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TEMA 2 COMPORTAMIENTO MECÁNICO, ENSAYOS Y PROPIEDADES DE MANUFACTURA DE LOS MATERIALES INTRODUCCION. - Hoy en día existe una extensa variedad de materiales metálicos y no metálicos que tienen un rango de propiedades igualmente amplio. Los materiales poco a poco van sufriendo cambios nuevos, de alteración con diferentes procesos ya sea para mejorar sus propiedades y así satisfacer un poco más la exigencia del producto. En la siguiente tabla observamos de forma descendente las propiedades mecánicas relativas de los materiales. Resistencia Fibras de vidrio Fibras de grafito Fibras de kevlar Carburos Molibdeno Aceros Tantalio Titanio Cobre Termofijos Termoplásticos Termoplásticos Plomo

Dureza Diamante Nitruro cúbico Carburos Aceros Titanio Hierros Cobre Termofijos Magnesio Termoplásticos Estaño Plomo

Tenacidad Metales Plásticos Termoplásticos Madera Termofijos Cerámicas Vidrio

Rigidez Diamante Carburos Tungsteno Acero Cobre Titanio Aluminio Cerámicas Plásticos Madera Termofijos Termoplásticos Hules

Resistencia/densida Plásticos Titanio Acero Aluminio Magnesio Berilio Cobre Tantalio

TENSION. – Es el más común para determinar propiedades mecánicas de los materiales, como ser: resistencia, ductilidad, tenacidad, módulos elásticos y capacidad de endurecimiento por deformación.

l Fractura

Longitud calibrada Original, lo

Se requiere la preparación de un espécimen de Prueba como observamos en la figura, Aunque la mayoría De los especímenes de ensayo de tensión son sólidos y redondos, también pueden ser planos o tubulares. En la figura que observamos se

CURVAS ESFUERZO-DEFORMACIÓN. – Los materiales sufren deformación debido al esfuerzo aplicado, el esfuerzo ingenieril (esfuerzo nominal) se define como la relación de la carga aplicada (P) al área transversal original (Ao) del espécimen: Esfuerzo ingenieril, σ = P/Ao

Curva típica esfuerzo-deformación obtenida de un ensayo de tensión, que muestra varias características.

La deformación ingenieril se define como: Deformación ingenieril, e = (l – lo)/lo L es la longitud instantánea del espécimen lo cual sufre una deformación permanente. En el caso de los materiales blandos y dúctiles, puede no ser fácil ubicar con exactitud dónde ocurre la fluencia sobre la curva esfuerzo-deformación, pues la pendiente de la porción recta (elástica) de la curva comienza a disminuir lentamente. Por lo tanto, Y suele definirse como el punto sobre la curva esfuerzo-deformación que se desplaza por una deformación de 0.002 o 0.2% de elongación. Al esfuerzo de ingeniería en el punto de fractura se le conoce como esfuerzo de ruptura o de fractura. La relación de esfuerzo a deformación en la región elástica es el módulo de elasticidad (E) o módulo de Young. E = σ/e El módulo de elasticidad es fundamentalmente una medida de la pendiente de la porción elástica de la curva, y en consecuencia, de la rigidez del material. Cuanto mayor sea el valor de E, mayor será la carga requerida para alargar el espécimen en la misma medida y, por lo tanto, más rígido será el material.

DUCTILIDAD. – Es la medida de la deformación plástica que sufre el material antes de romperse. Existen dos medidas comunes de ductilidad. La primera es el alargamiento total del espécimen:

ESFUERZO REAL Y DEFORMACIÓN REAL. - El esfuerzo ingenieril se basa en el área transversal original Ao del espécimen, el cual va cambiando el área transversal del espécimen, de esta forma el esfuerzo ingenieril no representa el esfuerzo verdadero al que se somete el espécimen. El esfuerzo real se define como la relación de la carga (P) al área transversal real (A) —instantánea, y por lo tanto verdadera— del espécimen. σ = P/A Para obtener la deformación real, primero se considera que el alargamiento del espécimen consiste en incrementos de cambio instantáneo de su longitud, realizando el cálculo se demuestra que la deformación real se calcula como:

Las deformaciones reales son consistentes con los fenómenos físicos reales en la deformación de los materiales. Es obvio que la deformación real describe de modo correcto la medida de la deformación, ya que, de hecho, ésta es infinita.

CONSTRUCCIÓN DE LAS CURVAS ESFUERZO-DEFORMACIÓN. - El procedimiento para construir una curva esfuerzo-deformación ingenieril consiste en tomar la curva carga-alargamiento y dividir después la carga (eje vertical) entre el área transversal original (Ao) y el alargamiento (eje horizontal) entre la longitud medida original (lo). Debido a que estas dos cantidades se dividen entre constantes, la curva esfuerzodeformación de ingeniería obtenida tiene la misma forma que la curva carga-alargamiento. El proceso para la curva esfuerzo- deformación real es similar, dividiendo la carga entre el área transversal instantánea, para obtener la deformación real. Este estado da valores de esfuerzo mayores que el esfuerzo real verdadero; de ahí que, para compensar, la curva debe corregirse hacia abajo. La curva esfuerzo-deformación real se puede representar por la ecuación: σ = K ℇ^n En donde K se conoce como coeficiente de resistencia y n como exponente de endurecimiento por deformación, existe una tabla de valores de los mismos para varios metales. Cuanto mayor sea la pendiente, mayor será la capacidad de endurecimiento por deformación del material: esto es, se vuelve más fuerte y duro al deformarse.

DEFORMACIÓN EN LA FORMACIÓN DE CUELLO EN UN ENSAYO DE TENSIÓN. - El inicio de la formación de cuello en un espécimen de ensayo de tensión corresponde a la resistencia máxima a la tensión del material. El espécimen no puede soportar la carga porque el área de la sección transversal de la formación de cuello se vuelve más pequeña a una velocidad mayor que la del material que se vuelve más fuerte (se endurece por deformación). La deformación real al inicio de la formación de cuello es numéricamente igual al exponente de endurecimiento por deformación (n) del material. Por ello, cuanto mayor sea el valor de n, mayor será la

deformación que puede experimentar una pieza de material uniformemente antes de que comience el cuello.

EFECTOS DE LA TEMPERATURA. – Incrementar la temperatura tienes los efectos siguientes: -Eleva la ductilidad y la tenacidad - Reduce el esfuerzo de fluencia y el módulo de elasticidad. En la gráfica observamos Efectos característicos de la temperatura en las curvas esfuerzo-deformación.

EFECTOS DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN. – Podemos dar forma a un material en un proceso de manufactura a distintas velocidades. Algunas máquinas, como las prensas hidráulicas, forman materiales a bajas velocidades; otras, como las prensas mecánicas, lo hacen a alta velocidad. Para simular tales diferencias, el espécimen de prueba se puede deformar a una velocidad que corresponda a la que experimentará el metal en el proceso real de manufactura. La velocidad de alargamiento (por unidad de tiempo) se define como la velocidad a la que se efectúa el ensayo de tensión en unidades de, digamos, m/s o ft/min. Por otro lado, la velocidad de deformación es una función de la longitud del espécimen. La relación está dada por la ecuación: σ = C * ℇ^m Donde C es el coeficiente de resistencia, similar a (pero no confundir con) el coeficiente de resistencia K en la ecuación. La constante C tiene las unidades de esfuerzo, mientras que es la velocidad de deformación real, definida como la verdadera deformación que sufre el material por unidad de tiempo. Superplasticidad. - Es la capacidad del material para que sufra grandes alargamientos y uniformes antes del cuello y la fractura en tensión.

EFECTOS DE LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA. – Se realizaron varias pruebas bajo presión para ver el efecto en las propiedades mecánicas. Los resultados de las pruebas a presiones hasta de 3.5 GPa (500 ksi) indican que el aumento de la presión hidrostática incrementa sustancialmente la deformación a la fractura, tanto para los materiales dúctiles como para los frágiles.

EFECTOS DE LA RADIACIÓN. - Se han realizado extensos estudios sobre los efectos de la radiación en las propiedades metálicas. Los cambios característicos en las propiedades de los aceros y de otros metales expuestos a la radiación de alta energía son el incremento en el esfuerzo de fluencia, resistencia a la tensión y dureza, y la disminución de la ductilidad y la tenacidad.

COMPRESIÓN. - Procesos como el forjado, laminado y extrusión (parte III), se realizan con la pieza de trabajo sujeta a fuerzas compresivas. La prueba de compresión, en la que el espécimen se somete a carga de compresión, proporciona información útil para estimar las fuerzas y los requisitos de potencia en estos procesos. Es común que esta prueba se realice comprimiendo un espécimen sólido cilíndrico entre dos

matrices planas (platinas) bien lubricadas. La fricción evita que las superficies superior e inferior se expandan con libertad. Con lubricación efectiva, se puede minimizar la fricción y mantener un área de sección transversal razonablemente constante durante la prueba. Si se comparan los resultados de las pruebas de tensión y de compresión de metales dúctiles, se advertirá que las curvas esfuerzo-deformación reales coinciden en las dos pruebas. Esta comparación no es válida para los materiales frágiles, que generalmente son más fuertes y dúctiles a compresión que a tensión. Ensayo del disco se desarrolló para los materiales frágiles como las cerámicas y vidrios.

Se ha desarrollado un ensayo del disco en el que éste se somete a compresión entre dos platinas planas endurecidas. Cuando el material se somete a carga como se muestra, se desarrollan esfuerzos a la tensión perpendiculares al eje vertical a lo largo del disco, se inicia la fractura y el disco se parte en dos verticalmente. El esfuerzo a la tensión (s) en el disco es uniforme a lo largo del eje y se puede calcular a partir de la fórmula:

TORSION. - Una pieza de trabajo se puede someter no sólo a tensión y a compresión, sino también a deformaciones cortantes, como en el troquelado de agujeros en láminas metálicas y en el corte de metales. La torsión es un método utilizado para determinar las propiedades de los materiales a corte. Generalmente, el espécimen de torsión tiene una sección transversal reducida para confinar la deformación a una zona angosta. El esfuerzo al corte se puede calcular a partir de la fórmula.

La deformación al corte se puede calcular a partir de la fórmula:

FLEXIÓN. - Es difícil preparar especímenes para materiales frágiles, como cerámicos y carburos, debido a los problemas surgidos en el moldeado y maquinado de los mismos a las dimensiones apropiadas. El método más utilizado para materiales frágiles es el ensayo de flexión. Suele comprender un espécimen que tiene una sección transversal rectangular y que se soporta por sus extremos. La carga se aplica de modo vertical sobre uno o dos puntos; en consecuencia, a estas pruebas se les conoce como doblez en tres y cuatro puntos, respectivamente. Los esfuerzos longitudinales en estos especímenes son de tensión en las superficies inferiores y de compresión en las superficies Dos métodos de ensayo para materiales superiores frágiles: (a) doblez en tres puntos; (b) doblez en cuatro puntos. Las áreas sobre las vigas representan los diagramas de los momentos flectores descritos en los textos sobre mecánica de sólidos. Obsérvese la región del momento flector máximo constante en (b); en contraste, el momento flector máximo ocurre sólo en el centro del espécimen en (a).

DUREZA. – Es una propiedad común proporciona una indicación general de la resistencia del material al rayado y al desgaste. Más específicamente, la dureza suele definirse como la resistencia a la indentación permanente; por ejemplo, el acero es más duro que el aluminio y éste es más duro que el plomo. Sin embargo, la dureza no es una propiedad fundamental, porque la resistencia a la indentación depende de la forma del indentador y de la carga aplicada.

ENSAYOS DE DUREZA. – Se desarrollaron varios métodos de medir dureza los cuales los mas utilizados en la actualidad son: Ensayo Brinell. - Consiste en oprimir una bola de acero o carburo de tungsteno, se define como la relación de la carga P a la superficie curvada del área de indentación. El indentador, que tiene un módulo elástico finito, también sufre una deformación elástica bajo la carga aplicada; el resultado es que las mediciones de dureza pueden no ser tan precisas como se espera. Un método para minimizar este efecto es utilizar bolas de carburo de tungsteno. Debido a su alto módulo de elasticidad, se distorsionan menos que las de acero.

Ensayo Rockwell. -

Ensayo Vickers. - El ensayo Vickers proporciona en esencia el mismo número de dureza, independientemente de la carga, y es adecuado para probar materiales con un amplio rango de dureza, incluyendo aceros tratados térmicamente.

Ensayo Knoop. - Utiliza un indentador de diamante con forma de pirámide alargada (fig. 2.12) con cargas aplicadas que varían generalmente de 25 g a 5 kg. El número de dureza Knoop está indicado por HK. Es adecuada para especímenes muy pequeños o muy delgados y para materiales frágiles, como carburos, cerámicas y vidrios. Escleroscopía. - Es un instrumento en el que se deja caer un indentador (martillo) encerrado en un tubo de vidrio sobre un espécimen desde cierta altura. La dureza se relaciona con el rebote del indentador: cuanto más alto es el rebote, más duro será el material. Dureza Mohs. - Esta prueba se basa en la capacidad de un material para rayar otro. La dureza Mohs se basa en una escala del 1 al 10, siendo 1 la medida para el talco y 10 la del diamante (la sustancia más dura conocida). Un material con un número más grande de dureza Mohs siempre raya a otro que tiene un número menor. Durómetro. - Se oprime un indentador contra la superficie y después se aplica una carga constante con rapidez. Luego de un segundo, se mide la profundidad de penetración; la dureza se relaciona inversamente con la penetración. Dureza en caliente. - Las pruebas de dureza se pueden realizar a temperaturas elevadas mediante probadores convencionales con algunas modificaciones, por ejemplo, encerrando el espécimen y el indentador en un horno eléctrico pequeño. DUREZA Y RESISTENCIA. - Debido a que la dureza es la resistencia a la indentación permanente, puede semejarse a la realización de una prueba de compresión sobre un pequeño volumen de la superficie de un bloque de material. Se ha establecido una relación entre la resistencia máxima a la tensión (UTS) y la dureza Brinell (HB) para los aceros, medida para una carga de 3000 kg. En unidades SI, la relación es UTS = 3.5(HB) donde UTS está dado en MPa. En unidades tradicionales (inglesas), UTS = 500 (HB) donde UTS está dado en psi.

PROCEDIMIENTOS DE ENSAYOS DE DUREZA. – Se debe permitir que se desarrolle libremente la zona de deformación bajo el indentador, para que el ensayo sea confiable y significativo. Generalmente, el indentador debe ubicarse cuando menos a dos diámetros del extremo del espécimen, y el espesor de éste debe ser al menos 10 veces la profundidad de penetración del marcador. Si se realizan indentaciones sucesivas sobre la misma superficie de la pieza de trabajo, deben apartarse lo suficiente para no interferir una con otra. FATIGA. – Muchos instrumentos, componentes manufactureros están expuestos a cargas que fluctúan con rapidez, además de cargas estáticas. Los esfuerzos cíclicos pueden ser provocados por cargas mecánicas fluctuantes (como en los dientes de los engranes) o por esfuerzos térmicos (como una matriz fría que entra en contacto repetidamente con piezas de trabajo calientes). En estas condiciones, la parte falla en un nivel de esfuerzo menor que aquel en el que ocurriría la falla en condiciones estáticas de carga. Si se revisa, se verá que la falla se asocia con grietas que crecen en cada ciclo de esfuerzo y se propaga a través del material hasta que alcanzan una longitud crítica y el material se fractura. Conocido como falla por fatiga, este fenómeno es responsable de la mayoría de las fallas en los componentes mecánicos. TERMOFLUENCIA. - La termofluencia es el alargamiento permanente de un componente por una carga estática mantenida durante un periodo. En general, el mecanismo de fluencia, o flujo plástico, a temperatura elevada en los metales se atribuye al deslizamiento de los límites de grano.

IMPACTO. - En muchas operaciones de manufactura, así como durante la vida útil de los componentes, los materiales se someten a impacto o carga dinámica, por ejemplo, en operaciones de trabajo de metales de alta velocidad, como cabeceado para la fabricación de pernos y el forjado por golpe.

Las pruebas de impacto son útiles particularmente para determinar la temperatura de transición dúctil-frágil de los materiales. En general, los materiales con una alta resistencia al impacto también tienen resistencia y ductilidad altas, y por lo tanto, alta tenacidad.

FALLA Y FRACTURA DE LOS MATERIALES EN LA MANUFACTURA Y SERVICIO. - La falla y la fractura de los materiales son un área de estudio compleja, la falla es uno de los aspectos más importantes del comportamiento de los materiales, porque influye directamente en la selección de un material para una aplicación particular, en los métodos de manufactura y en la vida útil del componente. Fractura: mediante agrietamiento interno o externo. La fractura se clasifica además en dos categorías generales, como dúctil y frágil.

Pandeo: Aunque generalmente se considera que la falla de los materiales es indeseable, algunos productos se diseñan de tal manera que la falla es fundamental para su función. Ejemplos característicos son: • Contenedores de alimentos y bebidas con cejas (o tapas completas), que se retiran jalando la lámina de metal a lo largo de una trayectoria prescrita. • Pernos de corte en flechas que evitan el daño de la maquinaria en caso de sobrecarga. • Papel o metal perforado para empaque. • Tapas roscadas metálicas o plásticas para botellas.

FRACTURA DÚCTIL. - En un ensayo de tensión los materiales altamente dúctiles, como el oro y el plomo, pueden romperse en un punto antes de fallar Sin embargo, la mayoría de los metales y aleaciones se estrechan a un área finita y después fallan. La fractura dúctil ocurre en general a lo largo de planos en los que el esfuerzo cortante es máximo. Por lo tanto, bajo torsión, un metal dúctil se fractura a lo largo de un

plano perpendicular al eje de torsión, esto es, el plano donde el esfuerzo cortante es máximo. En contraste, la fractura por cortante simple es el resultado de un extenso deslizamiento a lo largo de los planos de deslizamiento dentro de los granos.

Ejemplo de fractura ductil. –

Efectos de las inclusiones. - Debido a que se trata de sitios de nucleación para los huecos, las inclusiones tienen una influencia importante en la fractura dúctil y, en consecuencia, en la capacidad de trabajo de los materiales. Las inclusiones pueden consistir en impurezas de diversos tipos y partículas de una segunda fase, como óxidos, carburos y sulfuros. La medida de su influencia depende de factores como su forma, dureza, distribución y fracción del volumen total: a mayor fracción de volumen de las inclusiones, menor ductilidad del material, los huecos y la porosidad también se pueden desarrollar durante el procesamiento de los metales como los resultantes de los procesos de fundición y trabajo de los metales Dos factores afectan la formación de huecos: a. La resistencia de la unión en la interfaz entre una inclusión y la matriz: si la unión es fuerte, existe menos tendencia a la formación de huecos durante la deformación plástica.

b. La dureza de la inclusión: si es blanda, como una de sulfuro de manganeso, se adaptará al cambio global de forma de la pieza de trabajo durante la deformación plástica.

Temperatura de transición. - Muchos metales sufren un cambio abrupto de ductilidad y tenacidad por un estrecho rango de temperatura llamado temperatura de transición, la temperatura de transición depende de factores como la composición, microestructura, tamaño de grano, acabado superficial, forma del espécimen y velocidad de deformación. La alta velocidad, los cambios abruptos en la forma de la pieza de trabajo y la presencia de muescas en la superficie elevan la temperatura de transición.

Envejecimiento por deformación. - El envejecimiento por deformación es un fenómeno en el cual los átomos de carbono de los aceros se segregan a dislocaciones, las apuntalan y, de esta manera, aumentan la resistencia al movimiento de dislocación; el resultado es un incremento de la resistencia y una reducción de la ductilidad.

FRACTURA FRÁGIL. - La fractura frágil tiene lugar sin una apreciable deformación y debido a una rápida propagación de una grieta. Normalmente ocurre a lo largo de planos cristalográficos específicos denominados planos de fractura que son perpendiculares a la tensión aplicada. La mayoría de las fracturas frágiles son transgranulares o sea que se propagan a través de los granos. Pero si los límites de grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la fractura se propague intergranularmente. Las bajas temperaturas y las altas deformaciones favorecen la fractura frágil. En general, la temperatura baja y una velocidad de deformación alta promueven la fractura frágil. En un metal policristalino bajo tensión la superficie de fractura tiene una apariencia granular brillante, debido a los cambios en la dirección de los planos de fisura conforme la grieta se propaga de un grano a otro

EJEMPLO DE FRACTURA FRÁGIL. –

Defectos. - Un factor importante en la fractura es la presencia de defectos, como rayas, imperfecciones y grietas preexistentes, internas o externas. Bajo tensión, la punta aguda de una grieta se somete a altos esfuerzos, que propagan la grieta rápidamente porque el material tiene muy poca capacidad para disipar energía. En los metales policristalinos, las trayectorias de fractura que más se observan son transgranulares. Fractura por fatiga. - Ocurre sobre todo en una naturaleza fundamentalmente frágil. Se desarrollan minúsculas grietas externas o internas en imperfecciones o defectos preexistentes en el material, las cuales se propagan durante cierto periodo y, al final, llevan a la falla total y súbita de la parte.

EJEMPLOS DE FRACTURA POR FATIGA

Mejoramiento de la resistencia a la fatiga. - La resistencia a la fatiga de los productos manufacturados se puede mejorar en general mediante los siguientes métodos: a. Induciendo esfuerzos residuales a compresión en las superficies, por ejemplo, mediante chorro de granalla o mediante el bruñido con rodillos. b. Endurecimiento superficial por diferentes medios. c. Dando un acabado superficial fino, reduciendo así el efecto de las muescas y otras imperfecciones superficiales. d. Seleccionando materiales apropiados y asegurándose de que no tienen cantidades significativas de inclusiones, huecos o impurezas. Agrietamiento por esfuerzo-corrosión. - Las partes sin defectos podrían desarrollar grietas, ya sea durante cierto periodo o poco después de haber sido manufacturadas como producto. La propagación de la grieta puede ser integranular o transgranular. La susceptibilidad de los metales al agrietamiento por esfuerzo-corrosión depende principalmente del material, la presencia y magnitud de esfuerzos residuales de tensión y el medio ambiente. Fragilización por hidrógeno. - La presencia de hidrógeno puede reducir la ductilidad y provocar una severa fragilización, así como fallas prematuras en muchos metales, aleaciones y materiales no metálicos. Conocido como fragilización por hidrógeno, este fenómeno es particularmente severo en los aceros de alta resistencia.

ESFUERZOS RESIDUALES. - Cuando las piezas de trabajo se someten a deformación plástica no uniforme a través de toda la parte, desarrollan esfuerzos residuales.

Cuando aumenta el momento externo, las fibras exteriores en la barra alcanzan un nivel de esfuerzo lo suficientemente alto para provocar fluencia. Al final, para un material característico de endurecimiento por deformación, se alcanza la distribución de esfuerzos mostrada en la figura 2.29b y la barra sufre un doblez permanente.

El equilibrio de los esfuerzos residuales en la figura 2.29d puede ser perturbado al retirar una capa de material de la parte, mediante maquinado o rectificado. La barra entonces adquirirá un nuevo radio de curvatura para equilibrar las fuerzas internas. Tales perturbaciones de los esfuerzos residuales llevan al alabeo de las partes

Reducción y eliminación de esfuerzos residuales. - Los esfuerzos residuales se pueden reducir o eliminar mediante el recocido de relevado de esfuerzos o mediante una deformación posterior de la parte, como el estirado. Con tiempo suficiente, los esfuerzos residuales también se pueden reducir a temperatura ambiente (mediante el relajamiento de esfuerzos residuales). Es posible reducir el tiempo requerido para el relajamiento elevando la temperatura de la pieza de trabajo.

TRABAJO, CALOR Y TEMPERATURA. - Todo el trabajo mecánico de deformación en el trabajo plástico se convierte en calor. Esta conversión no es total, ya que una parte de este trabajo se almacena dentro del material deformado como energía elástica. En un proceso simple de deformación sin fricción, y suponiendo que el trabajo se convierte totalmente en calor, la elevación de la temperatura está dada:

donde u es la energía específica (trabajo de deformación por unidad de volumen), La densidad y c el calor específico del material. En operaciones reales, el calor se transfiere al medio ambiente, hacia las herramientas y matrices, y a los lubricantes y refrigerantes utilizados, en su caso. Si el proceso de deformación se realiza con rapidez, las pérdidas de calor serán relativamente pequeñas en un periodo breve. Si el proceso se efectúa con lentitud, la temperatura real se elevará sólo una fracción del valor calculado.