Ipiales Italo_esfuerzo_vs_deformacion.docx

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Tema:

Análisis de los diagramas esfuerzo vs deformación de los aceros inoxidables austeniticos AISI 304 Carrera de Ingeniería Industrial en Procesos de Automatización

Ciclo Académico y Paralelo: Alumnos participantes: Módulo y Docente: Fecha:

Quinto Industrial Ipiales Martinez Italo Ramiro Resistencia de los Materiales Ing. Fernando Urrutia. 31 de octubre de 2017

ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxidables son aleaciones base hierro con un alto porcentaje en cromo, que presentan otros elementos tales como níquel, molibdeno y manganeso. Por su parte, los aceros inoxidables austeniticos AISI 304 son aceros muy usados actualmente en la industria, ya sea por su excelente resistencia a la corrosión o por su facilidad en ser conformados, por lo tanto el aprovechamiento y mejora de las propiedades mecánicas de estos materiales amplían su uso comercial[ CITATION Die04 \l 1033 ]. Además conservan un aspecto brillante e inalterable en la mayoría de las condiciones normales de servicio. Los aceros inoxidables se clasifican generalmente en tres grupos:  martensíticos,  ferríticos.  austeniticos. El acero inoxidable austenítico posee la estructura de la austenita a temperatura ambiente y es estable sobre los 910ºC. ENSAYO DE TRACCIÓN El ensayo de tracción consiste en someter a carga axial a una probeta estandarizada del material a estudiar. La carga incrementa continuamente de tal forma que la velocidad de deformación sea constante. La probeta es sometida a carga hasta que se produce la fractura de la misma. Durante el desarrollo del ensayo se registran, en un equipo que grafica en las coordenadas cartesianas, las cargas y la elongación de la probeta que se produce durante el ensayo. El procedimiento del ensayo consiste en:  Limpiar la superficie de la probeta a ensayar con el fin de eliminar en lo posible óxidos o residuos que puedan afectar las propiedades del material.  Se coloca la probeta en la máquina de tracción de manera tal que el eje de dicha muestra coincida con los de las mordazas de la máquina.  Se aplica la carga, la cual se aumenta progresivamente hasta que ocurre la rotura de la muestra de ensayo. Al mismo tiempo se obtiene una curva trazada por la máquina de tracción donde el eje de las ordenadas representa la carga y el eje de las abscisas el alargamiento o deformación sufrida por la muestra de ensayo. La velocidad de aplicación de la fuerza se regula por la máquina de tracción en base a datos preestablecidos por la computadora que controla el ensayo[ CITATION Die04 \l 1033 ]. GRÁFICOS OBTENIDOS MEDIANTE EL ENSAYO DE TRACCIÓN Se muestra una gráfica carga-elongación de un material, como se puede ver a medida que el material es deformado, la carga necesaria para continuar la deformación incrementa en una

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primera parte de manera lineal, motivo por el cual se puede decir que el esfuerzo es proporcional a la deformación uniaxial; cuando esto ocurre se dice que el material es linealmente elástico. Este hecho se conoce como Ley de Hooke, y matemáticamente se expresa[ CITATION Rod08 \l 1033 ].

σ =E*ε Donde:   

σ: esfuerzo E: constante de proporcionalidad (módulo de elasticidad o módulo de Young). ε: deformación

Fig. 1: Curva obtenida a partir del ensayo de tracción.

En los aceros, el límite superior del esfuerzo en esta relación lineal se llama límite proporcional. Si el esfuerzo excede en un poco este límite, el material puede todavía responder elásticamente, sin embargo la curva tiende a aplanarse causando un incremento mayor de la deformación unitaria con el correspondiente incremento del esfuerzo. La fluencia ocurre cuando el material se deforma permanentemente. Se distinguen dos valores para el punto de fluencia:  El punto superior de fluencia ocurre primero seguido por una disminución súbita en la capacidad de soportar carga hasta un punto inferior de fluencia.  Una vez alcanzado el punto inferior de fluencia la muestra seguirá alargándose sin ningún incremento de carga. Cuando el material está en este estado se suele decir que es perfectamente plástico.  Una vez terminado la fluencia es posible aplicarle más carga a la probeta 



originando una curva que llega hasta la carga máxima. Luego de haberse alcanzado la carga máxima, el área de la sección transversal comienza a disminuir en una zona localizada de la probeta debido a los planos de deslizamiento que se forman dentro del material, y las deformaciones producidas son causadas por esfuerzos cortantes. Como consecuencia tiende a desarrollarse una estricción o cuello a medida que el espécimen se alarga cada vez más. En esta región del diagrama la curva tiende a descender hasta que la probeta se rompe en el punto del esfuerzo de fractura[ CITATION Rod08 \l 1033 ],

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CURVA DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN INGENIERIL: Los datos que registra la computadora mientras se realiza el ensayo de tracción son una curva que relaciona carga vs elongación, al presentar los datos de esa manera sólo se describe el comportamiento del material con una sección transversal específica. CURVA DE ESFUERZO-DEFORMACIÓN VERDADERA O REAL:

Esta curva es similar a la curva ingenieril con la diferencia que la reducción del área transversal es tomada en cuenta, por lo tanto representa el comportamiento real de los valores de esfuerzos y deformación de la probeta durante el ensayo de tracción. La curva de esfuerzo-deformación ingenieril no proporciona una idea real del comportamiento del material en lo que respecta al endurecimiento que ocurre a medida que se deforma. Esto se debe a que tanto el esfuerzo como la deformación ingenieril, están basados en el área inicial de la probeta, cuando en realidad lo que sucede es que a medida que se deforma la misma, el área de sección de prueba que soporta la carga aplicada durante el ensayo disminuye continuamente[ CITATION Coe10 \l 1033 ].

Fig. 2: Diferencia entre las Curvas Esfuerzo-Deformación, Ingenieril y Real

PROPIEDADES MECÁNICAS A PARTIR DEL ENSAYO DE TRACCIÓN Las propiedades mecánicas describen la forma en que el material responde a una fuerza aplicada, dentro de ellas se definen las resistencias y la ductilidad del material.  La resistencia a la fluencia (Sy) se define como el máximo esfuerzo que se puede aplicar durante el ensayo de tracción, sin que se produzca más que una deformación plástica pequeña previamente especificada  La resistencia a la tracción (Su) se define como el máximo esfuerzo que puede soportar la probeta durante el ensayo de tracción.  El porcentaje de reducción de área tiene una relación directa con la ductilidad del material.  Longitud calibrada (l0): es la distancia entre dos puntos marcados sobre la probeta, en relación a la cual se calculará el alargamiento de rotura.  Alargamiento: es la deformación de un material. Puede ser elástico ó plástico y se expresa

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en centímetros de deformación por cada centímetro de longitud original, ó en porcentaje de la longitud original.  Alargamiento de rotura: es la relación entre el incremento de la longitud calibrada (dl 0) luego de ser sometida a la aplicación de una carga hasta el momento de rotura y la longitud original de la zona calibrada, expresada en porcentaje.  Límite elástico: es el esfuerzo máximo, que al dejar de actuar no produce deformaciones permanentes en el material. Se usa en aquellos materiales cuyo límite elástico en la curva carga- deformación, no está bien definido.  Límite elástico convencional: es el esfuerzo correspondiente a una pequeña deformación plástica especificada, generalmente es el 0,2 % de la longitud calibrada de la probeta y se obtiene trazando una paralela al rango de la curva esfuerzo-deformación que reportan una línea recta.  Ductilidad: es la cantidad de deformación plástica en el punto de ruptura, y su valor podrá expresarse como elongación o alargamiento, en las mismas unidades. Otra medida de la ductilidad es la reducción del área en el punto de ruptura o (estricción). Los materiales con alta ductilidad presentan una gran reducción de sección transversal antes de fallar.  Esfuerzo: es la fuerza por unidad de área y se expresa en unidades de presión, y se calcula simplemente dividiendo la fuerza total entre el área transversal.  Esfuerzo de rotura: es el valor que resulta al dividir la carga aplicada en el momento de rotura entre el área transversal original de la probeta.  Área de estricción (q): es la relación existente entre la disminución del área de la sección transversal de la probeta hasta fractura y el área de la sección transversal antes del ensayo, expresada en porcentaje.  Límite de proporcionalidad: es el punto a partir del cual, la proporcionalidad lineal existente entre la deformación y los esfuerzos aplicados no se presenta.  Deformación plástica: es la que se da permanentemente a un material por un esfuerzo que excede el límite elástico. Es el resultado de un desplazamiento permanente de los átomos dentro del material, por lo tanto, difiere de la deformación elástica, en donde los mismos vecinos atómicos se conservan[ CITATION Coe10 \l 1033 ]. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO DE TRACCIÓN Antes de traccionar las probetas se marcaron la longitud de prueba y se midió su geometría, reportando tres valores, tanto para el área transversal dentro de la zona demarcada como para la misma longitud de prueba.  Una vez registradas las geometrías de las muestras se colocaron en las mordazas para probetas planas de la máquina de tracción MTS de 25 toneladas, ajustando las mordazas para evitar el deslizamiento.  Luego, a cada una de las probetas se le colocó un extensómetro con una abertura inicial de 50mm aproximadamente que estaba previamente conectado a la máquina de tracción para registrar la elongación del acero.  Llegado a este punto, se procedió a traccionar a una velocidad de 5mm/min. En cada ensayo entre fluencia y carga máxima, se realizaron entre 6 y 8 paradas en elongación manteniendo la carga, reportando el área transversal menor dentro de la longitud de prueba, una vez alcanzado carga máxima, se continuó el estiramiento de las probetas sin paradas hasta fractura.  El ensayo se realizó bajo condiciones normales de temperatura y presión (25ºC y 1atm )

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Fig. 4: El equipo de tracción utilizado

Al comparar los valores de la composición del material utilizado y la nominal especificada por la ASM (5), se aprecia que todos los valores obtenidos de la composición se encuentran dentro de los intervalos aceptados[ CITATION Coe10 \l 1033 ]. Tabla 1: Tabla comparativa entre la composición del acero inoxidable AISI 304 utilizado y el valor reportado por la ASM(5) ELEMENT O

(%) EXPERIMENTAL

(%) ASM

C

0,065

0,08

Cr

18,02

18-20

Ni

8,18

8-10,5

Mn

1,34

2 MAX

Si

0,494

1MAX

P

0,045

0,045 MAX

S

0,001

0,03 MAX

El carbono es un elemento estabilizador de la austenita, que mejora las propiedades mecánicas (aumenta la resistencia) del acero. Sin embargo, cuando posee contenidos más bajos mejora la posibilidad de ser soldado y evita la formación de carburos de cromo que promueven la corrosión intergranular. Por otro lado, dentro de las especificaciones de los aceros austeniticos tipo 300 existe el acero AISI 304L, que en general contiene la misma composición del 304 con la diferencia que posee un contenido de carbono menor. El porcentaje de carbono especificado para el 304L es de 0,03% lo que comparado con 0,065%, del material en estado de entrega, implica una variación del 116% por encima del aceptado por la ASM. Esto quiere decir, que según las especificaciones de la ASM, la composición obtenida se refiere a un acero inoxidable AISI 304. CONCLUSIONES Para un acero inoxidable austenítico AISI 304 laminado en caliente entre 750ºC y 1150ºC, a deformaciones efectivas iguales a 0,18 y 040, se puede concluir lo siguiente: 1.- El aumento del grado de deformación aplicado al laminado, aumenta las resistencias tanto de fluencia como máxima, mientras que Fig. 3: Las mordazas que sujetan la probeta y la disminuye la ductilidad. colocación del extensómetro 2.- El incremento en la temperatura del

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metal al momento del conformado, disminuye la resistencia tanto a fluencia como máxima, sin embargo aumenta la ductilidad. 3.- A mayor temperatura del metal al momento del conformado, mayor es el exponente de endurecimiento (m). 4.- A mayor grado de deformación menor es el exponente de endurecimiento (m). 5.- No se obtuvo una clara tendencia del coeficiente de endurecimiento en función de la temperatura y grado de deformación 6.- Las resistencias obtenidas de las probetas “control”, resultaron menores con respecto a las probetas deformadas. BIBLIOGRAFIA [1] D. Paez, «Tesis,» Octubre 2004. [En línea]. Available: http://159.90.80.55/tesis/000097540. pdf. [2] R. D. Benedetto, «Estudio y Ensayo,» 2008. [En línea]. Available: https://estudioyensayo.fi les.wordpress.com/2008/11/aceros-inoxidable.pdf. [3] J. Coello, V. Miguel y A. Martinez, «Análisis de la deformabilidad del acero inoxidable AI SI 304 DDQ en condiciones multiaxiales de embutición. Evaluación de la influencia de la acritud inicial,» Metalurgia, vol. 5, nº 46, 2010.