Ingeniería de Materiales

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Ingeniería de Materiales

  1. 1. INGENIERÍA DE MATERIALES 1.- Clasificación de los materiales: Existen muchas formas de clasificar losmateriales. La más común los divide en metales, materiales cerámicos, polímeros ymateriales compuestos (o composites). Otra clasificación los divide en materiales ESTRUCTURALES y en materialesFUNCIONALES.Un material estructural se va a elegir por sus propiedades mecánicas masivas y por suspropiedades superficiales.Ejemplos: Hormigón y Acero.Propiedades mecánicas masivas: Rigidez; Elasticidad; Resistencia mecánica; Tenacidad.Propiedades superficiales: Comportamiento frente a la fricción, desgaste, oxidación,corrosión.Los materiales funcionales son aquellos cuya producción ponderal es menor que la de losestructurales y cuyo precio unitario acostumbra a ser elevado. Estos materiales seseleccionan por sus propiedades eléctricas o electrónicas (Conductividad;Superconductividad; Semiconductividad); magnéticas, termoiónicas, radiactivas ybiocompatibles.PROPIEDADES MECÁNICAS: 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 para resistir cargas estáticas o cargas aplicadas a baja velocidad. Son dureza y resistencia. 2. Las que tienen que ver con la deformabilidad del material miden la capacidad para resistir cargas dinámicas sin llegar a romperse ni a deformarse. Son tenacidad y ductilidad.ENSAYOS DE DUREZA La dureza, desde un punto de vista físico, se puede definir como la resistencia queoponen los cuerpos a la deformación. De esta definición general se derivan tres tipos demedida de durezas: 1. Resistencia al rayado (Mineralogía): Clasifica a los minerales por la resistencia a rayarse unos a otros (Escala de Mohs). 2. Existe oto concepto de dureza y es el que se refiere a la capacidad de devolución de energía elástica que tienen los cuerpos. Es conocido que de forma relativa para un determinado material, la capacidad de devolución de energía elástica, dEe, está correlacionada directamente con el grado de endurecimiento, gH, es decir:DEe=f(gH) Existen ensayos de dureza basados en este principio (devolución de energía), que recoge la información aportada por el ensayo de tracción, sólo en su zona elástica (ENSAYO SHORE). 1
  2. 2. 3. La Ciencia de Materiales restringe algo más el concepto para definirlo como la resistencia, cuantificada, que opone un cuerpo a la deformación permanente en su superficie. La dureza de un metal se mide por su resistencia a la penetración superficial por otro cuerpo más duro. Bajo esta definición la cuantificación de la dureza se realiza sobre la base de la medición de los parámetros de una huella, de tal modo que dureza, H, y dimensión de huella, h, estarán correlacionadas inversamente; es decir:H=f(1/h)ENSAYO DE DUREZA BRINELL: En función 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 diámetro de la esfera (identador) en mm.P es la carga aplicada en kg.t es el tiempo de aplicación 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 conversión para tener el valor en kg/(mm2). La constante vale 0,102(=1/9,806 Inversa de la Aceleración de la Gravedad). La dureza no tiene dimensiones. Se utiliza como dato comparativo. El área que genera la esfera no es un concepto que exprese perfectamente unapresión media por unidad de superficie. MEYER demostró que para tener una presiónmedia idéntica en dos huellas hechas por esferas de diferente tamaño debemos tener elmismo ángulo θ en las esferas (referencia en transparencias de clase). Buscamos huellasque sean geométricamente semejantes. También existen condiciones imponibles a las muestras, que deben estar limpias,libres de cualquier resto de grasa u óxido. Estamos midiendo la diagonal (diámetro) delcasquete esférico (huella), y a partir de esto calculamos el valor de la dureza. Otra de lasexigencias es el espesor mínimo de la muestra, que se debe consultar en una tablanormalizada, que relaciona la profundidad de la huella con el diámetro de la misma y conla carga aplicada. CARGA DE ENSAYO: Se ha comprobado que la mayor precisión de losresultados se obtiene cuando el ángulo de huella θ es aproximadamente igual a 136º, quecorresponde a una relación d/D=0,375. Como esto no es posible de obtener consemejante exactitud por procedimientos convencionales, se amplió el intervalo de larelación 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 deformación en frío del material al generar las huellas. Estos resultados de dureza son válidos hasta un valor de 650 en la Escala deBrinell. A partir de ahí no se puede dar validez a los resultados obtenidos. Se dice que“NO SON REPRODUCIBLES”. 2
  3. 3. Para que exista semejanza geométrica debe verificarse una relación carga-diámetro, de la forma:P/D2=k con k=cte.ENSAYO DE DUREZA VICKERS: La huella que deja el identador en la muestra tieneforma de pirámide recta, y se eligió de esta forma debido a lo siguiente: • Se deforma poco el material. • Se simplifican los cálculos del área de la huella. • Da una correlación 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 (Relaciónentre carga aplicada y área de la huella). Sólo necesitamos determinar la diagonal delcuadrado (que es la superficie de la huella) para calcular el área de la huella. Para ello esnecesario conocer además que el ángulo entre caras opuestas es de 136º. La dureza Vickers viene dada por la expresión:HV=P/A NORMATIVA: Expresión 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 aplicación de la carga en segundos.Ejemplo: 100 HV 50/25 El factor de conversión 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 además elacabado superficial debe ser mayor (PULIDO) debido a que la huella producida por elidentador es muy pequeña. También es necesario un espesor mínimo de la muestra y unacierta distancia entre los centros de las huellas, que será mayor cuanto más blandos seanlos materiales. Si aplicamos el método a una superficie curva, para determinar el valor de ladureza hay que aplicar una serie de factores de corrección. Debido a la geometría del identador en el ensayo Vickers, las huellas son siempregeométricamente 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 geométricamente semejantes. Entre 5kg y 200g. Entre 200g y 10g (Ensayos de Microdureza).NORMAS:UNE-> Unión de Normas Españolas.EN-> Traducción de la Norma Europea.ISO-> Norma Internacional.ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL: La dureza viene expresada en función de laprofundidad remanente de la huella. El valor de la dureza está relacionado con esteparámetro. 3
  4. 4. La huella la vamos a generar aplicando dos cargas consecutivas. La profundidadremanente la vamos a medir en condiciones en las que la primera carga todavía sigueactuando. Hay dos tipos de identador (cono de diamante y esfera de carburo de tungsteno), ytambién hay varios tipos de escala (véanse fotocopias de transparencias). Ensayos derivados: Existen dos tipos de ensayo (NORMAL y SUPERFICIAL). La razón de aplicar dos cargas es la siguiente: La primera carga es pequeña y tiene carácter preliminar. Sirve para determinar elfondo o inicio de escala (carga F0), y genera una huella con una profundidad h0. Ahoraaplicamos una nueva carga F1 de forma sucesiva, manteniendo siempre aplicada la cargaF0. Después se retira la carga F1 y se produce una cierta recuperación elástica, 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 precisión. Además, no todas las escalastienen la misma separación.N-> Valor de toda la escala.Dureza Rockwell=N-h/S La lectura que proporciona el durómetro 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 laescala en función del material a analizar y de las cargas a aplicar. La primera cargapreliminar es idéntica para todas las escalas (fondo de escala igual para todas). Varía portanto la carga F1, que es la segunda carga aplicada. Las escalas están correlacionadas. Se han hecho varias escalas para poder“barrer todo el espectro de materiales existentes”, es decir, para poder estudiar la durezade todos los tipos de material existentes. Para este método la rugosidad superficial no tiene tanta importancia como paraotros ensayos, debido a que la primera carga se aplica para evitar los problemasderivados de la rugosidad superficial. Por lo tanto sólo afecta la suciedad o impurezas dela superficie. Ventajas: (Transparencia 7c) • No-necesidad de medir diámetros. • Mayor precisión en la medida que en el resto de ensayos. • Etc.-MICRODUREZA- Este ensayo consiste en generar una huella muy pequeña para medir la dureza dezonas de pequeño tamaño. Esto se hace aplicando cargas muy pequeñas. Son ensayosde precisión. Se utilizan por ejemplo en metalurgia para evaluar la dureza entre fasesdiferentes o para analizar la dureza de un recubrimiento (como son los galvanizados).También se utiliza para testear materiales cerámicos, que son muy frágiles. El principal inconveniente es que necesitan una gran preparación superficial,llegando al PULIDO metalográfico, también denominado “acabado especular”. Tenemos dos clases de ensayos de microdureza. El Vickers utiliza un identadorpiramidal de base cuadrada. Las últimas normas limitan el campo de aplicación a cargasde un valor situado entre 10 y 200 gramos. ASTM-> Norma americana (entre 1 y 1000 gramos) 4
  5. 5. El otro ensayo es el ensayo knoop. Utiliza como identador una pirámide dediamante con ángulos entre aristas de 172º30’ y 130º (véanse 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 hayarealizado con la misma carga, es decir; las huellas no son geométricamente semejantes.PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALESENSAYO DE TRACCIÓN El ensayo de tracción consiste en someter a una probeta metálica de geometríadefinida a un esfuerzo suficiente para llevar a la probeta a “rotura”. Dicho esfuerzo es unesfuerzo axial de tracción. Para ello necesitamos una máquina (prensa hidráulica) que pueda provocar lafractura en la probeta y permita controlar la velocidad de deformación, y también registrarlas fuerzas aplicadas (F) y los alargamientos (ΔL) de la probeta. Las probetas estánnormalizadas. Existe una relación entre la sección de la probeta y una serie de puntos quese van midiendo a lo largo del ensayo. (Véase la figura 1 en los anexos) El ángulo producido al estirarse la probeta debe ser suave y agudo para que noactúe como concentrador de cargas. L0-> Distancia inicial entre los dos puntos de la probeta elegidos para medir.(Véase figura 1) La figura 1 es similar a la que aparece en la parte inferior de la página 115 del librode Callister.Curvas: F(kN)-ΔL(mm) σ(MPa)-ε [Tensión-Deformación] A partir de la curva F-ΔL se dibuja la otra curva (Tensión-Deformación) querepresenta la carga instantánea dividida por la sección inicial de la probeta, y ladeformación es el alargamiento dividido entre la longitud inicial de la probeta (magnitudADIMENSIONAL). Esta curva (σ-ε) se denomina “curva convencional”. En ella se aprecian dos zonasclaramente diferenciadas: En el primer tramo existe una correlación lineal o cuasi-lineal entre la tensión y ladeformación (zona elástica). La deformación producida no es permanente, ya que una vezcesada la carga el material recupera la forma inicial. La constante que correlaciona estas dos variables (σ-ε) a lo largo de la zonaelástica se denomina módulo de Young (Ε) y es la tgα (α es el ángulo entre la curva y eleje de abcisas). El módulo de Young es un indicador de la rigidez del material (siaumentamos Ε aumentaremos también la rigidez). Mide la resistencia de los enlacesinteratómicos del material. Ε se mantiene ± constante cuando el material se encuentra aleado, ya que el valordel módulo de Young no depende de la fase, de si el material está aleado, recocido, etc.Lo que realmente afecta al módulo de Young es la temperatura (Véanse fotocopias). El módulo de Young vale igual para cálculos de resistencia a compresión como atracción. Por convenio, en el ensayo de compresión se tomarán como negativos losvalores de las fuerzas y deformaciones. 5
  6. 6. Hay materiales en los que la curva no es lineal en su zona elástica (hoja 6fotocopias de clase). Ejemplo: Hormigón. Hay que determinar el módulo secante y el módulo tangente.Módulo secante: Pendiente de la recta secante entre dos puntos de la curva.Módulo tangente: Pendiente de la recta tangente a la curva en un punto determinado.PROPIEDADES ELÁSTICAS: El coeficiente de Poisson relaciona la contracción relativade una sección transversal y el alargamiento relativo de la sección longitudinal.(Véase figura 2) Esta figura es la misma que aparece en la página 123 del libro de Callister ó en laparte inferior de la página 9 de los apuntes de esta asignatura que se encuentran en ladirección:http://pagina.de/minasvigo Material isótropo: Es aquél en el cual las propiedades mecánicas son las mismasen todas las direcciones. Deformación de cizalla: γ=a/h=tgθ Tensión de cizalla: τ=G*γ(Véase la figura 3) Esta figura es un diagrama de cómo la deformación producida por una tensión decizalla afecta al material, desplazando una partícula situada a una altura h a una distanciaa de su posición inicial. Nota: En la mayoría de los materiales G≈0,4*Ε (G es el módulo de cizalla). Estonos permite obtener una constante a partir de la otra. Anelasticidad: La deformación elástica depende del tiempo. Aparece endeterminados materiales (obsérvese el caso de los polímeros). Al dejar de aplicar unacarga, el material sigue deformándose durante un periodo de tiempo. Lo mismo ocurre aleliminar la carga, ya que tarda un tiempo en recuperar su forma inicial. El ensayo de tracción fue diseñado para conseguir que la velocidad dedeformación sea constante, ya que es este parámetro el que realmente controlamos en elensayo. Superada la zona elástica se producen una serie de deformaciones quepermanecen una vez retirada la carga (zona plástica). El límite que separa estas zonas noestá definido claramente. En la zona plástica hay rotura de enlaces y formación de otrosnuevos. Nos interesa que la mayor parte de las estructuras no pasen de la zona elástica,luego es muy importante definir los límites entre zonas. Límite elástico convencional: Es la carga unitaria definida para la cual se produceuna deformación plástica (expresada en %) prefijada. Es una medida de la resistencia a ladeformación plástica. Es común el límite del 0,2%. En algunos materiales la variación de zonas es muy abrupta (zona de cedencia).Se definen dos límites: el límite superior de cedencia y el límite inferior de cedencia. Norma aplicada: EN 10002-1 (1990) La zona de cedencia aparece en los aceros al carbón endurecidos por nitrógeno.Se producen unas rayas características en la probeta, con un ángulo de 45º con respectoal eje de tracción. • El límite elástico convencional se calcula trazando una línea inclinada paralela a la zona elástica desde el alargamiento en % que queremos calcular. Resistencia a la tracción: Es la carga nominal o unitaria máxima que soporta laprobeta. Es un parámetro de diseño. Estos valores varían mucho según el tipo de material(ver tablas en fotocopias de clase), si están aleados, si han sido tratados térmicamente,etc. 6
  7. 7. DUCTILIDAD: Medida del grado en que un material es capaz de deformarseplásticamente. Esta propiedad se evalúa por medio del ensayo de tracción mediante dosparámetros, que son el alargamiento porcentual de rotura (A) y el coeficiente de estricción(z). [Ver las fotocopias] Nota: El alargamiento depende tanto de L0 como de S0.,-LEY DE BARBA- a,c: Parámetros 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 geométrica, esto es:S0/( L0)2=S1/(L1)2=k en general k=5,65 Entonces se podrán comparar los alargamientos. Estricción: Variación de la sección de la probeta por unidades de sección inicial(en %). No depende de S0 ni de L0. El opuesto a un material dúctil es un material frágil. Su deformación a la fractura esinferior a un 5%. EFECTO DE RESILIENCIA: Es la capacidad que tiene un material para absorberenergía elástica cuando es deformado y de ceder esta energía cuando dejamos de aplicarla carga. La propiedad asociada a este efecto es el módulo de resiliencia, que lo definimoscomo energía de deformación por unidad de volumen que se requiere para deformar elmaterial hasta su límite elástico. Matemáticamente este módulo UR se expresa como la integral entre 0 y σY delproducto σ*dε y las unidades se expresan en Pascales.(Ver figura 4 y desarrollo de la expresión) Un material de alta resiliencia necesita un módulo de Young bajo y un límiteelástico elevado. Tenacidad: Se puede definir como la resistencia del material a agrietarserápidamente, o también como la capacidad de absorber energía plástica antes defracturarse. En el ensayo de tracción (ensayo realizado a baja velocidad de deformación) sepuede evaluar la tenacidad como el área que hay debajo de la curva σ-ε. Se trata de unaenergía por unidad de volumen. La tenacidad es mayor cuando se alcanza un compromiso entre una buenaresistencia y una buena ductilidad. Un material puede ser dúctil pero no tenaz, o puedeser resistente pero no ser tenaz.(Ver figura 5)Explicación de esta figura La figura 5 muestra un diagrama σ-ε en el que aparecen tres tipos de materiales.El primero posee una elevada resistencia a la tracción (RT ordenada máxima) pero bajadeformación; es muy resistente pero poco tenaz. El segundo posee buenas cualidades deresistencia a la tracción y de deformabilidad, luego es muy tenaz. El tercero es altamentedeformable pero posee muy poca resistencia; es por tanto muy dúctil, pero poco tenaz. En condiciones de aplicación de cargas a velocidades altas hay que recurrir aotros ensayos: Ensayos de flexión por choque con entalla. Existen estados más complejos de tensiones.(Curva convencional y curva real en un material metálico. Véase la figura 6)La curva convencional no nos proporciona información acerca de cómo son las tensionesy deformaciones reales (σR=F/SI; εR). 7
  8. 8. Enmascaración: El no utilizar una tensión real enmascara que el aumento deacritud es continuo en todo el ensayo, y nos oculta también que para seguir deformandoel material es necesario aplicar una carga mayor. Deformación plástica-> 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 dirección de deslizamiento (compacta).SISTEMAS DE DESLIZAMIENTOFCC-----12BCC-----12 ó 24 según el metalHC-----3 ó 6 según el metal(Fuente: Callister página 163) Acritud: Favorece la inmovilidad de las dislocaciones, lo que implica elimpedimento de la deformación plástica. El esfuerzo real es siempre creciente. A partir del punto de carga nominal máxima se produce la estricción, que es unestrechamiento en la parte central de la probeta.(Ver la figura 7) En la curva Fuerza-Alargamiento, la fuerza disminuye después de aplicar la cargamáxima (a partir del punto de estricción). Lo que ocurre es que el área instantánea SItambién disminuye, y en mayor medida; por eso:(F↓/ SI↓↓)=σR↑ Alargamiento remanente: Es hablar de la deformación convencional multiplicadapor cien (en porcentaje).A=[(LU-L0)/L0]*100Siendo: • LU la longitud final entre marcas. • L0 la longitud inicial entre marcas. • (LU-L0)/L0=ΔL/L0=ε (deformación convencional) Además, 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 t1 tenemos: A2=[(L2-L0)/L0]*100=30% Si realizamos la diferencia A2-A1=10%, que sin embargo no es el alargamientoremanente entre t1 y 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 información errónea. Lo que haremos será definir un alargamiento real, que nos permita conocer cuales el incremento de longitud proporcional a un incremento infinitesimal de la tensión paracada longitud instantánea LI.εR=[(L1-L0)/L0]+[(L2-L1)/L1]+[(L3-L2)/L2]+... Este alargamiento εR es igual a la integral definida entre L0 y L de dL/L, obteniendoque:εR=Ln(L/L0) La ventaja es que si realizamos la deformación a tracción y a compresiónobtenemos valores idénticos, pero de distinto signo: 8
  9. 9. Ejemplo: Para un material cualquiera obtenemos 0,69 a tracción y -0,69 acompresión; en caso de no utilizar deformación real obtendríamos 1 y –0,5 comoresultados. Para deformaciones inferiores al 10%, los valores del alargamiento y deformaciónreal son muy parecidos. Desde el momento en que comienza la deformación plástica hasta el inicio de laestricción en la probeta, el alargamiento es homogéneo, y el volumen de la zona queestamos ensayando se conserva.S1*L1=S0*L0 A partir de la curva F-ΔL se determina la curva convencional σ-ε. Veamos larelación que tiene esta curva con los valores reales (σR-εR):σR=F/SI=(F*LI)/(S0*L0)=(F/S0)*(L0/L0+ΔL/L0)=σ*(1+ε)LI=L0+ΔLεR=Ln(L/L0)=Ln[(L0+ΔL)/L0]=Ln(L0/L0+ΔL/L0)=Ln(1+ε) Desde que comienza la estricción hasta que se produce la rotura habrá que medirla carga aplicada y la sección y longitud instantáneas. Esta correlación anterior era teniendo en cuenta que el volumen era conservativo,lo que nos permite definir la siguiente correlación que sólo se cumple cuando el materiales poco sensible a la velocidad de deformación.Ecuación de Ludwik(En la zona de alargamiento homogéneo)σR=K*(εR)NK=Coeficiente de resistencia.n=Índice de endurecimiento por deformación ó índice de acritud.N y K son constantes características que dependen del material y de las condiciones delensayo (Tª, tamaño de grano del material, etc.).CORRECCIONES POR EL CUELLO En la estricción tenemos una distribución triaxial (mayor grado de complejidad) detensiones. La tensión axial en el cuello es ligeramente menor que la que estamosconsiderando, por lo que hay que hacer una corrección a la curva (Véase fotocopia 11b).Log(σR)=Log(K)+n*Log(εR) A mayor valor de n indica un mayor endurecimiento por deformación (acritud) delmaterial. Esto implica que la tensión necesaria para deformar el material aumentatambién.(Véase figura 8) Aunque la acritud es siempre creciente con la deformación, el ritmo de acritud nolo es, ya que inicialmente es más rápido que al final. A efectos prácticos, para controlar el valor de n en el ensayo controlamos eltamaño de grano, pero hay otros factores que influyen en n (material con fases dispersas,endurecimiento por precipitación,...). N disminuye cuanto más 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. 10. Presencia de fases dispersas: Mayoritariamente es una estructura cristalina conmicro ó nanoestructuras de otra fase. Disminuyen el valor de n. En general, cualquier elemento que aumente la resistencia del material, haciendomás difícil el movimiento de las dislocaciones, hace que n disminuya. Materiales recocidos: n↑↑ M. trabajados en frío: n↓↓ Para conformar los materiales en frío es importante que n sea elevado. A partir de la curva real, n es igual al valor de la deformación real en el punto deinicio de la estricción. Es una buena aproximación tomar el valor de n como el valor de ladeformación en el punto de inicio de la estricción en la curva convencional. Una información similar a la que proporciona n se obtiene mediante la ecuación:n≈RC/RM Si este cociente es próximo a la unidad, esto quiere decir que el material adquieremuy poca acritud con la deformación, ó que rompe al pasar de la zona elástica. Si el cociente es menor que la unidad, significa que el material adquirirá muchaacritud al deformarse. Estricción: Es el cuello que se forma en el centro de la probeta a partir del puntode carga máxima. Si el material es muy dúctil, la estricción es casi un punto. Cuanto másdúctil sea el material menor va a ser la sección final cuando rompa la probeta.ÍNDICE DE ESTRICCIÓNZ=[(S0-SU)/S0]*100 Si tuviésemos en cuenta la carga axial que actúa en la zona de estricción,tendríamos una curva por debajo de la curva real.EFECTO DE LA Tª EN LA CURVA DE TRACCIÓN Interesa por que la curva de tracción se utiliza para el diseño de una pieza de esematerial, mediante el cálculo de determinadas propiedades mecánicas. Por eso esinteresante saber el comportamiento del material a diferentes temperaturas. Se pueden realizar ensayos de tracción a altas temperaturas, mediante unaprobeta envuelta en un horno (resistencia, etc.). La temperatura afecta al materialdisminuyendo su resistencia y aumentando su ductilidad, mediante la disminución óaumento de las propiedades mecánicas relacionadas con éstas. Si la temperatura aumenta, podemos decir que: • Disminuye el límite elástico. • Disminuye la resistencia. • Disminuye n. • Aumenta la ductilidad. Para hacer una buena comparativa de materiales hay que realizarla a unatemperatura homóloga, que es igual a la temperatura de ensayo dividida por latemperatura de fusión del material. Para comparar límites elásticos en materiales sometidos a altas temperaturas hayque utilizar un factor homologado, que sería el límite elástico dividido por el módulo deYoung. Si tratamos de ver la influencia de la estructura cristalina, podemos diferenciar elsiguiente comportamiento general (con excepciones): FCC: El límite elástico varía poco y sin embargo el índice de acritud varíaconsiderablemente. BCC: Para estos materiales el límite elástico varía de forma significativa, mientrasque el índice de acritud apenas varía. 10
  11. 11. HC (ó HCP): Comportamiento similar al de materiales de estructura FCC,existiendo sin embargo una gran influencia de las impurezas en el comportamiento. Lógicamente, el conformado de materiales en caliente resulta mucho más fácildebido al aumento de la ductilidad.Resistencia a la tracción y dureza Es una correlación aproximada (ver fotocopia 19). Nos sirve para extrapolarvalores del ensayo de tracción a partir del ensayo de dureza (más rápido, sencillo ybarato). Para los aceros se da la siguiente correlación numérica (Callister):RM(MPa)=3,45*HB Al hacer un ensayo varias veces nunca obtendremos los mismos resultados; hayque dar un valor promedio con su desviación típica. En la tensión de trabajo hay queutilizar un factor de seguridad, para sobredimensionar el resultado obtenido.σW=σY/nSiendo n≈2 Ejemplo de curva de tracción (Véase anexo).Referencia: Anexo (Ejercicios)FRACTURA Por fractura se entiende la separación o fragmentación de un cuerpo sólido en doso más partes bajo la acción de una tensión a temperaturas que están muy alejadas de latemperatura de fusión del material. Los materiales metálicos sufren sobre todo fracturapor fatiga. Etapas a tener en cuenta: (son 2) • Iniciación de una grieta o fisura. • Propagación de dicha grieta o fisura (es la etapa que determina el modo de fallo).Clasificación: Fractura dúctil y fractura frágil. La ductilidad depende tanto de factores internos como de factores externos. Deaquí que la clasificación 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 dedeslizamiento distintos (Véase hoja correspondiente). Cuantos más sistemas dedeslizamiento haya, más fácil será de deformar plásticamente dicho material. • FCC: Au, Al, Ag, Ni, Cu, Bronces y aceros inoxidables austeníticos. • BCC: Fe (puro), aceros dulces, Mo, W. • HC: Ti, Mg, Zn, Co, Be, Zr. Microestructura: Factor importante es el tamaño de grano, ya que existe una correlacióninversa entre ductilidad y tamaño de grano; es decir, a menor tamaño de grano mayorserá la ductilidad (y también la tenacidad) para un determinado material. El tamaño degrano es el único mecanismo que hace aumentar a la vez la ductilidad y la tenacidad delos materiales.Características generales Fractura dúctil: Tiene asociada una gran deformación plástica 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. Además, el avance de la grieta eslento y existe una deformación plástica apreciable en las superficies de fractura. 11
  12. 12. Fractura frágil: Una vez iniciada, la grieta se propaga rápidamente sin necesidadde aumentar el esfuerzo (grieta inestable), y además no existe deformación plástica en elentorno de la grieta. La mayor parte de los materiales metálicos son muy dúctiles y tenaces. Losmateriales cerámicos van a ser frágiles, y en cuanto a los polímeros tendremos los dostipos de comportamiento. Esto es válido para cualquier tipo de ensayo (tracción ycompresión).FRACTURA EN EL ENSAYO DE TRACCIÓN Podemos tener los dos tipos de fractura. Dentro de la fractura dúctil podemos teneruna fractura muy dúctil (como la del Au por ejemplo). En este tipo de fractura, la tensióncortante máxima se obtiene cuando los ángulos α y β son iguales y con un valor de 45º. Aesta tensión se la denomina tensión de cizalladura resuelta crítica. (Véase 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 superficialescaracterísticas. Este tipo de fractura es característica de la mayoría de los metales. La rotura de materiales es un hecho no deseado porque puede producir posiblespérdidas de vidas humanas e importantes pérdidas económicas. Su prevención es muydifícil de garantizar.CAUSAS Puede deberse a una mala utilización en servicio; en muchos casos es unaselección inadecuada para una determinada actividad o se debe a un mal diseño. Es responsabilidad del ingeniero evitar esto. El estudio de las causas de rotura es uno de los problemas principales que tratanhoy en día los ingenieros especializados en metalurgia.Mecanismo de la fractura de copa-cono: (Véase fotocopia FR5) La primera etapa es que una vez iniciada la estricción se forman una serie demicrocavidades en el interior de la sección de la probeta en esa zona de estricción. Estasmicrocavidades se deben a la descohesión a lo largo de la intercara entre partículas de 2ªfase y la matriz (Ver la figura 10). En muchos casos las partículas de 2ª 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 deformación, lasmicrocavidades crecen, y va a llegar un momento en el que se produce una coalescenciade microcavidades, por rotura de los tabiques de separación de esas microcavidades. Seforma entonces una grieta elíptica, cuyo eje mayor es perpendicular al esfuerzo (detracción, 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 sección del materialno aguante la carga (ya que está aplicada sobre los extremos), y rompe de manera rápidapor propagación de la grieta alrededor del perímetro exterior de la estricción por tensiónde cizalladura, formando un ángulo de 45º con el eje de aplicación de la carga. Esteángulo es de 45º porque ahí es donde están situados los planos más activos; los quedeslizan antes. En este caso tenemos la fractura de copa-cono, en la que una de las superficiesde fractura tiene forma de copa y la otra de cono. Si nos fijamos en la parte central observamos que ésta tiene un aspecto fibrosomuy característico que identifica claramente el modo de fallo. Existe una comprobación deeste fenómeno por medio de la fractografía, que es la ciencia que se dedica al estudio delas superficies de fractura para, por medio de una serie de análisis, poder determinar eltipo de fallo. 12
  13. 13. Esta ciencia se apoya en el microscopio electrónico de vacío, que por medio de unbombardeo con haces de electrones provocan una reemisión de electrones secundariospor parte del material, obteniendo una información en forma de “imagen topográfica”. (2ª imagen de la fotocopia FR6) Cada hueco se denomina cúpula y corresponde ala mitad de un microvacío. A efectos macroscópicos, la superficie es muy fibrosa y hayuna gran deformación plástica en el entorno. En materiales frágiles, tenemos a nivel macroscópico una fractura que se propagaa través de una superficie prácticamente plana, perpendicular a la dirección del esfuerzo(fotocopia FR4 c). Microscópicamente (fotocopia FR7), se observa una pequeñadeformación plástica. (Fotocopia FR8) Micrografía de la sección de un acero (con aspecto todavíamacroscópico). Hay unas marcas radiales que nacen del centro de la superficie defractura y que son típicos de la fractura frágil 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 mayoría de los materiales frágiles la propagación de la grieta corresponde auna sucesiva rotura de enlaces atómicos a lo largo de planos cristalográficos (lo que sedenomina como descohesión o clivaje), observándose 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 descohesióncambian de un grano a otro (por cómo están distribuidos los planos mejor orientados).Esto proporciona un aspecto facetado a la superficie de fractura. Rotura intergranular en materiales frágiles: (FR9). La grieta progresa por los límites de grano. Este tipo de fallo está asociado a lapresencia de impurezas en el límite de grano, que debilitan el material. Como ejemplotenemos la rotura que se da en los aceros inoxidables austeníticos sometidos a una cargade tracción en un ambiente corrosivo. También son importantes en las fracturas losfactores externos además de las cargas, como se puede apreciar en el ejemplo.ENSAYOS DE IMPACTO El modo de fallo en el ensayo de tracción no nos permite extrapolar los resultadosa otras situaciones diferentes. El tipo de fallo está 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 qué condiciones el material presenta fracturafrágil. Estas condiciones son: 1. Temperaturas bajas. 2. Velocidad de deformación elevada. 3. Estado triaxial de tensiones (mediante entalla mecánica).Tipos: Ensayo Charpy y ensayo Izod. Estos dos ensayos han sido normalizados y diseñados para determinar la energíade impacto o tenacidad a la entalla, que se define como la energía absorbida por lasuperficie entallada cuando rompe. En ambos casos se romperá una superficie entalladade un golpe dado con una masa-péndulo. Se medirá la energía absorbida por ese golpe.La velocidad que adquiere la masa al golpear la probeta queda determinada por la alturadel péndulo. Tras la rotura, la masa continua su camino hasta llegar a una cierta altura, apartir de la cual se determina la energía absorbida (FR10).Energía absorbidaEabs=(m*g*h)-(m*g*h’)=m*g*(h-h’) 13
  14. 14. La diferencia entre alturas se correlaciona muy bien con el ángulo que forman elbrazo con la vertical en las posiciones inicial (α) y final (β) y con la longitud del brazo (I).Eabs=m*g*I*(cosβ-cosα)Última 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 ode 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 también normalizada la velocidad de choque Vc, que varíaentre 5 y 5,5 m/s. En el ensayo Izod la probeta está en posición vertical y la carga golpeaperpendicularmente a la probeta por el lado de la entalla. Inicialmente en España a estos ensayos se les denominó “Ensayos deResiliencia”.EXPRESIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ENSAYOKU=130 JKV=121 J Nota: Los valores dados son para un caso hipotético. Las unidades vienenexpresadas en Julios, absorbidos por el ensayo Charpy de flexión por choque con entallaen forma de U o V. En esta norma la energía no se define como energía 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 más importante de estos ensayos es que nos van a permitir determinar latemperatura de transición dúctil-frágil (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 distribución de temperaturas debe ser homogénea en toda la probeta). Se obtienenuna serie de curvas (fotocopia FR15). Se observa que existe una dependencia de la energía absorbida con latemperatura. A altas temperaturas se absorbe gran cantidad de energía, lo que estárelacionado con la fractura dúctil. A bajas temperaturas tenemos una menor absorción deenergía, lo que está relacionado con la fractura frágil. Podemos hacer la misma gráfica pero sustituyendo la energía absorbida por el %de la superficie de fractura dúctil, correspondiendo el origen de ordenadas con el 0%. Hay una influencia importante de la estructura del material en el tipo de fractura.En la mayoría de los casos habrá una transición brusca del comportamiento del material aalta temperatura y a baja temperatura. Existe lo que se denomina intervalo de transicióndúctil-frágil (típico en materiales de estructura BCC). Cuando no hay transición pronunciada, referimos la temperatura de transicióndúctil-frágil a la temperatura para la cual el material absorbe 27 Julios de energía, otambién a la temperatura para la cual el 50% de la superficie de fractura del material es defractura dúctil. Condiciones de uso del material: Trabajaremos con el material a una temperaturaque esté por encima de la temperatura de transición dúctil-frágil. La temperatura de transición dúctil-frágil depende de: Los factores externos que condicionan el ensayo, fundamentalmente la velocidadde aplicación de la carga y el tipo de entalla. La entalla es un concentrador de tensiones.Cuanto más aguda sea la entalla mayor será la concentración de las tensiones. 14
  15. 15. Los factores internos, como son: Composición del material (Estudiaremos los aceros. Fotocopia FR15). Al introducircarbono formamos una solución sólida intersticial (porque los átomos de C son muypequeños y ocupan los intersticios) [Es un mecanismo de endurecimiento]. Esto hace almaterial menos tenaz. Cuanto más carbono añadimos hacemos más favorable la fracturafrágil. El oxígeno fragiliza también el acero, y de forma más pronunciada. Tamaño de grano: La disminución del tamaño de grano endurece al material y a lavez aumenta su tenacidad. La deformación inducida es más fácil de absorber debido a lagran superficie del límite de grano (de alto desorden). Esto se utiliza para comprobar latenacidad de los metales. SLA-> Aceros de alta resistencia y baja aleación (son aceros ferríticos). Tienen una ITT=-80ºC (ITT=Tª de transición) Esto implica una alta resistencia a bajas temperaturas.Determinación del tamaño de granoN=2n-1n Índice de tamaño de grano ASTM (Va de 2 a 12)N Nº de granos por pulgada cuadrada a 100 aumentos Efecto de la estructura cristalina: Los materiales con estructura FCC son muytenaces. Presentan una transición muy suave. Se utilizan para trabajar a temperaturascriogénicas (como por ejemplo los aceros inoxidables austeníticos). Los materiales BCCpresentan sin embargo una transición muy brusca. Los materiales HC tienen uncomportamiento similar al de las aleaciones de alta resistencia (poca transición pero bajatenacidad), a excepción del titanio (muy tenaz). Hay otro mecanismo de deformación plástica en metales, y que es más rápido 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 aplicación de lacarga), presentan maclado activo. Los BCC, a pesar de tener más sistemas dedeslizamiento, dichos sistemas son menos activos, por eso se deforman peor. En estosmateriales se puede dar un maclado mecánico a temperatura ambiente cuando lavelocidad de aplicación de la carga es elevada (en los FCC no ocurre), y tambiénpresentan maclado mecánico a bajas temperaturas, pero en menor medida que otros. Los materiales FCC serán dúctiles y tenaces para cualquier velocidad deaplicación de la carga y para cualquier temperatura. Materiales dúctiles como los BCC a temperatura ambiente y bajas velocidades deaplicación de la carga se comportan como frágiles cuando la temperatura es baja ycuando a temperatura ambiente se aplica la carga a altas velocidades. Esto significa que la fractura frágil se puede dar con uno o más requisitos. Losmateriales HC serán frágiles en prácticamente todas las condiciones (con excepciones).Ventajas y limitaciones de estos ensayos Como ventajas tenemos que el ensayo es muy simple (fácil de realizar), y que nospermite determinar la temperatura de transición dúctil-frágil. Como limitaciones tenemos que sólo obtendremos datos cuantitativos queúnicamente serán útiles a efectos comparativos (no para el cálculo de piezas oestructuras); que están 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 tamaño 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 esté sometida a cargas estáticas o dinámicas. 15
  16. 16. • La raíz de la entalla puede ser menos severa que una entalla real o defecto similar (poros, microgrietas, fisuras, etc.) La energía absorbida es igual a la total más la energía de propagación de la grieta. El ensayo de impacto permite cuantificar la tenacidad de un material, pero noobtenemos resultados aplicables cuando lo que necesitamos es diseñar piezasestructurales. Para esto se ha creado toda una rama de la ciencia de los materiales, quese llama mecánica de fractura. La mecánica de fractura es la ciencia que estudia la resistencia de un material a lafractura frágil cuando dicho material posee defectos internos (microfracturas, grietas, etc.)mediante análisis teóricos y experimentales. Las teorías de la mecánica 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 propagación de las grietas. Concentrador de tensiones: Cuando los teóricos de la mecánica de fracturaestudiaron la resistencia cohesiva teórica en un material elástico frágil, se constató queera aproximadamente igual al módulo de Young partido por 10 (=E/10). En análisisexperimentales se ve que este valor se reduce entre 10 y 100 veces. Esto se debe a lapresencia de defectos internos que pueden inducir la aparición de microgrietas. El primeroen postular este fenómeno fue A. Griffin. Las microgrietas son problemáticas porqueactúan como concentradores de tensión en los vértices del defecto, y el fallo sueleiniciarse en la zona del material con mayor tensión aplicada. (Fotocopia FR17). CONCENTRACIÓN DE TENSIONES: Seguiremos el dibujo ylas fórmulas que aparecen en esta fotocopia. La tensión a lo largo de la dirección x va aumentando a medida que nosacercamos al vértice de la grieta, donde tenemos la mayor concentración de tensiones. El factor de concentración de tensiones KT se define como la tensión máximaaplicada dividida por la tensión nominal. Tenemos también una fórmula para determinar elvalor de la tensión máxima (ver FR17). El efecto concentrador de tensión 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”, sedefine como la mitad de la longitud de la grieta (ver FR16a), y la tensión máxima sealcanza en ambos vértices de la grieta (FR16b). Este mismo efecto de concentración de tensiones se da también en cualquieraspecto de diseño que actúe como tal (presencia de ángulo vivo o rosca). La mecánica de fractura estudia los materiales frágiles porque en losmateriales dúctiles se produce una redistribución del estado tensional cuando el materialempieza a deformarse plásticamente. Esta nueva distribución de tensiones hace que latensión máxima no sea tan alta, y por tanto la propagación de la grieta sea más lenta. Enmateriales frágiles la rotura sucederá rápidamente. 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 tensión aplicada. • La longitud y posición de la grieta. • Geometría de la pieza sólida. La tenacidad de fractura, KC, es una propiedad mecánica, definida como laresistencia de una determinado material a la fractura frágil cuando hay una grietapresente. También se define como el valor crítico del factor de intensidad de tensiones en lapunta de la grieta, pero que se propague en un material frágil que contiene un defecto. Suexpresión general es:KC=Y*σ*(π*a)1/2 16
  17. 17. Donde Y es un parámetro sin dimensiones que depende de la geometría de lapieza y de la geometría 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 condición de deformaciónplana, con lo que KC es independiente de B.Condición de deformación plana (Figura 11)B≥2,5*(KIC/σY)2 Explicación a la figura 11: Nos interesan las condiciones en las que el defecto esmuy pequeño en comparación con el espesor de la probeta, considerando así que no haydeformación en la dirección de la grieta. Experimentalmente, se comprueba que se danlas condiciones de deformación plana cuando se verifica la anterior relación (ver FR19). KC suele llevar un subíndice, que se corresponde con la dirección de avance de lagrieta, que puede ser de rotura (subíndice=1) por deformaciones planas, de cizalladura(subíndice=2), o de desgarre (subíndice=3). (FR20 tabla 6.5). En esta tabla aparecen valores normales de tenacidad a lafractura para aleaciones seleccionadas en ingeniería. El valor de KC depende de latemperatura, velocidad de deformación, microestructura, etc. Esto viene dado por lasnormas. Un material puede estar sometido a diferentes estados de deformación, peroempezará a romperse cuando alcance el valor de KC. Los materiales frágiles tendránvalores de KC muy pequeños, mientras que los materiales dúctiles tendrán un elevadovalor para KC. En general interesa estudiar el valor de KC para materiales de ductilidadintermedia. Desde el punto de vista del material, KC se encuentra relacionada sobre todo conel tamaño de grano. Un menor tamaño de grano aumenta la tenacidad a la fractura. Otrosmecanismos de endurecimiento (especialmente las disoluciones sólidas o lasdispersiones de una segunda fase) disminuyen la tenacidad a la fractura.Determinación del tamaño del defectoK1C=Y*σ*(π*a)1/2 Lo que hay que determinar en un diseño basado en la mecánica de fractura sontres parámetros (Fijamos 2 y el tercero queda entonces determinado). Supongamos quetenemos fijada la tensión σ aplicada y el material a emplear, quedando sólo el tamaño dela grieta (a). La determinación de este parámetro se puede realizar mediante ensayos nodestructivos (NDE), como son: • Líquidos no penetrantes. • Gammagrafías. • Corrientes inducidas. • Partículas magnéticas. Esta clase de ensayos permiten determinar el tamaño y la posición de losdefectos.FATIGA Es otro tipo de fractura que aparece en los materiales metálicos. También se da enlos polímeros, y los cerámicos la soportan muy mal (ya que en general rompenenseguida). La fatiga se produce cuando el material está sometido a cargas cíclicas yvariables (se repiten a lo largo del tiempo), aunque el valor del esfuerzo al que estásometido el material sea inferior a la resistencia a la tracción e incluso inferior al límiteelástico. Un ejemplo de fatiga sería un alambre que se doblase continuamente. Suimportancia es enorme, ya que aproximadamente el 80% de los fallos en servicio de laspiezas metálicas son causados por fatiga. 17
  18. 18. El primero en estudiar la fatiga fue Wöhler, que definió tres condicionesfundamentales para que se produjese rotura por fatiga: 1) Una tensión máxima de tracción de valor elevado. 2) Una variación o fluctuación lo suficientemente elevada. 3) Un número suficiente de ciclos. De aquí se deduce que los resultados obtenidos por los ensayos de tracción nonos sirven para poder identificar o determinar este tipo de fallo. Los mecanismos que influyen en la fatiga son muy complejos. Los enumeramos yrealizaremos un estudio básico de este fenómeno. A la hora de hablar del ensayo de fatiga, existen varios parámetros a tener encuenta, como son la cinética de aplicación de la carga, el tipo de tensiones aplicadas almaterial, etc. Tipos de ensayo: Simplificaremos el número de ensayos. Los principales son tres.Los resultados obtenidos son muy parecidos en los tres, por lo que sólo necesitamos unensayo. Para simplificar la cinética de aplicación de cargas haremos una aproximación ala realidad aproximando los ciclos de carga a una función senoidal. Podemos definir como ciclo de carga a la ley de variación de la tensión o esfuerzoa lo largo de un periodo. Es un ciclo sencillo, con una parte a tracción y otra a compresión,donde hay que definir una serie de parámetros. La tensión máxima es la mayor tensión que se alcanza en la fibra más solicitada. La tensión mínima es la menor tensión que se alcanza en la fibra más solicitada. La tensión media (σM) es la mitad del valor de la suma de las tensiones máxima ymínima. La amplitud de la tensión (σA) es la mitad del valor de la diferencia entre latensión máxima y la tensión mínima respectivamente. El rango de tensiones (σR) se puede definir como la diferencia entre tensiónmáxima y tensión mínima, o como el doble del valor de la amplitud de la tensión. También podemos tener distintos ciclos de carga: Ciclo alterno simétrico: En este ciclo la tensión media es igual a 0 (σM=0). Ciclo alterno asimétrico: La tensión media es menor que la amplitud de la tensión.En cualquier caso la distribución de las tensiones es simétrica con respecto al valor de latensión media. Ciclo intermitente: El valor de la tensión media es igual al valor de la amplitud de latensión (σM=σA). Ciclo pulsatorio: El valor de la tensión media es superior al de la amplitud de latensión. En cualquiera de estas situaciones, donde los esfuerzos aplicados varían entreσMax y σMin, puede considerarse que el esfuerzo aplicado es la suma o superposición deuna componente estática (igual a la tensión media) y una componente fluctuante o alterna(igual a la amplitud de la tensión. σMax=σM+σA σMin=σM-σA Utilizaremos generalmente el ensayo de flexión rotativa (que es el más sencillo).Aplicaremos una fuerza de flexión a una probeta que gira mediante cargas aplicadas enlos extremos. También 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 tensiónmedia igual a 0 (ciclo alterno simétrico). Curvas de fatiga de Wöhler: 18
  19. 19. Normalizaremos una máquina de flexión por fatiga para determinar este tipo decurvas, en las que representaremos la amplitud de la tensión frente al número de ciclosnecesarios para llevar al material hasta la rotura por fatiga. Mecanizamos un número N de probetas y sometemos una de ellas a una serie deciclos con una determinada amplitud de tensión (σA), condicionada por la tensión máxima(esto nos permite obtener el primer punto de la curva). Repitiendo el ensayo con probetasidénticas donde sólo variamos los valores de tensión (disminuyendo su valor), obtenemosuna curva que se denomina curva de Wöhler (se trata de una curva a escala logarítmica). Se suele empezar con valores de tensión máxima o de amplitud de tensión delorden de (2/3)*RT (dos tercios de la resistencia a la tracción del material). Cuanto mayor sea la amplitud de la tensión menor será el número de ciclosnecesarios para llevar la probeta a rotura. Hay dos tipos diferenciados de curvas. En algunos materiales se produce un valorasintótico a partir de un número determinado de ciclos. Esto se suele dar en algunosaceros y en aleaciones de titanio. En las curvas correspondientes a otros materialesexiste una disminución de la tensión a medida que aumenta el número de ciclosnecesarios para romper la probeta. Para las curvas con valor asintótico definiremos el límite de fatiga como lamáxima tensión que no produce rotura cualquiera que sea el número de ciclos para elcual existe aplicación de cargas. Este límite de fatiga, en los aceros, suele estar comprendido entre el 35% y el 60%del valor de la resistencia a la tracción. En aquellos materiales que no posean límite de fatiga se define la resistencia a lafatiga como el nivel de tensión que produce la rotura después de un determinado númerode ciclos. Las normas definen que para las aleaciones férreas, ese nivel de tensión es elcorrespondiente a 1*107 ciclos, y para aleaciones no férreas, este límite práctico de fatigase establece para 3*107 ciclos. En este tipo de curvas también se define el parámetro vida-fatiga, como elnúmero de ciclos necesarios para producir la rotura a fatiga para un nivel determinado detensiones. El fenómeno de la fatiga es un fenómeno para el cual se obtienen resultados conuna gran dispersión, por lo cuál 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 también de la tensión media (para el mismo tipo deensayo). El valor de la tensión media afecta a las curvas de Wöhler, ya que varían el valordel límite de fatiga (las distintas curvas son paralelas entre si). Experimentalmentepodemos hacer una curva para cada valor de la tensión media (ver figura 12). Otra manera es utilizar aproximaciones matemáticas basadas en la curva deWöhler determinada en un ensayo para un ciclo de carga donde la tensión media es iguala cero (véase fotocopia FAT7). Tenemos dos aproximaciones para poder determinar elvalor del nuevo límite de fatiga (Se’), según sea el valor de la tensión media (que con elcambio de notación se expresa como Sav), la amplitud de tensión (Sa), el límite de fatigapara una tensión media igual a cero (Se) y la resistencia a la tracción (RM). Laaproximación de Gerber es de orden 2 (cuadrática), mientras que la de Goodman es lineal(orden 1) y es más conservativa que la primera, ya que es la aproximación en la quesuponemos el menor valor del límite de fatiga. Los resultados obtenidos en los ensayosexperimentales se encuentran dispersos en el área comprendida por estas dos curvas.Una aproximación todavía más conservativa que la de Goodman es la línea de 19
  20. 20. Soderberg, en la que se sustituye RM por Re (límite elástico). Estas curvas nos permitendeterminar la variación del límite de fatiga dependiendo del valor de la tensión media. Lasecuaciones correspondientes son las siguientes: 1) Aproximación de Gerber:Se’=Se*[1-(Sav/RM)2] 2) Aproximación de Goodman:Se’=Se*[1-(Sav/RM)]Superficie de fractura en fallos por fatiga El aspecto macroscópico de la superficie de fractura en fallos por fatiga resultamuy característico. Su análisis fractográfico permite identificar el tipo de fallo. Tambiénpuede darse el caso de que existan fracturas por fatiga que no presenten estas marcascaracterísticas. 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 apreciarán dos zonas, la zonade fatiga y la zona de sobrecarga. Esta última zona es la zona de fallo final, y puede serde fractura frágil o dúctil según el tipo de material. Cuando hablamos de las marcas características nos referimos a la zona de fatiga. La superficie de fractura es siempre perpendicular a la carga máxima (la mayor delas tensiones aplicadas). Además, en su conjunto, la zona de fatiga corresponde con lafractura frágil (no hay deformación plástica importante). La zona de fractura por fatigatiene aspecto bruñido, como de pulido, debido al rozamiento entre las superficies de lagrieta. Dentro de la zona interna hay dos tipos de marcas características, como son lasmarcas de playa y las estrías. Las marcas de playa son macroscópicas. Son líneasconcéntricas 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 aplicación dela carga sobre la pieza. Las estrías son de carácter microscópico (observables medianteun microscopio electrónico 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 dúctiles como frágiles, tenemos tres etapas. La primera etapa se denomina etapa de incubación. En determinados puntos delmaterial, como consecuencia de los esfuerzos que soportan, se origina deformaciónplástica, y en su entorno acritud. Esta acritud local es en un principio positiva para elmaterial, y mientras no haya fisuración el material soporta mejor la sobretensión sinningún tipo de perjuicio. Cuando aparece una fisura en el material tenemos la zona de dañado, 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 sería mediante elempleo de ensayos no destructivos (en especial ultrasonidos o partículas magnéticas).Entonces se puede determinar la curva de dañado, que se corresponde con la curva deiniciación de las grietas (Véase figura 13). La curva de fatiga se produce cuando la grieta, que ha progresado a través delmaterial, provoca la fractura del mismo. Para una amplitud de tensión determinada, elnúmero de ciclos de fallo se define como el número de ciclos que se necesitan para iniciaruna grieta y propagarla hasta llevar a rotura al material:Nf=Ni+Nd+NFNf es el número de ciclos de fallo.Ni es el número de ciclos para que se inicie la grieta.Nd es el número de ciclos de dañado. 20
  21. 21. NF es el número de ciclos correspondiente a la fractura del material y se considera igual a0. De aquí extraemos que la segunda etapa será la etapa de dañado, que irá desdeel inicio de las grietas hasta la rotura del material, y se corresponderá con la progresión delas grietas a través del material. La ultima etapa será por tanto la etapa de rotura, y será una etapa muy rápida (secorresponde con la rotura del material). Por tanto el número de ciclos correspondiente aesta etapa será 0. Es importante conocer la etapa de dañado, ya que si podemos registrarla entoncespodremos sustituir la pieza a tiempo y evitar así un fallo en servicio, que podría tenerconsecuencias graves.Factores que afectan a la resistencia a la fatiga 1) Frecuencia de aplicación de los ciclos de carga: Se observa que hasta 10000 o 12000 ciclos por minuto la frecuencia no tieneningún efecto en el límite 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 límite de fatiga (hacen al material más resistente). 2) La temperatura: Para temperaturas por debajo del ambiente, cuanto más baja sea la temperatura,más alto será el límite de fatiga, siempre y cuando la probeta no tenga ningún tipo deentalla (concentrador de tensiones), en cuyo caso el efectos es el contrario (Véasefotocopia FAT15). A temperaturas altas, por encima de la temperatura ambiente, el valor del límite defatiga disminuye, lo que implica una menor resistencia a la fatiga de los materiales, ya quelas altas temperaturas favorecen los mecanismos de propagación de las grietas. Un caso particular es el acero al 0,17% de C. En este acero aumenta el valor dellímite de fatiga (Se) asociado a un mecanismo de endurecimiento que se hace efectivo auna temperatura que oscila entre 200ºC y 400ºC. 3) Acritud previa: Si antes de someter una probeta metálica al ensayo de fatiga inducimos unaacritud homogénea por algún mecanismo deformador, y después sometemos la probeta alensayo de tracción, ésta presentará un aumento del límite 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 probetastienen una influencia considerable en el límite 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 ellímite de fatiga (porque dichas marcas actúan como concentradores de tensiones y lasgrietas se inician en donde se concentran las tensiones). Cuanta mayor rugosidadsuperficial más bajo será el valor del límite de fatiga. Un pulido metalográfico mejorará elvalor del límite de fatiga, haciendo más resistente al material. 5) Tensiones residuales superficiales: Las tensiones residuales del material se superponen a las tensiones procedentesdel ciclo de carga que actúan sobre las fibras del material (se pueden sumar ocontrarrestar dependiendo de si el tipo de tensión residual es de tracción o decompresión). El mecanismo más efectivo para luchar contra la fatiga es inducir en la superficiedel material tensiones residuales de compresión (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 tracción. 21
  22. 22. 6) Estado superficial: Las tensiones residuales se miden por difracción de rayos X (su valor máximo esel límite elástico). Cuanta más tensión residual más ancho será el pico que muestre eldifractograma. Para que se produzca fatiga tiene que haber un valor de tensión de tracciónmáximo. Condición 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 metálicas depequeño tamaño (perdigones de 0,1 a 1 mm de diámetro), que inducen una serie detensiones superficiales de compresión (se denomina “Shot Penning”). Hay procesos de conformado que también inducen tensiones superficiales,mejorando la resistencia a la fatiga de la chapa. Tratamientos de cementación y nitruración: 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 decompresión. Un tratamiento muy negativo para la resistencia a la fatiga es la decarburización.Esto consiste en que el acero pierde átomos de carbono en su zona más externa (comoconsecuencia del conformado en caliente). Esto ablanda la superficie, disminuyendo suresistencia a la fatiga. Revestimientos metálicos superficiales: Pueden ser recubrimientos por deposición (galvanizado) o recubrimientoselectrolíticos (cromado, niquelado). Queda hidrógeno atómico ocluido en la superficie delmaterial como consecuencia de este recubrimiento. Cuando el hidrógeno se recombina enhidrógeno 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) Tamaño y orientación del grano: Resulta muy complejo de estudiar. Tamaños de grano pequeños aumentan laresistencia a la fatiga del material (teóricamente). Sin embargo experimentalmente seobtienen resultados contradictorios. 8) Efecto de los concentradores de tensiones: El efecto de los concentradores de tensiones se estudia mediante probetasentalladas, normalmente en forma de V, o también con entalla circular. Definiremos el factor de reducción a la resistencia (Kf). Sirve para evaluar laefectividad de la entalla en su acción de reducir la resistencia a la fatiga del material, y sedefine como el cociente entre Se sin entalla y Se con 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 varía con: i) La severidad de la entalla. ii) Tipo de entalla. iii) Tamaño de la probeta. iv) Nivel de tensiones. v) Tipo de material. Cuando se realizan ensayos en condiciones de inversión completa de carga (ciclosalternativos simétricos), en los que σM=0, se observan normalmente dos tendencias: a) Kf es casi siempre menor que KT. b) Kf/KT disminuye cuando aumenta KT. 22
  23. 23. Esta segunda tendencia explica cómo el concentrador de tensiones reduce ellímite de fatiga. Entallas muy agudas producen un efecto en la resistencia a la fatiga mucho menorde lo que cabría esperar. Esto se debe a la variación de KT con respecto a Kf. Secomprueba experimentalmente que hay tamaños de grieta (para grietas muy pequeñas ocríticas) que no producen nunca rotura por fatiga. Factor de sensibilidad a la entalla q=(Kf-1)/(KT-1) Definido así este factor, significa que para materiales que no presentan reduccióna la fatiga por entalla tendrán q=0 porque Kf=1. En materiales muy susceptibles al efecto de la entalla, tendremos que q=1, ya queKf=KT. Concentradores de tensiones en los materiales: Debidos al diseño de las piezastenemos las roscas o los ángulos vivos. Como concentradores de tipo metalúrgicotenemos las picaduras (marcas de corrosión), las sopladuras (bolsas de aire dentro delmaterial), las microgrietas, las interfases en una inclusión dura (aleaciones de Al) y dentrode un material blando, etc. 9) Fatiga térmica: 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 límite elástico),debido a la imposibilidad del material para dilatarse y contraerse libremente. No esnecesaria la aplicación de esfuerzos externos. Estas tensiones dependen del coeficientede dilatación térmica (α), del módulo de Young (E) y de la variación de la temperatura(ΔT):σ=α*E*ΔTcon α=k-1 Un material que se ve afectado por esta clase de fatiga es el acero inoxidableaustenítico, debido a que tiene un coeficiente de dilatación alto y además una malaconductividad térmica. 10) Understressing y overstressing: Evalúan el fenómeno de una fatiga previa del material, es decir, cómo afecta lafatiga a una probeta o una pieza cuando éstas 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 límite de fatiga (σe). A estos materiales, si los sometemos posteriormente al ensayo de fatiga, aumentaentonces su límite de fatiga, debido a que hemos endurecido al material. Si lo hacemos para una amplitud de tensión determinada, lo que conseguimos esque aumente el número de ciclos necesarios hasta romper a fatiga. Overstressing: Cuando sometemos al material a un número determinado de ciclosa un valor de amplitud por encima del límite de fatiga. Si no se han producido grietas,entonces hemos endurecido el material, por lo que al someter posteriormente al material afatiga aumentará su resistencia a la fatiga. Pero si el número de ciclos es lo suficientemente elevado como para producirgrietas, entonces al someter al material nuevamente a fatiga disminuirá su resistencia a lafatiga (el valor del límite de fatiga disminuirá). 11) Corrosión: Para un material sometido a cargas y a corrosión tenemos lo siguiente: Si el material es sometido simultáneamente a fatiga y medio corrosivo, losmateriales que presentaban un límite definido ya no lo presentan. 23
  24. 24. Si el material es sometido primero a corrosión y luego a fatiga, entonces, si elmaterial tiene límite lo va a seguir teniendo pero más bajo, y si no lo tiene definidoentonces, para el mismo número de ciclos, la amplitud de la tensión que produce fatiga esmás bajo. Esto se debe a lo siguiente: Los fenómenos de corrosión aceleran la aparición de las grietas, porque producendefectos en la superficie del material (picaduras o microgrietas de corrosión). Además, aceleran el avance de la grieta una vez formada, porque el efectocorrosivo favorece la rotura en el fondo de la grieta. La superficie de fractura correspondiente al fenómeno de fatiga-corrosión estambién muy característica.MECANISMOS DE REFUERZO DE LOS MATERIALES METÁLICOS Deformación plástica en los materiales metálicos: El proceso por el cuál seproduce deformación plástica debido al movimiento de las dislocaciones se denominadeslizamiento. Para simplificar el estudio del deslizamiento, primero lo vamos a estudiarpara un monocristal y después para un agregado cristalino. Las dislocaciones pueden ser de borde, helicoidales y mixtas. Todas ellas semueven en respuesta a una tensión de cizalladura aplicada a lo largo de un plano dedeslizamiento y una dirección de deslizamiento (que conforman un sistema dedeslizamiento). Cuando apliquemos a un material un esfuerzo de tracción o de compresión pura (ode torsión, como se muestra en la figura 14, que genera en unas fibras tracción y en otrascompresión) tienen una componente de cizalladura, que es la que permite eldesplazamiento de las dislocaciones. Esta componente de cizalladura se denominatensión de cizalladura resuelta, que va a depender: • De la tensión aplicada. • De la orientación del sistema de deslizamiento. Veamos ahora la relación existente entre la tensión uniaxial que actúa sobre uncilindro de un metal puro (monocristal) y la tensión de cizalladura resuelta producida sobreun sistema de deslizamiento (véase figura 15). La tensión debida al esfuerzo uniaxial y la tensión de cizalladura resuelta es iguala la fuerza en la dirección de deslizamiento partida por el área del plano que va a deslizar.σ=F/A0 τR=FR/A1Además: cosλ=FR/FCosφ=F/FN=A0/A1 (esta última igualdad se debe a que el ángulo que forman las normalesa dos planos es igual al ángulo que forman los dos planos).Tensión de cizalladura resueltaA1=A0/cosφ FR=F*cosλEntonces:τR=FR/A1=(F/A0)*cosλ*cosφ τR=σ*(cosλ*cosφ) Expresión que se conoce como “Ley de Schmid”, y al producto de los cosenos selo conoce también como “factor de Schmid”. En cada sistema de deslizamiento, cada plano forma ángulos distintos conrespecto a la tensión aplicada. La tensión τR será máxima para aquellos sistemas dedeslizamiento donde el producto de los cosenos sea máximo:τR(Máx)=σ*(cosλ*cosφ)Máx Al aplicar una tensión dada, el deslizamiento comenzará en aquel sistema dondeτR sea máxima (en el sistema orientado de forma más favorable) y cuando el valor de latensión de cizalladura alcance un valor crítico. Este valor crítico se conoce con el nombrede tensión de cizalladura resuelta crítica (τRC), que representa el valor mínimo de 24
  25. 25. cizalladura que se requiere para que empiece a deslizar el cristal. Es una propiedad delmaterial (depende de éste). Un cristal se empieza a deformar plásticamente cuando en el material se supera elvalor del límite elástico (σY). τRC=σY*(cosλ*cosφ)Máx λ=φ=45º cos45º=0,707 τRC=σY*(0,707)2=0,5*σY σY=2*τRC El valor de τRC mínimo para que el sistema mejor orientado empiece a deslizar esla mitad del límite elástico del material. En aquellos planos de deslizamiento paralelos al eje uniaxial tenemos que λ=0, ypor lo tanto φ=90 y cos90º=0. En aquellos planos que sean perpendiculares al eje detracción tendremos que φ=0 y que λ=90, por lo que cosλ=cos90º=0. Por lo tanto en estosplanos no existirá tensión de cizalladura ni deslizamiento. Cuando deslizan muchas dislocaciones a través de un sistema de deslizamiento,llega un momento en el que afloran a la superficie de la probeta, formando líneas bastantegruesas que se denominan bandas de deslizamiento, que es la confirmación de que lossistemas de deslizamiento se hallan activos (en los planos próximos a dichos sistemas seda este mismo fenómeno). Dependiendo de la anchura de las bandas éstas seránmacroscópicas o microscópicas (Véase figura 16). Reorientación de un cristal durante la deformación plástica: Cuando estamosdeformando un cristal según el eje de tracción, tenemos fijada la probeta a unasmordazas. El deslizamiento lateral está limitado por dichas mordazas, por lo que losplanos se ven obligados a rotar para poder mantener centrado el eje de tracción. Los planos situados en el centro de la probeta sufren una rotación pura, y losplanos situados más hacia los extremos sufren rotación y flexión (véase figura 17). La reorientación de los planos de deslizamiento como consecuencia de ese girovaría directamente con el cambio de longitud que experimenta la probeta, según lasiguiente relación.LI/L0=senx0/senxIL0 es la longitud inicial del monocristal.LI es la longitud final del monocristal.x0 es el ángulo entre el eje de aplicación de la carga y el plano de deslizamiento.xI es el ángulo que forma el plano de deslizamiento con respecto al eje de aplicación de lacarga una vez que acaba la deformación. Si tenemos un esfuerzo axial, se comprueba que los planos de deslizamiento sehan reorientado de manera que se sitúan paralelamente al eje de tracción. De igual forma, si tenemos la probeta sometida a compresión, los planos dedeslizamiento tienden a alinearse perpendiculares al eje de aplicación de la carga. Como consecuencia de esto, sistemas de deslizamiento que no eran activos alprincipio de aplicar la tensión, empiezan entonces a ser activos, ya que alcanzan el valorde tensión de cizalladura resuelta crítica suficiente para empezar a deslizar. Para un agregado policristalino (metal) formado por gran cantidad de granos, lasituación se complica debido a las siguientes causas: 1) Tenemos gran cantidad de granos orientados al azar, por lo que la dirección dedeslizamiento varía de un grano a otro. En cada grano, el movimiento de las dislocacionestiene lugar según un sistema de deslizamiento que sea el más favorablemente orientado. 2) Existen interacciones a través de los bordes de grano entre los granos que sedeforman. La integridad mecánica del material se mantiene precisamente a través de loslímites de grano (no se separan ni se deslizan). 25
  26. 26. Los límites de grano son zonas muy pequeñas, y debido a lo anterior (mantienenintegridad mecánica), cada grano individual está parcialmente constreñido a la forma quepuede asumir debido a la presencia de los límites de grano. Cuando aplicamos un esfuerzo de tracción 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 tracción, de tal manera quedebido a la cohesión entre los límites de grano, éste fuerza a que los granos contiguos,que no han empezado a deslizar, también roten, y al girar, algún sistema que en unprincipio no era activo, se sitúa en una orientación tal que se alcance el valor de la tensiónde cizalladura resuelta crítica, y por lo tanto empiece a deslizar. Aún cuando un grano esté favorablemente orientado para el deslizamiento, éste nopuede empezar a deslizar hasta que los granos adyacentes y menos favorablementeorientados sean también capaces de deslizar. Esto requiere una mayor tensión, ya quedebe conseguirse que en cada grano haya algún sistema de deslizamiento activo. Por eso el límite elástico de un material policristalino es mucho mayor que el de unmonocristal del mismo material. Si tuviésemos 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 estarán orientadas en distintas direcciones (véase figura 18). También puede darse laexistencia de más de un sistema de deslizamiento activo para un mismo grano, por lo quese observarán bandas de deslizamiento con distintas orientaciones en ese grano. La orientación de los granos cuando se aplica un esfuerzo implica que los granosse alarguen, en la dirección del eje de aplicación de la carga si el esfuerzo es de tracción,y perpendicularmente al mismo si el esfuerzo es de compresión. Debido a esto, laorientación de los granos nos permite identificar el tipo de esfuerzo al que ha sidosometido el material (véase figura 19). Hay un mecanismo de deformación plástica que no vamos a tratar, que es elmaclado. Este mecanismo es mucho menos importante que el deslizamiento. La deformación plástica de un material será más fácil cuando exista un mayornúmero de sistemas de deslizamiento, ya que es más probable que se alcance la tensiónde cizalladura resuelta crítica al orientarse el grano de una forma más rápida. Todas las técnicas de refuerzo que estudiaremos se basan en el impedimento almovimiento de las dislocaciones. De esta forma el material no se deforma plásticamente,o hace falta más tensión para deformarlo. En general, todos estos mecanismos conllevan las siguientes consecuencias enlas propiedades mecánicas: • Aumento de la dureza del material. • Aumento de la resistencia a la tracción (RM). • Aumento del límite elástico. • Disminución de la ductilidad. • Disminución de la tenacidad. Los mecanismos de refuerzo son: 1) Endurecimiento por deformación plástica en frío. 2) Endurecimiento por solución sólida sustitucional. 3) Endurecimiento por solución sólida intersticial. 4) Endurecimiento por afino o reducción del tamaño de grano. 5) Fortalecimiento por precipitación. 6) Fortalecimiento por dispersión de otras fases en la estructura. 7) Fortalecimiento por vacantes. 8) Fortalecimiento por transformación martensítica (lo estudiaremos para los aceros,pero se puede dar en otros tipos de aleaciones). 26
  27. 27. En muchos casos los materiales se endurecen por varios de estos mecanismosque actúan simultáneamente. La contribución al endurecimiento de cada mecanismo esmuy difícil de cuantificar. 1) Endurecimiento por deformación plástica en frío: Se denomina acritud (Ver DPF1, DPF2, DPF3 y DPF4). Lo que ocurre es queintroducimos dislocaciones en el material (generamos nuevas dislocaciones). La densidadde 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 existían en el material a través del mecanismo de Frank-Read. Aparte de esto, también se ponen en movimiento las dislocaciones existentes, quepara seguir moviéndose demandarán 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 dislocación existe un campo de tensiones. La dislocación de borde positiva genera tensiones de tracción en su parte inferior yde compresión en la parte superior, mientras que una dislocación de borde negativagenera compresión en la parte superior y tracción 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, quebloquean el movimiento de las dislocaciones. Otro efecto que se produce cuando hay muchas dislocaciones es que lasdislocaciones de distinto signo (especialmente las de borde) se pueden llegar a anular(este fenómeno ocurre en menor proporción). Otro efecto es que las dislocaciones se pueden quedar ancladas en obstáculos(vacantes, precipitados...) impidiendo la deformación plástica del material. Por último, una dislocación puede inmovilizarse por la acción de otrasdislocaciones (queda anclada, impidiendo el deslizamiento). En la fotocopia DPF4 tenemos la relación:We(%)=[(A0-AU)/AU]*100Con A0 área inicial de la sección transversal y AU área de la sección transversal tras ladeformación. Factores que afectan a la acritud (Véase DPF2): Hay factores tanto internos comoexternos. El grado de deformación en frío, la naturaleza del esfuerzo y la velocidad deaplicación del esfuerzo son factores externos que afectan a la acritud del material. Podemos reducir la sección del material mediante una laminación (tensión decompresión) o mediante una extrusión (compresión 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 tamaño de grano y la energía de los defectos deapilamiento (es un defecto que proviene de que una dislocación de borde se separe endos dislocaciones, y que lleva asociada mayor o menor energía dependiendo del tipo dematerial). n es un parámetro mecánico con el que cuantificamos la acritud del material (n seobtiene a partir de la ecuación de Ludwik). 4) Endurecimiento por reducción del tamaño de grano: Los materiales metálicos son agregados policristalinos formados por granos quetienen una orientación cristalográfica diferente (a pesar de tener la misma estructuracristalina). La interfase de los granos (es decir, el límite de grano), supone una barrerapara el deslizamiento de las dislocaciones, en primer lugar, porque para pasar a otrograno contiguo, la dislocación tiene que cambiar de dirección, lo cuál supone un esfuerzoadicional. El segundo motivo es que el límite de grano es una zona de gran desorden, 27
  28. 28. donde hay discontinuidad entre los planos de deslizamiento. Por esto a veces ladislocación no encuentra un camino para seguir deslizando y pasar a otro grano,quedándose entonces bloqueada en el límite de grano. Si en un límite de grano se quedan bloqueadas muchas dislocaciones, entoncesse generan núcleos o campos de retrotensión, que generan nuevos focos dedislocaciones (es decir, generan nuevas tensiones) por una serie de mecanismos. Lasnuevas dislocaciones provocan que se acumule mayor tensión, por lo que cada vez serámás difícil que las dislocaciones pasen a otro grano. Gráfica: Cuanto menor sea el grano, mayor superficie de límite de grano habrá porunidad de volumen, y más duro será el material.N=2n-1 La influencia del tamaño de grano en la resistencia del material se puedecuantificar. El límite elástico del material varía con el tamaño de grano según estarelación, donde σ0 y KY son constantes, y d es el diámetro de grano:σY=σ0+KY*d-1/2 El tamaño de grano puede disminuir con la velocidad de solidificación. Si lavelocidad de solidificación VS es elevada, el tamaño de grano será más pequeño, ya queal aumentar la velocidad de solidificación, el requerimiento de radio crítico es cada vezmenor. Otra forma de modificar el tamaño de grano es mediante deformación plásticaseguida de un tratamiento térmico.Límite de grano De ángulo grande: Son los que se ven con microscopio. Corresponden a losgranos en los que la desorientación cristalográfica es importante. De ángulo pequeño: En estos granos la desorientación cristalográfica es del ordende muy pocos grados. También se pueden observar al microscopio, pero resulta másdifícil de observar que si fuera de ángulo grande. Son muy poco efectivos para elendurecimiento. Por lo tanto el endurecimiento viene dado por los límites de grano de ángulogrande, 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 dirección (Consultar elCallister). Otros límites que se aprecian en microestructura son las maclas; defecto linealque se aprecia con el microscopio óptico, con líneas paralelas que atraviesan un grano(véase figura 20). También intervienen en el deslizamiento de las dislocaciones, ya que unmaterial maclado es mucho más resistente que un material no maclado de las mismascaracterísticas. 2) Endurecimiento por solución sólida sustitucional: En general, los metales puros son muy blandos, por lo que se suele trabajar conmateriales con impurezas o con materiales que tengan elementos de aleación. Impurezas: Átomos 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 aleación: Son elementos que se añaden a propósito al materialpara modificar alguna de sus propiedades. El efecto es prácticamente el mismo si son impurezas o elementos de aleación. Siel átomo de soluto (minoritario) es de menor tamaño que el disolvente (mayoritario),entonces se genera un campo de deformaciones de tracción a su alrededor, y si el átomode soluto es de mayor tamaño que el del disolvente, entonces el campo de deformacionesque se forma alrededor es de compresión. Estas deformaciones son de tipo elástico, yaque se puede producir recuperación elástica total (véase fotocopia de clases ERTG2). 28
  29. 29. En la misma fotocopia anterior, se observa que las dislocaciones también generancampos de deformación a su alrededor. Si es una dislocación de borde positiva (serepresentan con el semiplano extra hacia arriba), tienen entonces un campo decompresión en la parte superior del plano de deslizamiento, y un campo de tracción en laparte inferior a dicho plano. Si los átomos de soluto son mayores que los del disolvente, entonces losprimeros tienden a segregarse en torno a las dislocaciones para contrarrestar los camposde deformación de éstas y, por lo tanto, disminuir la energía del sistema, y estasegregación se produce de la siguiente manera. En nuestro caso, los átomos de solutomayores que los de disolvente tienden a ocupar la zona correspondiente a la parte inferioral plano de deslizamiento de una dislocación de borde positiva, contrarrestándose así elcampo de compresión del soluto con el campo de tracción de la dislocación. Entonces,mover la dislocación requerirá un mayor esfuerzo cuando hay átomos de soluto dediferente tamaño al del disolvente en su entorno. Si los átomos de soluto son más pequeños que los del disolvente, entoncesocuparán la zona correspondiente a la parte superior del plano de deslizamiento de lasdislocaciones, zona donde está situado el semiplano extra, contrarrestándose entonceslos campos de deformación correspondientes. 3) Endurecimiento por solución sólida intersticial: Se trata de un endurecimiento producido por la formación de atmósferas deCotrell (véase fotocopia EP6, fig. XI.20). Los átomos de soluto en una solución sólida intersticial están en los intersticios ohuecos de la red. Estos átomos siempre tienen un tamaño muy pequeño en comparacióncon los átomos del disolvente. A pesar de esto, el campo de deformación que generan a su alrededor es uncampo de compresión, que se debe a que la posición que están ocupando no es la de unátomo de la red, sino la de un intersticio o hueco, y los átomos de soluto siempre van atener un tamaño algo mayor que el del hueco que ocupan. Estos átomos de soluto intersticiales tienden a segregarse, migrar, o difundir haciazonas donde contrarresten otros campos de deformación, para poder disminuir la energíadel sistema. Los átomos intersticiales también dificultan el desplazamiento de las dislocaciones,como muestra la fotocopia XI.20. Los átomos intersticiales se encuentran en estas zonasen mayor medida que lo hacían los átomos sustitucionales, debido a que difunden muchomás fácilmente. Esta densidad de átomos intersticiales ancla la dislocación , y al conjunto de estadislocación anclada debido a la concentración de átomos de soluto, y dichos átomos desoluto, se le denomina atmósfera de Cotrell. Entonces, deformar este material en el que se han formado atmósferas de Cotrellserá mucho más difícil y requerirá un mayor esfuerzo (es decir; el material se haendurecido). El material endurecido de esta manera se dice que “ha envejecido”. Si esteenvejecimiento se ha producido a temperatura ambiente, lo denominaremosenvejecimiento natural (ya que hay que dejar tiempo suficiente para que los átomosintersticiales difundan). Si se envejece a altas temperaturas se denomina envejecimientoartificial. Se consigue acelerar el proceso de envejecimiento, disminuyendo el tiemponecesario para que éste se produzca. Los átomos intersticiales característicos en los metales son: C, N, O, H. Destacanlos átomos de N en los aceros. 29

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