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Materiales metálicos (2011)

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  • 1. Introducción a la Ingeniería aval “Materiales Metálicos”Integrantes: Governatori, Juan Pablo
  • 2. Governatori Juan P. Materiales Metálicos Materiales MetálicosIntroducción: Al momento de elegir un material, se tendrán que considerar varios factores. El primero,es considerar las propiedades requeridas por el material para dicho servicio. En raras ocasionesun material reúne una combinación ideal de propiedades, por lo que habrá que reducir una enbeneficio de otra. La segunda es considerar la degradación que el material experimenta enservicio (por ejemplo las altas temperaturas y los ambientes corrosivos disminuyen la resistenciamecánica). Finalmente la consideración económica, ya que el material puede reunir todas lascondiciones anteriores y los gastos en los procedimientos de conformación de la pieza sean muyelevados. Tipos de materiales: Los materiales sólidos se clasifican en cinco grupos: metales,cerámicos, polímeros, materiales compuestos y semiconductores. En este trabajo nosabarcaremos a los materiales metálicos. En el plano de la Ingeniería Naval, el conocimiento de los materiales es muy importante.Algunos de estos motivos son: • Los materiales representan más del 50% del costo total del buque. • Los materiales son un factor determinante en la vida útil del buque. • Los materiales son un factor determinante en la seguridad del buque, de la tripulación, de la carga y del medio ambiente. • Los materiales muchas veces son un factor determinante para que un proyecto se pueda llevar a cabo o no (su construcción), no solo por una imposibilidad técnica, sino la mayoría de las veces por una imposibilidad económica relacionada con los costos de los materiales. • El peso de buque vacío, junto con los consumos de combustible y los tiempos de estadía en puerto son los factores que más trata de minimizar una empresa naviera. Se mostrarán, también, algunos de los mecanismos que se aplican a los materiales con el finde modificar las propiedades químicas, físicas y mecánicas de los mismos como por ejemplo lostratamientos térmicos. 1
  • 3. Governatori Juan P. Materiales Metálicos Propiedades Mecánicas de los Metales Antes de comenzar a explicar cuáles son las principales propiedades mecánicas de losmetales, es conveniente aclarar que los metales son elementos químicos caracterizados por serbuenos conductores del calor y la electricidad, poseen alta densidad y son sólidos en temperaturaambiente (excepto el mercurio). El concepto de metal refiere tanto a elementos puros, así comoaleaciones con características metálicas, como el acero. • Deformación elásticaBajo cargas uniaxiales: El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud dela tensión impuesta. Para muchos metales sometidos a esfuerzos de tracción pequeños, la tensióny la deformación son proporcionales según la relación: σ = E .ε conocida con el nombre de leyde Hooke, y la constante de proporcionalidad E (Mpa) es el módulo de elasticidad o módulo deYoung.Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación se denominadeformación elástica. Al representar la tensión en el eje de ordenadas en función de la deformación en el eje deabscisas se obtiene una relación lineal, cuya pendiente del segmento lineal corresponde almódulo de elasticidad E. Este módulo puede ser interpretado como la rigidez, o sea la resistenciade un material a la deformación elástica. Cuanto mayor es el módulo, más rígido es el material,o sea, menor es la deformación elástica que se origina cuando se aplica una carga.La deformación elástica no es permanente, es decir que cuando se retira la fuerza aplicada, lapieza vuelve a su forma original. • AnelasticidadExiste una componente de la deformación elástica que depende del tiempo. Es decir, ladeformación elástica continúa aumentando después de aplicar la carga, y al retirar la carga serequiere que transcurra algún tiempo para que el material se recupere completamente. Estecomportamiento elástico dependiente del tiempo se denomina anelasticidad. En los metales, lacomponente anelástica es normalmente pequeña y, a menudo, despreciable. • Deformación plástica:Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación elástica únicamente persiste hastadeformaciones de alrededor de 0,005. A medida que el material se deforma más allá de estepunto, la tensión deja de ser proporcional a la deformación (la ley de Hooke deja de ser válida) yocurre la deformación plástica, la cual es permanente, es decir, no recuperable.Desde el punto de viste atómico, la deformación plástica corresponde a la rotura de los enlacesentre los átomos vecinos más próximos y a la reformación de éstos con nuevos vecinos. Aleliminar la carga no vuelven a sus posiciones originales. 2
  • 4. Governatori Juan P. Materiales Metálicos • Fluencia y límite elástico.La mayoría de las estructuras se diseñan de tal manera que solamente ocurra deformaciónelástica cuando sean sometidas a tensiones. Por lo tanto, es deseable conocer el nivel detensiones para el cual empieza la deformación plástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno defluencia.El límite elástico es la tensión al cual la deformación plástica se hace importante. En los metales,es por lo general el esfuerzo requerido para que las dislocaciones se deslicen. El límite elástico,es entonces, el esfuerzo que divide los comportamientos elásticos y plásticos del material.Cuando no se puede determinar con precisión este punto, se traza una línea recta paralela a lalínea elástica del diagrama tensión vs deformación desplazada usualmente 0,002. • Resistencia a la tracciónDespués de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformaciónen los metales aumenta hasta un máximo y después disminuye hasta que se produce la fractura.La resistencia a la tracción es la tensión en el máximo del diagrama tensión vs deformación.Cuando se alcanza la tensión máxima, se empieza a formar una disminución localizada en elárea de la sección transversal en algún punto de la probeta, lo cual se denomina estricción. • DuctilidadEs una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura. Laductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bienmediante el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual, %EL, es elporcentaje de deformación plástica % H = ? − " / " C 100donde; es la longitud en el momento de la fractura l 0 es la longitud de prueba original. El porcentaje de reducción de área %AR se define como % H = ? " − / "C 100 donde " es el área de la sección inicial es el área de la sección en el momento de la fractura.Los valores del porcentaje de reducción de área son independientes de " y " , y tanto como se miden después de la rotura, volviéndose a colocar juntas las dos piezas resultantes.El conocimiento de la ductilidad de un material es muy importante, por ejemplo, indica aldiseñador el grado de en que una estructura podrá deformarse antes de producirse la rotura.A menudo se dice que los materiales relativamente dúctiles son “indulgentes”, en el sentido deque cualquier error en el cálculo de la tensión de diseño lo ponen de manifiesto deformándoseantes de producirse la rotura. • ResilienciaLa resiliencia es la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado yde ceder esta energía cuando se deja de aplicar. (En términos simples es la capacidad dememoria de un material para recuperarse de una deformación, producto de una presión externa). 3
  • 5. Governatori Juan P. Materiales MetálicosLa resiliencia es la capacidad de almacenar energía en el periodo elástico, y corresponde al áreabajo la curva del ensayo de tracción entre la deformación nula y el límite de fluencia.Los materiales resilientes son aquellos que tienen un límite elástico muy alto y un módulo deelasticidad muy bajo. • Tenacidad:Es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. Lageometría de la probeta así como la manera con que se aplica la carga son importantes en ladeterminación de la tenacidad.Para que un material sea tenaz, debe poseer tanto alta resistencia como ductilidad.La relación entre resiliencia y tenacidad es generalmente monótona creciente, es decir, cuandoun material presenta mayor resiliencia que otro, generalmente presenta mayor tenacidad. Sinembargo, dicha relación no es lineal.La tenacidad corresponde al área bajo la curva de un ensayo de tracción entre la deformaciónnula y la deformación correspondiente al límite de rotura (resistencia última a la tracción). • Maleabilidad:Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales enláminas delgadas. Es la capacidad de deformarse permanentemente bajo cargas compresivas • Recuperación elástica durante la deformación plásticamenteSi se retira la tensión aplicada durante el ensayo de tracción, una fracción de la deformacióntotal es recuperada como deformación elástica. Durante el ciclo de descarga, la curva traza uncamino prácticamente recto desde el punto de descarga (punto D) y su pendiente es igual almódulo de elasticidad del material. Si la carga es aplicada de nuevo, el camino que seguirá, seráel mismo pero en dirección opuesta al seguido en la descarga; la fluencia volverá a ocurrir a lacarga que se inició la descarga.Si la deformación plástica ocurre bajo la influencia de una carga de compresión, de cizalladura otorsión, el comportamiento en la región plástica será similar al caso de tracción. Sin embargo, enel caso de compresión, no aparecerá un máximo, ya que no se produce estricción • DurezaEs una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (por ejemplo,una perforación o rayadura). Un método cualitativo de ordenar de forma arbitraria la dureza sedenomina escala de Mohs, la cual va desde 1 en el extremo más blando para el talco hasta 10para el diamante. Las técnicas cuantitativas para la medición de dureza se basan en un pequeñopenetrador que es forzado sobre una superficie del material a ensayar en condiciones controladasde carga y velocidad de aplicación de la carga. En estos ensayos se mide la profundidad otamaño de la huella resultante, lo cual se relaciona con un número de dureza; cuanto más blandoes el material, mayor y más profunda será la huella, y menor el número de dureza.Algunos de los tipos de ensayos de dureza: Ensayo de dureza Rockwell Ensayo de dureza Brinell Ensayo de dureza Knoop Ensayo de dureza Shore Ensayo de dureza Vickers 4
  • 6. Governatori Juan P. Materiales MetálicosAlgunas técnicas de ensayo de dureza se pueden observar en el siguiente diagrama: • Curva Tensión vs Deformación En el gráfico tensión (σ) vs deformación (ε) se mide el alargamiento de la probeta entre dospuntos fijos y se representa mediante un gráfico. Se ve que hay una relación lineal entre latensión y la deformación (en la zona elástica) y aquí tiene aplicación la ley de Hooke. Lapendiente en este tramo es el módulo de Young (E) del material. El módulo de elasticidad o deYoung es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico quedandodefinido por σ = E ε y nos define de algún modo la rigidez del material.Los valores de σ y ε se obtienen con las siguientes relaciones (para poder independizar losvalores de las dimensiones de la probeta): σ = , donde P es la carga aplicada y " es la sección incial ε = , donde es la variación de longitud o alargamiento y es la longitud inicialSi en un gráfico no se puede diferenciar claramente la zona elástica de la plástica, se halla enforma estándar con una desviación del 0,2% en la deformación unitaria. La pendiente de estarecta, debe ser igual a la pendiente de la recta en la zona elástica. 5
  • 7. Governatori Juan P. Materiales MetálicosEn el gráfico hay puntos y zonas a destacar.En el punto 1 se ve el límite de fluencia (ú ). Este punto indica la tensión máxima que soportael material antes que el mismo comience a deformarse plásticamente. La zona anterior al límitede fluencia es la zona de deformación elástica (el material vuelve a sus dimensiones originalescuando la carga aplicada cesa). Si el material es deformado hasta el punto que los átomos nopueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado una deformaciónplástica.El punto 2 representa el valor de carga máxima que soporta la probeta. A partir de este punto, sehace presente el fenómeno de estricción (reducción de la sección inicial que se produce en lazona de rotura) que explica el descenso de la curva tensión-deformación (ya que las tensiones nodisminuyen), hasta el punto 4, que es donde la probeta se fractura. La curva roja punteadarepresenta el comportamiento real del material.La línea verde punteada representa el hipotético camino que tomaría el gráfico si una vez pasadoel punto de carga máxima, se deja de aplicar la carga. Esta recta tiene la misma pendiente que larecta en la zona de deformación elástica (E). Si se le vuelve a aplicar una carga al material, seveía ahora que se comportaría elásticamente hasta el punto 3 (ú $ ) y luego plasticamente(viendo así que el material se endureció debido a la deformación ya que ú $ _ú ). • Ensayos Destructivos y o DestructivosEl comportamiento mecánico de un material refleja la relación entre la fuerza aplicada y larespuesta del material (o sea, su deformación).Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos delaboratorio que reproducen las condiciones de servicio hasta donde sea posible. Los factores quese deben tener en cuenta son la naturaleza de la caga aplicada, su duración, así como lascondiciones del medio. La temperatura de servicio también es un factor importante. 6
  • 8. Governatori Juan P. Materiales MetálicosLas anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos. Aestos ensayos se los puede dividir en dos grupos; destructivos y no destructivos.Ensayos Destructivos: Se denomina ensayo destructivo a todo tipo de pruebas que se le practica aun material generando una deformación permanente, modificando sus propiedades.Algunos de los ensayos más comunes nos: Ensayo de tracción Ensayo de compresión Ensayo de cizallamiento Ensayo de flexión Ensayo de torsión Ensayo de resiliencia Ensayo de fatiga de materiales Ensayo de plegadoAlgunos ejemplos de ensayos destructivos: 7
  • 9. Governatori Juan P. Materiales MetálicosResulta de gran importancia la velocidad de la aplicación de la carga de ensayo, pues suincremento produce un retraso en la aparición de las deformaciones plásticas y un aumento de laresistencia del material. Si las cargas se aplican en forma extremadamente lentas se obtiene unadisminución del límite de fluencia y un aumento de la resistencia, aunque a expensas de laductilidad, que disminuye considerablemente.Ensayos o Destructivos: Se denomina Ensayo No Destructivo (END) a cualquier tipo deprueba practicada a un material que no altere de forma permanente sus propiedades físicas,químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un dañoimperceptible o nulo.En general los ensayos no destructivos proveen datos menos exactos acerca del estado de lavariable a medir que los ensayos destructivos. Sin embargo, suelen ser más baratos para elpropietario de la pieza a examinar, ya que no implican la destrucción de la misma. En ocasioneslos ensayos no destructivos buscan únicamente verificar la homogeneidad y continuidad delmaterial analizado, por lo que se complementan con los datos provenientes de los ensayosdestructivos.Algunos de los END más comunes aplicados en la Ingeniería Naval son: Tintas penetrantes Ultrasonidos Partículas magnéticas Rayos X y RayosINSPECCION POR TINTAS PENETRANTES 8
  • 10. Governatori Juan P. Materiales MetálicosINSPECCION RAYOS X INSPECCION PARTICULAS MAGNETICAS 9
  • 11. Governatori Juan P. Materiales Metálicos • AcerosComúnmente se denomina acero a una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no superael 2,1% en peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, que, adiferencia de los aceros, son quebradizas y no se pueden forjar, sino que se moldean.Una aleación es una sustancia que tiene propiedades metálicas y está constituida por dos o máselementos químicos, de los cuales por lo menos uno es un metal. Las aleaciones se efectúan paramodificar algunas propiedades físico/mecánicas de los metales “puros” (en metalurgia se refierea una pureza tecnológica y no científica, por ejemplo un metal “puro” es aquel en el cual elporcentaje de impurezas es menor de 1/10.000). Casi el 100% de los materiales metálicos quese procesan en la industria son aleaciones. El hierro tecnológico más puro no baja de 0,2% deimpurezas.El acero es el más popular de las aleaciones, es la combinación entre un metal (el hierro) y un nometal (el carbono), que conserva las características metálicas del primero, pero con propiedadesnotablemente mejoradas gracias a la adición del segundo y de otros elementos metálicos y nometálicos. De tal forma no se debe confundir el hierro con el acero, dado que el hierro es unmetal en estado puro al que se le mejoran sus propiedades físico-químicas con la adición decarbono y demás elementos. • Diagrama de Fe-CEl hierro puro, al calentarse, experimenta dos cambios de la estructura cristalina antes de fundir.A temperatura ambiente la forma estable se llama ferrita o hierro α y tiene la estructura BCC(cúbica centrada en el cuerpo). La ferrita experimenta a 912°C una transformación polimórfica aaustenita (cúbica centrada en las caras) o hierro γ. La austenita persiste hasta 1394°C,temperatura a la que la austenita vuelve a convertirse a una fase BCC conocida cono hierro δ,que difunde a 1538°C.El diagrama sólo llega hasta 6,7% en peso de C, concentración que coincide con la delcompuesto llamado cementita ( % C). Esto se debe a que la mayoría de los aceros yfundiciones tienen porcentajes de carbono inferiores a 6,7%C. La cementita desde el punto devista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia dealgunos aceros.El hierro δ al sólo ser estable a altas temperaturas, no tiene importancia técnica. 10
  • 12. Governatori Juan P. Materiales MetálicosDiagrama de Fe-C • Mecanismos de Endurecimiento de los MetalesEl movimiento de las dislocaciones y el comportamiento mecánico de los materiales tienen unaimportante relación. La deformación plástica macroscópica corresponde al movimiento de ungran número de dislocaciones, entonces la capacidad de un metal para deformarse plásticamentedepende de la capacidad de las dislocaciones para moverse. La resistencia mecánica se puedeaumentar reduciendo la movilidad de las dislocaciones; o sea, mayores fuerzas mecánicas seránrequeridas para iniciar la deformación plástica. Todas las técnicas de endurecimiento, se basanen el principio de impedir el movimiento de las dislocaciones. 1. Endurecimiento por reducción de tamaño de granoGranos contiguos tienen orientaciones cristalográficas diferentes, y desde luego, un límite degrano común. Durante la deformación plástica el deslizamiento o movimiento de lasdislocaciones debe ocurrir a través de este límite de grano común. El límite de grano actúa comouna barrera al movimiento de las dislocaciones por dos razones: 11
  • 13. Governatori Juan P. Materiales Metálicos Como dos granos tienen orientaciones diferentes, una dislocación que pase de un grano a otro, tendría que cambiar la dirección de su movimiento; esto se hace más difícil a medida que la diferencia en la orientación sea mayor. El desorden atómico dentro del límite de grano producirá una discontinuidad de los planos de deslizamiento de un grano a otro.Un material con grano fino es más duro y resistente que uno de granos gruesos, ya que elprimero tiene un área total de límite de grano mayor para impedir el movimiento de lasdislocaciones. El tamaño de grano puede ser regulado mediante la velocidad de solidificación dela fase líquida, y también por deformación plástica seguida de un tratamiento térmico apropiado. 2. Endurecimiento por disolución sólidaAlearlos con átomos de impurezas que forman soluciones sólidas sustitucionales o intersticiales,endurece el material. El aumento de la concentración de los átomos de impurezas produce unaumento de la resistencia a la tracción y de la dureza.Las aleaciones son más resistentes que los metales puros debido a que los átomos de impurezasproducen una deformación de la red en los átomos vecinos del solvente. Los átomos de solutotienden a irse alrededor de las dislocaciones para disminuir la energía de deformación total. 3. Endurecimiento por deformaciónFenómeno por el cual un metal dúctil se hace más duro y resistente a medida que es deformadoplásticamente. También se lo llama acritud , o endurecimiento por trabajo en frio, debido a q latemperatura a la cual ocurre es fría en relación a la temperatura de fusión del metal. Tambiénse lo expresa como porcentaje de trabajo en frío:Cuando una aleación es endurecida, la ductilidad es sacrificada. • Tratamientos Térmicos Los tratamientos térmicos en aleaciones como el acero tienen como objetivo alterar laspropiedades mecánicas de las mismas. Se pueden realizar sin variación de la composiciónquímica, o variando la misma. Los tratamientos térmicos requieren fundamentalmente de 3 etapas: Calentar una pieza Homogeneizar su temperatura EnfriarlaAlgunos de los tratamientos térmicos más comunes en los aceros son:Sin variación de la composición química Recocido Temple Revenido 12
  • 14. Governatori Juan P. Materiales MetálicosCon variación de la composición química Cementación Nitruración SulfurizaciónDentro del Recocido, se pueden encontrar varios tratamientos, como el recocido deglobalización, de homogeneización, de eliminación de tensiones y de recristalización. El finúltimo de este tratamiento es ablandar el acero y para aliviar tensionesEl Temple, tiene como finalidad principal mejorar las propiedades físicas y mecánicas del acero,especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad.El Revenido sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente losefectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenidoconsigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensionescreadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistenciadeseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad deenfriamiento.Sulfinización: aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó almetal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales. Cementación : aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando laconcentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósferaque envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar elcontenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples yrevenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Nitruración: al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace enmayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logracalentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente degas amoníaco, más nitrógeno. • Fatiga de los Materiales La fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materialesbajo cargas dinámicas cíclicas se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas queproducirían la rotura. Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensión menor que laresistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática, y aparecer sin previo aviso,causando roturas catastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa derotura de los materiales metálico s (aproximadamente el 90%). La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúctiles, puesto que no hayapenas deformación plástica asociada a la rotura. El proceso consiste en un inicio y posteriorpropagación de fisuras, que crecen desde un tamaño inicial microscópico hasta un tamañomacroscópico capaz de comprometer la integridad estructural del material. La superficie defractura es perpendicular a la dirección del esfuerzo. 13
  • 15. Governatori Juan P. Materiales Metálicos Tensiones CíclicasLa tensión aplicada puede ser axial (tracción-compresión), de flexión o de naturaleza torsional.En general, son posibles tres modos distintos de tensión fluctuante-tiempo. • Ciclo simétrico de carga invertida (figura a) • Ciclo de carga repetida (figura b) • Ciclo de tensiones al azar (figura c)El ciclo simétrico se caracteriza por una amplitud simétrica alrededor de un nivel medio detensión igual a cero, alternando desde un valor máximo { ž ) hasta un valor mínimo { À ) deigual magnitud. El ciclo de carga repetida, se caracteriza por tener máximos y mínimosasimétricos con respecto al nivel cero de carga. Finalmente el nivel la tensión puede variar alazar en frecuencia y amplitud.Curvas S-De la misma manera que otras características mecánicas, las propiedades de fatiga de losmateriales pueden ser determinadas a partir de ensayos de simulación en el laboratorio.Una serie de ensayos se empieza sometiendo la probeta a tensiones cíclicas con una amplitudmáxima relativamente grande, normalmente alrededor de dos tercios de la resistencia estática atracción; se registra el número de ciclos a la rotura. Este procedimiento se repite a en otrasprobetas a amplitudes máximas progresivamente decrecientes. Los resultados se presentan en undiagrama de tensión, S, frente al algoritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada unade las probetas. 14
  • 16. Governatori Juan P. Materiales MetálicosSe observan 2 tipos de curvas S-N; figuras a) y b)Tal como se indica en estos diagramas, cuanto mayor es la magnitud de la tensión, menor es elnúmero de ciclos que el material es capaz de aguantar antes de romperse. Cuando la curva S-Nse hace horizontal para valores grandes de N (se da para algunos aleaciones férreas y enaleaciones de titanio), significa que existe una tensión límite denominada límite de fatiga, pordebajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá. Este límite de fatiga representa el mayor valor dela tensión fluctuante que no produciría la rotura en un número infinito de ciclos. En muchosaceros, los límites de fatiga están comprendidos entre el 35 y el 60% de la resistencia a latracción. Muchas de las aleaciones no férreas (por ejemplo, aluminio, cobre, magnesio) no tienenun límite de fatiga, es decir la curva S-N sigue decreciendo al aumentar N (figura b). Porconsiguiente, la rotura por fatiga ocurrirá independientemente de la magnitud de la tensiónmáxima aplicada. Para estos materiales, la respuesta a fatiga se especifica mediante laresistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensión que produce la rotura después deun determinado número de ciclos (por ejemplo 10 ciclos). Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a fatiga de un material esla vida a fatiga Nf. Es el número de ciclos para producir una rotura a un nivel especificado detensiones. Iniciación y Propagación de la GrietaEl proceso de rotura por fatiga está caracterizado por tres etapas distintas: 1. Iniciación de la grieta; en donde se forma una grieta pequeña en alguna región de alta concentración de tensiones. 2. Propagación de la grieta; durante la cual esta grieta avanza de forma gradual en cada ciclo de carga. 3. Rotura final; la cual ocurre muy rápidamente una vez que la grieta ha alcanzado un tamaño crítico. Las grietas asociadas con la rotura por fatiga casi siempre se inician sobre la superficie de uncomponente en algún punto donde existen concentraciones de tensiones. Estos lugares incluyenrayas superficiales, cantos vivos, ranuras de chavetas, roscas, mellas y otros similares. 15
  • 17. Governatori Juan P. Materiales Metálicos Una vez que se ha nucleado una grieta, entonces se propaga muy lentamente y, enmetales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de tensión de cizalladura alta; estose denomina etapa 1 de la propagación. En la etapa II, la velocidad de extensión de la grietaaumenta de manera vertiginosa y en este punto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzoaplicado para comenzar a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta crecepor un proceso de enromamiento y agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensión. La etapa de rotura se da cuando la grieta aumenta su tamaño, hasta llegar a un tamañocrítico y se produce la rotura catastrófica. Velocidad de propagación de la grieta A pesar de las medidas que se toman para minimizar la posibilidad de rotura por fatiga,siempre existen grietas y lugares donde pueden nuclearse. Bajo la influencia de tensionescíclicas, las grietas se forman y se propagan de forma inevitable; si este proceso no es evitado, alfinal puede conducir a la rotura. Los resultados de los estudios de fatiga han mostrado que la vida de un componenteestructural puede relacionarse con la velocidad de crecimiento de la grieta. La velocidad depropagación de la grieta es una función del nivel de tensión y de la amplitud de la misma. Estainformación se obtiene mediante la resolución de ecuaciones ya definidas por Paul C. Paris en1961. Factores que afectan a la vida a fatigaEl comportamiento a fatiga de los materiales es muy sensible a diversas variables. Algunas deestas son el diseño, tratamientos superficiales, endurecimiento superficial, etc. Si tenemos en cuenta el diseño, podemos decir que cualquier discontinuidad geométrica actúacomo concentradora de tensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto másaguda es la discontinuidad, más severa es la concentración de tensiones. La probabilidad derotura por fatiga puede ser reducida evitando estas irregularidades estructurales, o sea,realizando modificaciones en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno queconduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con radios decurvatura grandes.Si analizamos los tratamientos superficiales, podemos observar por ejemplo, que en lasoperaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y surcos en la superficie de la pieza poracción del corte. Estas marcas limitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales sonmucho más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta lavida a fatiga.El endurecimiento superficial es una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficialcomo la vida a fatiga de los aceros aleados. Esta técnica es análoga al tratamiento térmico deCementación. 16
  • 18. Governatori Juan P. Materiales Metálicos Figuras de Propagación de Grieta Superficie de fractura por fatiga. La grieta se formó en el borde superior. La rotura final se ve con aspecto gris y una textura fibrosa.SS Schenectady, un petrolero de la clase T2 fabricado por la Kaiser Company: de 152 metros deeslora, y cuyo peso en vacío superaba las 15.000 toneladas. Pocos días antes había sido botado,y superó sin novedad su travesía de prueba. Esa noche aguardaba amarrado el momento de suentrega, cuando de pronto, y sin previo aviso, el buque se partió en dos con un estrépito audiblea más de 2km de distancia. Una grieta se abrió en la cubierta y se extendió por las planchaslaterales del casco a gran velocidad, levantando el cuerpo del navío por el centro y quedandounidas la popa y la proa únicamente por la plancha de la quilla, que no llegó a fracturarse. 17
  • 19. Governatori Juan P. Materiales MetálicosBibliografía: INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES - William D. Callister - Ed. Reverté INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA - Sydney H. Avner http://en.wikipedia.org/wiki/File:TankerSchenectady.jpg (19/06/2011) http://www.panzerzug.es/pzg/content/view/204/205/ (21/06/2011) http://www.aireyespacio.com/2009/07/inspecciones-por-liquidos-penetrantes.html (21/06/2011) 18

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