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ApMat (P2)

  1. 1. MATERIALES DE INGENIERÍA (Parte 2) Julio Vergara Aimone ICM 2312
  2. 2. INTRODUCCION Seguiremos con un barrido muy general de los materiales usados en el diseño mecánico, con un énfasis en los metales, antes de revisar aspectos geométricos del diseño. Veremos cómo se producen algunos de ellos y a continuación veremos algunos de los ensayos más comunes qué se realizan para estimar su desempeño mecánico en servicio. Sin importar la forma del diseño habrá que deter- minar qué material puede ser usado. Para ello es necesario conocer las propiedades de éstos. J.Vergara ICM2312
  3. 3. INTRODUCCION Esta clase revisa algunos aspectos metalúrgicos sencillos como fundamento a lo que seguirá en el proceso de diseño mecánico. Veremos solicitaciones mecánicas básicas a los materiales y métodos de selección. Finalmente, veremos cómo algunos materiales se modifican para alcanzar un mejor rendimiento en ambientes de operación más hostíles. Esta sección se puede apoyar en el Capítulo 2 del texto Diseño de Máquinas de Robert Norton. J.Vergara ICM2312
  4. 4. MATERIALES DE INGENIERÍA Aplicación Ambiente Cargas Material T E, sy, sUTS, ef, sF, n, E+ r, KIC, $, Cp, k, a, … n Comportamiento f (si, ej,...) < sADM Desarrollo J.Vergara ICM2312
  5. 5. ATRIBUTOS DE LOS METALES Veremos algunas propiedades de metales más comunes en la ingeniería mecánica. 1 Hierros de Fundición 2 Aceros Fundidos 3 Aceros Forjados 4 Aceros de Aleación 5 Otros metales J.Vergara ICM2312
  6. 6. ATRIBUTOS DE LOS METALES Los metales son estructuras cristalinas, i.e. BCC, FCC, HCP, etc., que al solidificar desde un metal fundido va consolidando ese arreglo ordenado. Esta estructura va creciendo en forma tridimen- sional, formando un grano. J.Vergara ICM2312
  7. 7. ATRIBUTOS DE LOS METALES En el caso de ciertos materiales avanzados es posible lograr una estructura cristalinas basada en un solo cristal, lo que ofrece particulares pro- piedades de resistencia en ambientes hostiles. Álabe de turbina de alta presión fabricado a partir de un cristal fundido de la superaleación EMP102, desarrollado en conjunto por NASA-GEAE-P&W. Se enfría lento con vibración. J.Vergara ICM2312
  8. 8. ATRIBUTOS DE LOS METALES El crecimiento cesa cuando el grano se topa con los granos vecinos, lo que detiene el crecimiento y define los parámetros de resistencia. Los bor- des de grano son discontinuidades en la macro- estructura, sin orden y susceptibles de defectos. Bordes de grano con desprendi- miento. Metal puli- do y deca- pado para observar bordes. J.Vergara ICM2312
  9. 9. ATRIBUTOS DE LOS METALES El acero y los hierros de fundición son los mate- riales estructurales más comunes de la industria (más del 90% de los metales). La material prima principal, el fierro, está en la naturaleza en forma de óxido: magnetita (Fe3O4) y hematita (Fe2O3). La historia registra uso de hierro miles de años antes de Cristo, en artesanías y luego armas. Las aplicaciones son múltiples, según el contenido de carbono y de otros elementos de aleación. El acero difiere del hierro al removerse una parte del carbono, que le permite ser forjado. Otros ele- mentos de aleación mejoran sus propiedades. J.Vergara ICM2312
  10. 10. ATRIBUTOS DE LOS METALES °C Diagrama de Fase en Equilibrio de Fierro – Carbono 1800 Fed (Fe-C a DT lento) 1600 d+L L 1400 d+g g+L L+C 1200 Feg Austenita 1130°C FCC 1000 E g+C g+C 800 a+g 723°C 600 Fea PT Ferrita a+C a+C 400 BCC Perlita Ledeburita Cementita Fe3C 200 ACEROS HIERRO FUNDIDO 0 0 1 2 3 4 5 6 %C 7 Hipo Hiper Eutectoide Eutectoide J.Vergara ICM2312
  11. 11. ATRIBUTOS DE LOS METALES Los hierros de fundición son materiales de fierro de bajo costo y fáciles de formar, por su alta pro- porción de carbono (el grafito facilita el vaciado, moldeo, formado y maquinado), con mayor resis- tencia a la compresión que a la tracción y de una densidad de ~6900 kg/m3. Son difíciles de soldar y sus propiedades no son uniformes. El Módulo de Young está en un rango entre 100 y 170 Mpa, pero no es lineal. Existen cuatro tipos de fundiciones, según su resistencia a la fluencia. J.Vergara ICM2312
  12. 12. ATRIBUTOS DE LOS METALES Fundición blanca: material duro y frágil (uso en recubrimientos por su alta dureza) Fundición gris: material común, con escamas de grafito que le dan lubricidad y poco desgaste, de baja resistencia a la flexión o fatiga. Usado en ro- tores y bloques. La ASTM lo gradúa según la re- sistencia a la fluencia (140-520 MPa). Fundición maleable: mayor resistencia (350 a 830 MPa) pero pierde lubricidad. Resiste flexión. Fundición nodular: alta resistencia (480-930 MPa). Dúctil, denso y tenaz, apto para cigüeñales. J.Vergara ICM2312
  13. 13. ATRIBUTOS DE LOS METALES El acero inicia su proceso en un Alto Horno, que funde fierro, coke y caliza, con aire. El carbón coke es el combustible. La caliza apor- ta carbón y elimina la ganga (tierra). El CO es un reductor para una reacción relativamente rápida. Fe2O3 + C  Fe + CO Fe3O4 + CO  3FeO + CO2 Fe2O3 + CO  Fe + CO2 FeO + CO  Fe + CO2 CaCO3  CO2 + C + CaO CaCO3  CO2 + C + CaO El producto de un alto horno es el arrabio (94% Fe + 3-5%C, 1-4%Si, S, P, Mn). Este material se ha separado de la escoria. J.Vergara ICM2312
  14. 14. ATRIBUTOS DE LOS METALES Siderurgia del Acero J.Vergara ICM2312
  15. 15. ATRIBUTOS DE LOS METALES El arrabio se funde nuevamente, para reducir el contenido de carbono y eliminar otros elementos. Esto se realiza en un horno Siemens-Martin o en un Bessemer (ya obsoletos), en un Convertidor Básico de Oxígeno o en uno Eléctrico, agregando chatarra y/o cal y/u oxígeno. Otra forma de producir acero es directamente en un horno eléctrico, a partir de chatarras, con la adición de fundentes y materiales de aleación. En algunos países se desincentiva el alto horno. En estos casos cambia la forma de energía (C por e-). J.Vergara ICM2312
  16. 16. ATRIBUTOS DE LOS METALES Los aceros fundidos tienen mejores propiedades mecánicas que las fundiciones (resistencia de 450-1380 MPa), con menor contenido de carbono que estos. Son fáciles de conformar. Se clasifican Bajo carbono: (<0.2%) por el conte- Medio carbono: (0.2-0.5%) nido de C: Alto carbono: (>0.5%) Se clasifican Baja aleación: (<5%) según otros elementos: Alta aleación: (>5%) J.Vergara ICM2312
  17. 17. ATRIBUTOS DE LOS METALES El carbono se remueve por una reacción con O2, formando CO y CO2. Las impurezas provienen del coke o del mineral y afectan a las aleaciones. Azufre: forma sulfuro de fierro (FeS), que fragiliza el material (se deposita en bordes de grano). Un acero típico a T° no tolera impacto (fragil). FeS desplaza la transición ductil-fragil. Mn tiene más afinidad con S que Fe (forma MnS  a escoria). Fósforo: forma fosfuro de fierro (FeP), precursor de esteadita, que deposita en BG y reduce la duc- tilidad. Se remueve con CaO ( a escoria). J.Vergara ICM2312
  18. 18. ATRIBUTOS DE LOS METALES Después de removerse el carbono y las impure- zas (S, P, Si, O, etc.) se le agregan los elementos de aleación requeridos. A veces se agrega S y P de nuevo (con intención de alguna propiedad). El acero se funde nuevamente en hornos secun- darios (i.e. eléctrico y de cuchara) en los que se agregan ciertos elementos. Sigue un proceso de colada discreta o continua, según el caso, para formar lingotes, tochos (rieles, vigas, etc.), plan- chones (láminas, planchas, tubos, etc.) o palan- quillas (barras, alambrón, alambre, etc.). J.Vergara ICM2312
  19. 19. ATRIBUTOS DE LOS METALES Los aceros forjados son los que se forman mecá- nicamente, por deformación. Los productos inter- medios y finales se logran deformando el material a temperatura ambiente o a alta temperatura. El más común es el laminado (rolado) en caliente o en frío desde un lingote. Por ej. el trefilado de alambre, el embutido profundo y la extrusión. Laminado en Caliente: vigas I, ángulos, placas, tubos. Pueden requerir un tratamiento térmico. Laminado en Frio: barras, láminas y placas pasa- das a través de dados. Logra alta resistencia. J.Vergara ICM2312
  20. 20. ATRIBUTOS DE LOS METALES Terminamos con productos según las capacida- des de la planta. Se ve algo de lo que hace CAP: Alto horno Convertidor Planchones Laminado en caliente Formado de barras y alambrones Laminado en frío J.Vergara ICM2312
  21. 21. ATRIBUTOS DE LOS METALES Los aceros al carbono son numerados según la serie de una norma (ASTM, AISI, SAE). Tipo AISI/SAE Principal elemento de aleación Básico 10XX Carbono con ~0,XX % de C Libre corte 11XX Carbono reazufrado Libre corte 12XX Carbono reazufrado y reforforado J.Vergara ICM2312
  22. 22. ATRIBUTOS DE LOS METALES Los aceros aleados usan similares códigos. Ej: Tipo AISI/SAE Principal elemento de aleación Manganeso 13XX/15XX 1.75%Mn / 1-1.65%Mn Níquel 23XX/25XX 3.50%Ni / 5.00%Ni Niquel-Cromo 31XX/33XX 1.25%Ni - 0.70%Cr / 1.55%Ni - 3.50%Cr Molibdeno 40XX/44XX 0.25%Mo / 0.40% o 0.52%Mo Cromo-Molibdeno 41XX 0.95%Cr y 0.20%Mo Ni-Cr-Mo 43XX/47XX 1.82%Ni - 0.60%Cr - 0.25%Mo / más Níquel-Molibdeno 46XX/48XX 0.82% o 1.82%Ni - 0.25%Mo / 3.50%Ni Cromo 50XX/52XX 0.27% a 0.65%Cr / 0.90%Cr /1.45%Cr Cromo Vanadio 61XX 0.60% o 0.95%Cr y 0.10% a 0.15%V Más detalles en ASM.org o manuales J.Vergara ICM2312
  23. 23. PRUEBA DE MATERIALES Las propiedades mecánicas de los materiales de uso en ingeniería suelen obtenerse por medio de ensayos destructivos, bajo ciertas condiciones y geometrías estandarizadas. También sirven los ensayos no destructivos (i.e. gamagrafía). El ensayo de un material lo define un protocolo registrado por una sociedad relevante, i.e. ASTM (American Society for Testing and Materials) al cual el diseñador debe adaptar su situación. Los siguientes ensayos nos permitirán conocer el comportamiento de los materiales. J.Vergara ICM2312
  24. 24. PRUEBA DE MATERIALES Cuando se trata de ensayos de materiales hay que hacer algunas previsiones: a) El ensayo de material rara vez duplica las cargas de servicio. b) Los materiales suelen tener variaciones en sus propiedades, aunque tengan idéntica composición. El usado en la prueba puede ser distinto del utilizado en servicio. c) El costo de los ensayos debe ser tolerable y consistente a la naturaleza de la aplicación. J.Vergara ICM2312
  25. 25. PRUEBA DE MATERIALES Cuando se trata de ensayos de materiales hay que hacer algunas previsiones (cont): d) Por razones de costo, el ensayo de material más común es el ensayo de tensión uniaxial. e) En ciertos casos, por la naturaleza de una aplicación y las consecuencias de una falla (i.e. un nuevo avión), los ensayos deberán cubrir una gama de situaciones. En muchas veces se construyen equipos para pruebas específicas (ensayo de tensión biaxial, corro- sión fatiga, túnel de viento, rig multi-test, etc). J.Vergara ICM2312
  26. 26. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tensión Uniaxial Sometemos a una tracción y medimos la elongación. F F inicio de Una teoría general kE fluencia es el deslizamiento l A F de dislocaciones F F (defectos lineales) A0 que facilitan el co- A0 l0 u rrimiento de planos F cristalinos. u F=0 F=0 l0 A0 J.Vergara F ICM2312
  27. 27. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tensión Uniaxial Podemos relacionar el esfuerzo con la deformación. F F F F kE s= E A0 F F l A F F F A0 u F u u F=0 F=0 F=0 F=0 e= l0 l0 A0 J.Vergara ICM2312
  28. 28. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tensión Uniaxial El esfuerzo posibilita la falla de una pieza. La deformación define la F s= E intensidad y dirección de A0 una elongación. Valores de Valores A0·l0 = A·l = k ingeniería reales A0 A F F s= s´= A0 A l0 l e= u lf - l0 l0 = l0 d=  dl l l = ln f l0 e= u l0 J.Vergara ICM2312
  29. 29. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tensión Uniaxial Esfuerzo vs deformación s (real e ingeniería). F su s= E F F A0 l l0 + u A0 s´= = =s =s F s0.1% A A0 A l0 l0 s´= sy A A0·l0 = A·l = k s´= s (1 + e) A0 A lf - l0 l l e= = f -1  e+1 = f l0 l0 l0 l0 l d = ln(1 + e) 0.1% lf u d = ln e= l0 l0 J.Vergara ICM2312
  30. 30. PRUEBA DE MATERIALES J.Vergara ICM2312
  31. 31. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tensión Uniaxial (conceptos) s su Nomenclatura u e= Límite elástico sy y y= Punto de fluencia f se e u= Punto último f = Punto de fractura se = Resistencia elástica ee = Deformación elástica E E= Módulo de Elasticidad sy = Resistencia a la fluencia ey = Deformación de fluencia ee ey eu ef e su = Máx. resistencia a tracción eu = Deformación última Rango Rango ef = Ductilidad elástico plástico J.Vergara ICM2312
  32. 32. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tensión Uniaxial (conceptos) s su Medidas de Robustez u Resiliencia (Ue) sy y ee f se e 0  Ue = s·de ≈ se 2 ee = s e2 2E s y2 ≈ E Tenacidad (Ut) 2E eu Ue Ut Ut =  0 s·de ≈ sy + su 2 eu ee ey eu ef e Ductilidad (ef ) Rango Rango elástico plástico J.Vergara ICM2312
  33. 33. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tensión Uniaxial (conceptos) s su Criterios de Falla u Principal (en 1D): sy y f se e Falla si s > sy Otros (en 1D): E Falla si U > Ue Ue Ut Falla si U > Ut ee ey eu ef e Falla si e > ef Rango Rango elástico plástico J.Vergara ICM2312
  34. 34. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tensión (formas típicas y teóricas) Acero s templado s s s Acero con Sin punto Hierro punto de de fluencia fundido fluencia Material frágil Material dúctil Material dúctil Polímeros e e e e Endurecimiento s s s s por trabajo Elástico Rígido Elástico Rígido y Elás- plástico plástico tico-plástico e e e e J.Vergara ICM2312
  35. 35. PRUEBA DE MATERIALES Metales y aleaciones Resistencia a la Fluencia sy medio METALES CERAMICOS POLIMEROS COMPOSITOS 105 Compositos s sy y Cerámicos (crist.) Polímeros Diamante y vidrios (amorfo) medio SiC 104 sy alto sy bajo Al2O3, Si3N4 Sílica MPa Al2O3, WC TiC, MgO 103 Aleac. Acero Aleac. Co Aleac. Ti Comp iónicos BFRP CFRP Acero dulce Poliet. Resist. Concreto Ref Aleac. Al Hielo Kevlar 102 Metales PMMA Nylon Epoxicos GFRP puros com. Madera II Poliuretano Aleac. Pb 101 Metales Polietileno Madera ┴ ultra puros Espuma 100 polimérica 10-1 J.Vergara ICM2312
  36. 36. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Compresión Uniaxial Aplicación de compresión usualmente en la mismo equipo, con un cilindro de área uniforme. No da una buena curva. Ensayo de Torsión Aplicación de un giro helicoidal a una probeta, resultando a fuerza cortante tendiente a fractura o defomación. Ensayo de Flexión Aplicación de una fuerza central a una barra apoyada, que resulta en su fractura o defomación. J.Vergara ICM2312
  37. 37. PRUEBA DE MATERIALES Resultados de los Ensayos ¿? ¿? ¿? ¿? J.Vergara ICM2312
  38. 38. PRUEBA DE MATERIALES Esfuerzo Máximo de Tracción El ensayo de tensión nos da una “idea” de la resistencia al corte de cierto material (con sy). Podremos estimar el área mínima (A) o la fuerza (F) máxima a tolerar. AT (FT) sX sX Si sólo Traccionamos una se- FT cción, podemos estimar AT sX = < sADM = sy AT n mínima (sólo rango elástico): Con n = factor de seguridad FT·n que acomoda diferencias de AT ≥ sy producción e incertidumbre. J.Vergara ICM2312
  39. 39. PRUEBA DE MATERIALES Esfuerzo Máximo de Corte El ensayo de tensión nos da una “idea” de la resistencia al corte de cierto material (con sy). Podremos estimar el área mínima (A) o la fuerza (F) máxima a tolerar. AC (FC) tYX Si sólo Cortamos la sección, 1A FC podemos estimar AC mínima tYX = < tADM = ty AC n (sólo rango elástico): n = factor de seguridad. 2A s FC·n FC·2n Demostraremos que: ty ≈ y AC ≥ = 2 ty sy J.Vergara ICM2312
  40. 40. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Dureza Superficial Es el ensayo más simple y económico. Sirve especialmente para piezas que requieren dureza superficial (tolvas, palas) para resistir roce. Se realiza usando durímetros de mesa con indentador esférico, piramidal o cónico. Luego, se mide la huella y se obtiene un número. Hay varios métodos: BHN (Brinell Hardness Number) VHN (Hardness Vickers Number) RHA, RHB,... (Rockwell Hardness A,B,...) KHN (Knoop hardness Number) Otros J.Vergara ICM2312
  41. 41. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Dureza Superficial BHN (Brinell Hardness Number) D 2P BHN = 2-d2) P = kD pD(D- D d 136° VHN (Vickers Hardness Number) 136° P VHN = 1.85 2 P = carga d d J.Vergara ICM2312
  42. 42. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Dureza Superficial RHN (Rockwell Hardness Number) RHN = profundidad diferencial de carga de bola o cono. h KHN (Knoop Hardness Number) 1 KHN = 0.0025 2 k = cte. w l lk J.Vergara ICM2312
  43. 43. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Dureza Superficial Hay tablas que correlacionan los su 20 30 40 50 valores de los diferentes ensayos MPa 60 100 HRC de dureza (i.e. BHN vs KHN). 1500 HRB Lo interesante es que hay cierta Acero correlación (vía tablas y figuras) 1000 entre la dureza y la resistencia Hierro Fundido Bronce del material. 500 Este test no reemplaza el ensayo su = (3.34±0.2)·BHN BHN de tracción. 0 0 100 200 300 400 500 J.Vergara ICM2312
  44. 44. PRUEBA DE MATERIALES Factor de Concentración de Esfuerzo En diseño, conviene revisar si hay factores que magnifican el esfuerzo, para adecuar la geometría y los materiales. s C. Inglis (Arquitecto Naval) observó cierto comportamiento: Dúctil r s D Con Sin s Hendidura Frágil Hendidura s d s e J.Vergara ICM2312
  45. 45. PRUEBA DE MATERIALES Factor de Concentración de Esfuerzo En diseño, conviene revisar si hay factores que magnifican el esfuerzo, para adecuar la geometría y los materiales. sMAX Aparte de n, se usa un Kt = s = f (d, D, r) NOM Factor de Concentración de Esfuerzo Elástico (Kt) si hubiera una hendidu- D/d d r ra, la que puede estimar- Kt D se de la forma del defec- to o vía tablas y figuras. r/D J.Vergara ICM2312
  46. 46. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tenacidad El ensayo determina la capacidad de absorción de energía de una material. 10 mm 10 mm Charpy Izod 10 mm Mide la altura a la cual llega el péndulo después del golpe. Tipos de probetas: Charpy y Izod (i.e. V). Permiten evaluar esta capacidad a bajas temperaturas. J.Vergara ICM2312
  47. 47. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tenacidad Ensayos a distintas temperaturas muestran una 79 -59 -12 4 16 24 transición dúctil-frágil (típica del acero). J Energía Absorbida 200 0.10 %C NDTT= f(perlita, tamaño de grano, impurezas) 0.20 %C 100 0.40 %C 0.60 %C 0.69 %C 0 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 °C J.Vergara ICM2312
  48. 48. PRUEBA DE MATERIALES Ensayo de Tenacidad Forma típica de ensayo de tenacidad de distintos materiales, que se traslada  con más defectos y viceversa. J Energía Absorbida Acero  Aleaciones de Carbono Níquel Acero Inoxidable Acero  Aleaciones Carbono de Carbono -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 °C J.Vergara ICM2312
  49. 49. PRUEBA DE MATERIALES Ensayos de Fractura y fatiga Dos modos de falla relevantes, fractura y fatiga, que dan dolores de cabeza a los ingenieros y analistas, usualmente agravados por la influencia del ambiente de operación, requieren diseñar ensayos específicos para determinar la susceptibilidad de los materiales a estos. En la próxima clase veremos en detalle estos mo- dos, y las probetas típicas que se utilizan para la determinacíón de propiedades. Usualmente usan los mismos artefactos que prueban la resistencia mecánica estática, con actuadores dinámicos. J.Vergara ICM2312
  50. 50. PRUEBA DE MATERIALES Otros Ensayos neutrografía Además, hay ensayos no destructivos (portátiles), para verificar ausencia de defectos macroscópicos. Entre otros, destaca la gamagrafía (defectos en sol- dadura), ultrasonido (mide espesores), partículas magnéticas, tintas penetran- tes. La neutrografía es menos portable. Además, se usan microscopios (SEM- TEM) para conocer la estructura crista- lina, la morfología y espectro químico. SEM J.Vergara ICM2312
  51. 51. SELECCION DE MATERIALES Módulo vs Densidad E0.5 = cte r E = cte r J.Vergara ICM2312
  52. 52. SELECCION DE MATERIALES Resistencia vs Densidad http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/ J.Vergara ICM2312
  53. 53. SELECCION DE MATERIALES Módulo vs Costo http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/ J.Vergara ICM2312
  54. 54. SELECCION DE MATERIALES Resistencia vs Tenacidad http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/ J.Vergara ICM2312
  55. 55. SELECCION DE MATERIALES Resistencia vs Costo http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/ J.Vergara ICM2312
  56. 56. SELECCION DE MATERIALES Rigidez Específica vs Resistencia Específica J.Vergara ICM2312
  57. 57. SELECCION DE MATERIALES Resistencia vs Elongación http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/ J.Vergara ICM2312
  58. 58. SELECCION DE MATERIALES Resistencia vs Máxima Temperatura de Operación J.Vergara ICM2312
  59. 59. SELECCION DE MATERIALES Reciclabilidad vs Costo J.Vergara ICM2312
  60. 60. SELECCION DE MATERIALES Contenido Energético vs Costo J.Vergara ICM2312
  61. 61. OPTIMIZACIÓN DE METALES Produjimos arrabio, hierro fundido o acero y lo llevamos a una forma final con algún proceso de formado (laminado, fundición, maquinado, etc.). Luego probamos el desempeño de la pieza con algún dispositivo de ensayo, elegidos según la madurez del proceso y la relevancia del material en el desempeño del producto final. Suponemos que queremos refinar la estructura morfológica para ajustar o mejorar las propieda- des mecánicas. Eventualmente debemos desa- rrollar una aleación más compleja. J.Vergara ICM2312
  62. 62. OPTIMIZACIÓN DE METALES La resistencia de estos materiales se controla por diferentes mecanismos. La teoría que subyace es la de oposición al deslizamiento de dislocaciones (defectos lineales). Las dislocaciones permiten la deformación “plástica”. Cuando éstas se traban, cesa esa deformación y el material resiste más. a) Endurecimiento por deformación; Métodos para b) Reducción del tamaño de grano; detener/trabar c) Formación de martensita; dislocaciones d) Endurecimiento por solución sólida; e) Endurecimiento por precipitación. J.Vergara ICM2312
  63. 63. OPTIMIZACIÓN DE METALES Una forma de lograr más resistencia es mediante procesos de forja. Las opciones son el Laminado en caliente (vigas, ángulos, tubos, etc.) y el Lami- nado en frío (barras, láminas y placas, etc.). Posiblemente los productos que han sido forma- dos en caliente requerirán un tratamiento térmico para reducir el tamaño de grano. Asimismo, los que han sido formados en frío po- siblemente requerirán algún tratamiento térmico para reducir los esfuerzos residuales y corregir alguna distorsión. J.Vergara ICM2312
  64. 64. OPTIMIZACIÓN DE METALES Terminado el proceso de formado (y a veces pre- mecanizados) los aceros suelen ser tratados tér- micamente, para controlar el tamaño de grano, y así asegurar una resistencia y dureza deseadas. Este tratamiento es más efectivo para un acero hiper-eutectoide, con suficiente carbono. Consis- te en llevar la forma a la condi- ción de austenita (Feg), dejarla por un tiempo y enfriarla con agua o aceite (templado). Con esto se forma una estructura diferente, la Martensita (BCT). J.Vergara ICM2312
  65. 65. OPTIMIZACIÓN DE METALES °C Diagrama de Fase 1800 Fed (Fe-C a DT lento - equilibrio) 1600 d+L L 1400 d+g g g+L g 1200 Feg Austenita FCC 1000 g+C g g 800 a+g Fea 600 Ferrita PT a+C BCC Perlita 400 200 ACEROS 0 0 1 2 3 4 J.Vergara ICM2312
  66. 66. OPTIMIZACIÓN DE METALES La Martensita es una estructura filamentosa que no se logra en equilibrio, la que se hace mediante una pequeña trampa microestructural. Si el material se enfría lentamente (en un horno, en forma controlada), se formaría Perlita (Fea + cementita). Si se enfría a un ritmo intermedio se produce bainita (una perlita más fina). Normalmente requiere un revenido para lograr una mayor ductilidad vía control de tamaño de grano (aunque puede reducir la resistencia). J.Vergara ICM2312
  67. 67. OPTIMIZACIÓN DE METALES °C Diagrama Transformación de Fase 900 Feg (Fe-C) 800 T° Peritectoide Fea Feg 700 Perlita gruesa 600 500 Perlita fina Feg 500 Bainita Ms 300 Ms Templados 200 Ms50 Fe3C Ms90 100 Revenido Tiempo (s) 0 10-1 100 101 102 103 104 105 106 J.Vergara ICM2312
  68. 68. OPTIMIZACIÓN DE METALES El dilema de ingeniero metalúrgico es lograr el mayor valor de sy y Ut o ef. Al reducir el tamaño de grano normalmente logra ambas mejoras. El endurecimiento por solución sólida o por pre- cipitación implica agregar elementos de aleación para restringir la movilidad de las dislocaciones. Las aleaciones tienen amplias aplicaciones. Los elementos de aleación persiguen mejorar varias propiedades al unísono (i.e. resistencia, dureza, tenacidad, maquinabilidad, ductilidad, protección del entorno, etc.) y suelen desplazar la curva TTT. J.Vergara ICM2312
  69. 69. OPTIMIZACIÓN DE METALES J.Vergara ICM2312
  70. 70. OPTIMIZACIÓN DE METALES Los aceros se pueden recubrir para suplir o mejo- rar su resistencia a la corrosión, la dureza super- ficial y la resistencia al desgaste, abriendo otras aplicaciones con notable desempeño. El recubrimiento superficial más común es la pin- tura, en una amplia gama de variedades poliméri- cas y cerámicos (esmaltes). Otros comunes son el galvanizado (torres AT) y el cromado (cilindros hidráulicos). Otros más sofisticados son las elec- trochapas y la deposición de vapores metálicos o cerámicos. Si no logra el efecto se recurre a altas aleaciones y metales de alto desempeño y costo. J.Vergara ICM2312
  71. 71. OPTIMIZACIÓN DE METALES Ejemplo: La fabricación de una vasija de presión de un reactor PWR. Las más antiguas se fabricaban por planchones (40 cm) rolados y curva- dos que se soldaban. Hoy se evitan las soldaduras axiales. El cilindro central se forja y suelda circunferen- cialmente por métodos de baño fun- dido con el domo inferior. La tapa se suelda al flange superior. La superfi- cie interior se cubre con acero inox. J.Vergara ICM2312
  72. 72. OPTIMIZACIÓN DE METALES Ejemplo: La fabricación de una vasija para PWR: Colada Preparación Lingote Formación cilindro Tratamiento térmico Maquinado grueso Maquinado fino Envainado Domo inferior Perforación Toberas Soldadura Toberas Toberas y domos Flange Apertura CRDM Soldadura CRDM Hidrotest J.Vergara ICM2312
  73. 73. OPTIMIZACIÓN DE METALES Ejemplo: La fabricación de una vasija para PWR: Colada Preparación Lingote Formación cilindro Tratamiento térmico Maquinado grueso Maquinado fino Envainado Domo inferior Perforación Toberas Soldadura Toberas Preparación para envío Envío Toberas y domos Flange Apertura CRDM Soldadura CRDM Hidrotest J.Vergara ICM2312
  74. 74. OPTIMIZACIÓN DE METALES Se mejora la resistencia al entorno usando aceros inoxidables que incluyen 10+%Cr y 0.2–%C. En cier- tos casos también son susceptibles. Hay 4 tipos: Martensítico (12-15%Cr y 0.2 a 1,2%C) Series 400. Principal uso en cuchillería. Poco soldable. Ferrítico (16%Cr y bajo C) Series 400. Magnético, no apto para tratamiento térmico. Uso en Cocina. Austenítico (17-25%Cr y 10-20%Ni) Series 300. No magnético, dúctil a bajas temperaturas, soldable. Endurecido por Precipitación. Series PH. Ofrecen alta resistencia a la temperatura y la corrosión. J.Vergara ICM2312
  75. 75. OPTIMIZACIÓN DE METALES El aluminio es de baja densidad (1/3 del acero) y buena relación de resistencia a peso, su módulo es 70 GPa (~1/3 del acero), es dúctil, maquinable, de fácil formabilidad. Puede fundirse y soldarse frío y caliente, es fácil forjarlo (i.e. extruirlo). Es brillante y se autoprotege de la oxidación median- te una capa de óxido, aunque se puede anodizar. El uso de aleaciones de aluminio es común (más raro es el uso puro) en aeronaves, automóviles y lanchas, logrando desempeños comparables al del acero (razón resistencia / densidad). Su mejor de-sempeño es a temperatura ambiente. J.Vergara ICM2312
  76. 76. OPTIMIZACIÓN DE METALES El titanio tiene la mitad de la densidad y una resis- tencia comparable y un módulo 60% de un acero medio con tolerancia hasta 750°C. Su resistencia específica (s/r) es comparable o mayor al acero y exhibe resistencia a la corrosión y a la fatiga. La rigidez específica (E/r) es mejor para deflexiones limitadas y no es magnético. Sus aplicaciones son restringidas por su elevado costo, usualmente asociado a la industria aeroes- pacial en gran escala y a la industria médica en la escala reducida (prótesis). Se usa en aleaciones, siendo una común el Ti-6Al-4V. J.Vergara ICM2312
  77. 77. OPTIMIZACIÓN DE METALES Las superaleaciones son aleaciones de Fe, Co o Ni aptas para altas temperaturas (0.7TM), enfati- zando la resistencia al creep y oxidación. Las superaleaciones de Ni son más aptas para las aplicaciones aeroespaciales. Los solutos son Al y/o Ti inferior al 10%, que generan fases g y g´, fi- nos precipitados que elevan la resistencia. Estos y otros solutos generan fases microdisper- sas que refinan la estructura y producen desem- peños excepcionales, mejorando varias propieda- des al mismo tiempo. J.Vergara ICM2312
  78. 78. OPTIMIZACIÓN DE METALES Aleación Otros J.Vergara ICM2312
  79. 79. CONCLUSIONES Completamos un barrido general de las diferentes clases de materiales usados en diseño mecánico, con un leve énfasis en los metales, para pronto pasar a los aspectos geométricos del diseño. Vimos cómo se producen y ensayan para estimar su desempeño mecánico en servicio. Revisamos aplicaciones de materiales simples y avanzados, que se desempeñan en ambientes hostiles. Asimismo, vimos mapas de materiales de diferen- tes clases que nos permiten seleccionarlos, con- trastándolos según pares de variables. J.Vergara ICM2312
  80. 80. CONCLUSIONES En la siguiente clase veremos algunos problemas adicionales que se refieren al desempeño de los materiales en sus sistemas mecánicos. Analiza- remos algunos tipos de falla. En especial revisaremos elementos de fractura y cómo inciden en la capacidad de un material para sobrevivir en presencia de defectos (es raro un material que no tiene o no incuba algún defecto micro o macroscópico). Asimismo, veremos as- pectos de fatiga, una situación que comunmente se impone a los componentes estructurales. J.Vergara ICM2312

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