedeforman. La integridad mecnica del material se mantiene precisamente a travs de loslmites de grano (no se separan ni se deslizan).

25


26/57

Los lmites de grano son zonas muy pequeas, y debido a lo anterior (mantienenintegridad mecnica), cada grano individual est parcialmente constreido a la forma quepuede asumir debido a la presencia de los lmites de grano.

Cuando aplicamos un esfuerzo de traccin dado en un material policristalino, eldeslizamiento comienza en los sistemas mejor orientados de cada grano. A medida quedesliza, el grano se va alargando, rotando hacia el eje de traccin, de tal manera que

debido a la cohesin entre los lmites de grano, ste fuerza a que los granos contiguos,que no han empezado a deslizar, tambin roten, y al girar, algn sistema que en unprincipio no era activo, se sita en una orientacin tal que se alcance el valor de la tensinde cizalladura resuelta crtica, y por lo tanto empiece a deslizar.

An cuando un grano est favorablemente orientado para el deslizamiento, ste nopuede empezar a deslizar hasta que los granos adyacentes y menos favorablementeorientados sean tambin capaces de deslizar. Esto requiere una mayor tensin, ya quedebe conseguirse que en cada grano haya algn sistema de deslizamiento activo.

Por eso el lmite elstico de un material policristalino es mucho mayor que el de unmonocristal del mismo material.

Si tuvisemos una probeta de un material de una misma fase con la superficiepulida, al deformarla observaremos bandas de deslizamiento en cada uno de los granos,

que estarn orientadas en distintas direcciones (vase figura 18). Tambin puede darse laexistencia de ms de un sistema de deslizamiento activo para un mismo grano, por lo quese observarn bandas de deslizamiento con distintas orientaciones en ese grano.

La orientacin de los granos cuando se aplica un esfuerzo implica que los granosse alarguen, en la direccin del eje de aplicacin de la carga si el esfuerzo es de traccin,y perpendicularmente al mismo si el esfuerzo es de compresin. Debido a esto, laorientacin de los granos nos permite identificar el tipo de esfuerzo al que ha sidosometido el material (vase figura 19).

Hay un mecanismo de deformacin plstica que no vamos a tratar, que es elmaclado. Este mecanismo es mucho menos importante que el deslizamiento.

La deformacin plstica de un material ser ms fcil cuando exista un mayornmero de sistemas de deslizamiento, ya que es ms probable que se alcance la tensin

de cizalladura resuelta crtica al orientarse el grano de una forma ms rpida.Todas las tcnicas de refuerzo que estudiaremos se basan en el impedimento al

movimiento de las dislocaciones. De esta forma el material no se deforma plsticamente,o hace falta ms tensin para deformarlo.

En general, todos estos mecanismos conllevan las siguientes consecuencias enlas propiedades mecnicas:

Aumento de la dureza del material. Aumento de la resistencia a la traccin (RM). Aumento del lmite elstico. Disminucin de la ductilidad. Disminucin de la tenacidad.

Los mecanismos de refuerzo son:

1) Endurecimiento por deformacin plstica en fro.2) Endurecimiento por solucin slida sustitucional.3) Endurecimiento por solucin slida intersticial.4) Endurecimiento por afino o reduccin del tamao de grano.5) Fortalecimiento por precipitacin.6) Fortalecimiento por dispersin de otras fases en la estructura.7) Fortalecimiento por vacantes.8) Fortalecimiento por transformacin martenstica (lo estudiaremos para los aceros,

pero se puede dar en otros tipos de aleaciones).

26


27/57

En muchos casos los materiales se endurecen por varios de estos mecanismosque actan simultneamente. La contribucin al endurecimiento de cada mecanismo esmuy difcil de cuantificar.

1) Endurecimiento por deformacin plstica en fro:Se denomina acritud (Ver DPF1, DPF2, DPF3 y DPF4). Lo que ocurre es que

introducimos dislocaciones en el material (generamos nuevas dislocaciones). La densidad

de defectos (dislocaciones) es del orden de 106. Cuando generamos acritud en elmaterial, la densidad de dislocaciones se eleva a 1012. Estas dislocaciones se generan apartir de las que ya existan en el material a travs del mecanismo de Frank-Read.

Aparte de esto, tambin se ponen en movimiento las dislocaciones existentes, quepara seguir movindose demandarn esfuerzos crecientes. Cuando las dislocacionesempiezan a moverse se aproximan unas a otras y llega un momento en el que se repelen,debido a que en el entorno de la dislocacin existe un campo de tensiones.

La dislocacin de borde positiva genera tensiones de traccin en su parte inferior yde compresin en la parte superior, mientras que una dislocacin de borde negativagenera compresin en la parte superior y traccin en la inferior.

Si tenemos muchas dislocaciones del mismo signo en el mismo plano, cuando seaproximen se van a repeler, ya que van a tener campos de tensiones enfrentados, que

bloquean el movimiento de las dislocaciones.Otro efecto que se produce cuando hay muchas dislocaciones es que las

dislocaciones de distinto signo (especialmente las de borde) se pueden llegar a anular(este fenmeno ocurre en menor proporcin).

Otro efecto es que las dislocaciones se pueden quedar ancladas en obstculos(vacantes, precipitados...) impidiendo la deformacin plstica del material.

Por ltimo, una dislocacin puede inmovilizarse por la accin de otrasdislocaciones (queda anclada, impidiendo el deslizamiento).

En la fotocopia DPF4 tenemos la relacin:We(%)=[(A0-AU)/AU]*100Con A0rea inicial de la seccin transversal y AUrea de la seccin transversal tras ladeformacin.

Factores que afectan a la acritud (Vase DPF2): Hay factores tanto internos comoexternos.

El grado de deformacin en fro, la naturaleza del esfuerzo y la velocidad deaplicacin del esfuerzo son factores externos que afectan a la acritud del material.

Podemos reducir la seccin del material mediante una laminacin (tensin decompresin) o mediante una extrusin (compresin y cizalladura), y lo podemos realizar adiferentes velocidades.

Con respecto a los factores internos tenemos el tipo de sistema cristalino delmaterial, el grado de pureza del metal, el tamao de grano y la energa de los defectos deapilamiento (es un defecto que proviene de que una dislocacin de borde se separe endos dislocaciones, y que lleva asociada mayor o menor energa dependiendo del tipo dematerial).

nes un parmetro mecnico con el que cuantificamos la acritud del material (n seobtiene a partir de la ecuacin de Ludwik).4) Endurecimiento por reducc in del tamao de grano:

Los materiales metlicos son agregados policristalinos formados por granos quetienen una orientacin cristalogrfica diferente (a pesar de tener la misma estructuracristalina). La interfase de los granos (es decir, el lmite de grano), supone una barrerapara el deslizamiento de las dislocaciones, en primer lugar, porque para pasar a otrograno contiguo, la dislocacin tiene que cambiar de direccin, lo cul supone un esfuerzoadicional. El segundo motivo es que el lmite de grano es una zona de gran desorden,

27


28/57

donde hay discontinuidad entre los planos de deslizamiento. Por esto a veces ladislocacin no encuentra un camino para seguir deslizando y pasar a otro grano,quedndose entonces bloqueada en el lmite de grano.

Si en un lmite de grano se quedan bloqueadas muchas dislocaciones, entoncesse generan ncleos o campos de retrotensin, que generan nuevos focos dedislocaciones (es decir, generan nuevas tensiones) por una serie de mecanismos. Las

nuevas dislocaciones provocan que se acumule mayor tensin, por lo que cada vez serms difcil que las dislocaciones pasen a otro grano.

Grfica: Cuanto menor sea el grano, mayor superficie de lmite de grano habr porunidad de volumen, y ms duro ser el material.N=2n-1

La influencia del tamao de grano en la resistencia del material se puedecuantificar. El lmite elstico del material vara con el tamao de grano segn estarelacin, donde 0y KYson constantes, y d es el dimetro de grano:Y=0+KY*d

-1/2

El tamao de grano puede disminuir con la velocidad de solidificacin. Si lavelocidad de solidificacin VSes elevada, el tamao de grano ser ms pequeo, ya queal aumentar la velocidad de solidificacin, el requerimiento de radio crtico es cada vez

menor.Otra forma de modificar el tamao de grano es mediante deformacin plstica

seguida de un tratamiento trmico.Lmite de grano

De ngulo grande: Son los que se ven con microscopio. Corresponden a losgranos en los que la desorientacin cristalogrfica es importante.

De ngulo pequeo: En estos granos la desorientacin cristalogrfica es del ordende muy pocos grados. Tambin se pueden observar al microscopio, pero resulta msdifcil de observar que si fuera de ngulo grande. Son muy poco efectivos para elendurecimiento.

Por lo tanto el endurecimiento viene dado por los lmites de grano de ngulogrande, que son los que realmente dificultan el paso de dislocaciones de un grano al otro,

ya que requieren un esfuerzo mayor para poder cambiar de direccin (Consultar elCallister).

Otros lmites que se aprecian en microestructura son las maclas; defecto linealque se aprecia con el microscopio ptico, con lneas paralelas que atraviesan un grano(vase figura 20). Tambin intervienen en el deslizamiento de las dislocaciones, ya que unmaterial maclado es mucho ms resistente que un material no maclado de las mismascaractersticas.

2) Endurecimiento por solucin slida sustitucional:En general, los metales puros son muy blandos, por lo que se suele trabajar con

materiales con impurezas o con materiales que tengan elementos de aleacin.Impurezas: tomos que no son los mismos que los mayoritarios de la red

(disolvente). Como consecuencia del proceso de afino, no suelen llegar al 1%.

Elementos de aleacin: Son elementos que se aaden a propsito al materialpara modificar alguna de sus propiedades.

El efecto es prcticamente el mismo si son impurezas o elementos de aleacin. Siel tomo de soluto (minoritario) es de menor tamao que el disolvente (mayoritario),entonces se genera un campo de deformaciones de traccin a su alrededor, y si el tomode soluto es de mayor tamao que el del disolvente, entonces el campo de deformacionesque se forma alrededor es de compresin. Estas deformaciones son de tipo elstico, yaque se puede producir recuperacin elstica total (vase fotocopia de clases ERTG2).

28


29/57

En la misma fotocopia anterior, se observa que las dislocaciones tambin generancampos de deformacin a su alrededor. Si es una dislocacin de borde positiva (serepresentan con el semiplano extra hacia arriba), tienen entonces un campo decompresin en la parte superior del plano de deslizamiento, y un campo de traccin en laparte inferior a dicho plano.

Si los tomos de soluto son mayores que los del disolvente, entonces los

primeros tienden a segregarse en torno a las dislocaciones para contrarrestar los camposde deformacin de stas y, por lo tanto, disminuir la energa del sistema, y estasegregacin se produce de la siguiente manera. En nuestro caso, los tomos de solutomayores que los de disolvente tienden a ocupar la zona correspondiente a la parte inferioral plano de deslizamiento de una dislocacin de borde positiva, contrarrestndose as elcampo de compresin del soluto con el campo de traccin de la dislocacin. Entonces,mover la dislocacin requerir un mayor esfuerzo

material es

Documents