Propiedades Mecanicas-Fracturas

Dr. Facundo Almeraya C.

PROPIEDADES

MECANICAS

El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada.

Dr. Facundo Almeraya C. Ensayo

Condiciones del

ensayo

Magnitudes

medidas

Propiedades

determinadas

Tracción

Temp. Cte, Vel. De

deformación Constante.

Puede ser realizado en

varias temperaturas

Fuerza,

Alargamiento,

Estricción,

Módulo de elasticidad,

limite de fluencia, límite de

resistencia, tensión de

ruptura, alargamiento total

y uniforme, límite elástico.

Flexión

Temp. Cte o Puede ser

realizado en varias

temperaturas

Fuerza y deflexión

Módulo de ruptura a flexión

Dureza

Temp. Cte, generalmente la

ambiente

Fuerza y área, (o

penetración) de la

indentación

Dureza de acuerdo a la

escala, HRC, HB, HV, etc

Fluencia

(Creep)

La fuerza o tensión es

aplicada cte. Temperatura

Cte y alta. Carga Cte. Puede

ser realizado en varias

temperaturas

Alargamiento y

Tiempo

Resistencia a la fluencia y

tiempo de fluencia

Impacto

Puede ser realizado en

diferentes temperaturas.

Alta velocidad de aplicación

de carga

Energía absorbida

por el material

Resistencia al impacto y

temperatura de transición

dúctil – frágil

Fatiga

Esfuerzos alternados

conteniendo tracción. Temp.

Cte o Puede ser realizado en

varias temperaturas

Número de ciclos o

vida del material

Resistencia a la fatiga y

límite de fatiga

A pesar de que en materiales cristalinos la

máxima deformación elástica es por lo

general muy pequeña, el esfuerzo necesario

para producir esta deformación es

generalmente grande. Esta razón de esfuerzo

contra deformación es elevada debido a que

el esfuerzo aplicado actúa en oposición a las

fuerzas restauradoras de uniones primarias

(iónica, covalente, metálica).

El comportamiento elástico de tales

materiales sometidos a esfuerzos de

compresión es igual al comportamiento en

tensión y la curva de esfuerzo contra

deformación en compresión es sólo una

extensión de la misma curva en tensión.

Algunos materiales no-cristalinos, tales como vidrio o polímeros de uniones cruzadas,

pueden también exhibir elasticidad lineal. Los elastómeros materiales compuestos de

cadenas largas (hules) pueden exhibir deformaciones recuperables de varios cientos

de porcentajes y su comportamiento elástico denomina “alta elasticidad” en

contraposición a la “elasticidad real” de los materiales cristalinos.

Dr. Facundo Almeraya C. Algunos materiales celulares, como la madera, muestranbastante rigidez en

compresión hasta que alcanzan un esfuerzo lo sufucuentemente elevado para causar

pandeo elástico de las paredes de las celdas, una vez que ocurre esto puede

acumularse una deformación considerable sin que elesfuerzo aumente mucho,

entaqles casos es posible recuperar deformaciones no-lineales de grán magnitud, si

el esfuerzo es suficientemente elevado, la deformación no podrá recuperarse. Es

indudable que en tensión las celdas no se pandean elásticamente en la misma forma.

Propiedades Mecánicas Son aquellas que expresan el comportamiento de

los materiales frente a esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma.

Resistencia: Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe

soportarla sin romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por

tracción, por compresión, por torsión o por cizallamiento, habrá una

resistencia a la rotura (kg/mm²) para cada uno de estos esfuerzos.

Dureza: Propiedad que expresa el grado de deformación permanente que

sufre un metal bajo la acción directa de una carga determinada. Los ensayos

más importantes para designar la dureza de los metales, son los de

penetración, en que se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre

la superficie del metal, con una presión y un tiempo determinados, a fin de

dejar una huella que depende de de la dureza del metal, los métodos más

utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers.

Elongación.- Mide el tiempo que una muestra se extiende cuando es estirada.

La elongación generalmente se expresa como la longitud luego del estiramiento

dividida por la longitud original.

Ductibilidad: es la habilidad que permite que un material sea deformado hasta

una longitud considerable sin que se rompa. Los materiales seleccionados para

ser alambre debe ser bastante dúctiles

Tensión.- Grado de fuerza ejercida sobre un objeto dividida por el área

transversal del mismo. El área transversal es el área de una sección transversal

del objeto en un plano perpendicular a la dirección de la fuerza. La tensión

generalmente es expresada en unidades de fuerza dividida por área, como

N/cm2.

Elasticidad: es la habilidad que tiene un material que ha sido deformado de

alguna manera para regresar a su estado y tamaño original, cuando se retira la

acción que ha producido la deformación.

Cuando el material se deforma permanentemente de tal manera que no regresa a

su estado original se dice que ha pasado a su límite elástico.

Maleabilidad: esta propiedad permite que un material se deforme mediante

martilleo, rolado o prensado, sin romperse.

La maleabilidad, se aumenta normalmente cuando el material esta caliente.

Plasticidad: es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo

presión y de tener esa nueva forma.

El rango de adaptación puede variar considerablemente de acuerdo con el

material y sus condiciones. En el proceso de expulsión el material es calentado

hasta un estado plástico y es forzada en una prensa de expulsión a través de una

abertura perfilada llama dado.

La metalurgia mecánica es una disciplina que

se dedica al estudio y comprensión de los

fenómenos de esfuerzo y deformación de los

cuerpos metálicos sólidos.

Sus principios y teorías son empleados para el

diseño, procesamiento y evaluación de

metales.

Primer Etapa: El comportamiento

esfuerzo-deformación en un sólido,

continuo, homogéneo e inicialmente

isotrópico. Las relaciones de estas

variables se basan en los principios de

la mecánica clásica, que son equilibrio,

la ley de la acción-reacción y el

algebra vectorial. Mecánica del

Medio Continuo.

ZONA PLÁSTICA

La zona con cargas superiores a las correspondientes al límite elástico, se caracteriza por:

a) Mayor sensibilidad a los alargamientos para el mismo incremento de carga. En efecto, las

pendientes a la curva, figura, son siempre inferiores al módulo de Young, E.

E1 = (d /d )1 << E tg 1 << tg

b) Los alargamientos conseguidos son remanentes, es

decir, no se recuperan cuando cesa el esfuerzo, como

se muestra en el. punto c del desarrollo

Ambas características se cumplen en todo el campo de

tensiones superiores al límite elástico lo que significa la

denominada zona plástica.

La respuesta plástica de un material metálico, se identifica por el carácter remanente de

la deformación, , que determina valores del módulo virtual E1 muy inferiores al de

Young E.

El punto de máxima resistencia

corresponde al máximo absoluto de

F de la curva registrada F-L. En el

diagrama - este punto viene

determinado por:

La tensión máxima m es la denominada tensión de rotura o carga de rotura, R, y se

deduce a través de la sección nominal S0 ya que hasta ese momento del ensayo, la

sección de la probeta, aunque ha disminuido según deformaba el material, puede

considerarse constante.

La tensión de rotura, R, resistencia última, indica el final del comportamiento estable del

material; o identidad entre las cargas aplicadas y la reacción del material.

m = R = Fm/S0

m = (Lm - L0)/L0

Determinación del (UTS, " ultimate tensile strength ")

Tenacidad del material

Al calcular la energía, Eo,

por unidad de volumen

absorbida por la probeta en

su fractura diferenciando la

que se absorbe con

distribución uniforme y la

que se realiza de forma

localizada, encontramos

ENSAYO DE TENSION-TRACCIÓN

• Esfuerzo de ingeniería:

= P/Ao

• Deformación de ingeniería:

(lf - lo)/ lo = l/ lo

Dr. Facundo Almeraya C. 19

ing™

Fuerza

Diámetro Longitud

prueba

Mordazas

• El cuerpo de prueba (probeta para materiales metálicos)

• Observacción: existen numerosas geometrías de probetas (planas, cilíndricas,

etc.) con diversas dimensiones.

Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción

Probetas normalizadas.

Deformación

Que tipo de comportamiento es??

Baja Temperatura

Alta Temperatura

Deformación

Curva esfuerzo deformación para una aleación de aluminio

Curvas tensión deformación de algunos metales y aleaciones

ing™

Ductilidad

Mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse.

%Elongación = lf - lo

lo *100 Lf: Distancia entre marcas calibradas

después de la ruptura del material

% reducción de área = Ao - Af

Ao *100

Af: Área de la sección

transversal en la superficie

de fractura

• Corrosión asistida por esfuerzo (SCC, Stress

Corrosion Cracking), es el agrietamiento de un metal

debido a la acción combinada de la corrosión

localizada y los esfuerzos tensiles (aplicados y

residuales).

Prueba de deformación a velocidad de extensión constante (CERT)

Esta prueba consiste en someter la muestra a una carga de tensión, la cual se

realiza a velocidades sumamente lentas, típicamente de 10-6 a 10-12 cm/seg., mientras

el material se encuentra expuesto a un medio corrosivo, con las cuales se permite que

tanto la parte mecánica como la electroquímica actúen brindando condiciones reales de

corrosión y esfuerzo.

• Celda de prueba

•Transductor de velocidad de desplazamiento lineal (L.V.D.T.)

Dimensionamiento de los especímenes para el ensayo

CERT, de acuerdo con la norma NACE TM-0177 96.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Inerte

Sol Buffer

Elongacion (mm)

Curvas de carga-elongación de el acero

API 5L-X52 expuesto en los medios evaluados.

DIAGRAMA de McIntyre

¿ Se observo agrietamiento ambiental ?

Calcular la relación de RA ó Tf

>0.9 <0.9 <0.75 >0.75 0.5-0.75 <0.5

CAT I > 0.75 ¿ Picaduras,

corrosión

Gral. sobre

la sección reducida?

CAT III CAT IV CAT V

Volver a probar efecto de

velocidad de deformación

CAT II

CAT I CAT O

McIntyre. D.R. “Environmental cracking”. Process

Industries Corrosion - The theory and practice. Ed. Moniz

and Pollock, NACE. Houston, Texas.1986.

Categoría I. Inmune: Materiales candidatos en esta categoría no muestran evidencia de crecimiento

de grietas inducidas por el ambiente en la examinación al microscopio. La

relación de ductilidad es igual o mayor que 0.9.

Categoría II. Prácticamente

inmune:

No hay evidencia de crecimiento de agrietamiento ambiental en la examinación

microscópica, en materiales que son prácticamente inmunes la reducción de la

relación de ductilidad es un 0.65 a 0.9.

Categoría III. Medianamente

susceptible:

Los materiales muestran crecimiento secundario de grietas poco profundas

solamente en la región de la sección del cuerpo. La relación de ductilidad es

0.75 a 0.95.

Categoría IV. Susceptibilidad

moderada:

Fracturas frágiles inducidas por el medio ambiente ocurren en la superficie final.

Grietas secundarias en la sección reducida y en la región del cuello. Los radios

de reducción están entre 0.5 y 0.75.

Categoría V. Susceptible: Fracturas frágiles inducidas por el medio ambiente predominantes en la

superficie final de la fractura en los materiales. Grietas secundarias extensivas

ocurren sobre el cuello las cuales pueden extenderse hacia abajo dentro de los

bordes. El cuello es altamente limitado o eliminado. Los radios de ductilidad son

menores a 0.5.

Anillos de Deflexión

No. de

Colada

Resultados

Falló No falló

Fractura

Grietas

127852

127853

127854

127855

127856

127857

228277

FRACTURAS

Es la separación de un sólido bajo tensión en dos o mas piezas. En general, la fractura metálica puede clasificarse en dúctil y frágil.

Un material dúctil y un material frágil se comportan diferente

bajo la acción del tipo de carga aplicada.

Factores que afectan la fractura Frágil-Dúctil

Factor Dúctil Frágil

Temperatura Alta Baja

Velocidad de Carga Baja Alta

Geometría Sin Concentración

de Esfuerzos

Con Concentración

de Esfuerzos

Tamaño Delgada Gruesa

Tipo de Carga Torsión Tracción/Compresión

Resistencia del

Material

Baja Alta

Fractura dúctil y fractura frágil

Fractura dúctil ocurre después de una intensa deformación plástica y se caracteriza por una lenta propagación de la grieta. OCURRE POR DESLIZAMIENTO DE PLANOS, PRESENTANDO EL MATERIAL

ALTA ENERGÍA ABSORBIDA ANTES DE LA FRACTURA

Fractura frágil se produce a lo largo de planos cristalográficos llamados planos de fractura y tiene una rápida propagación de la grieta. OCURRE POR DESCOHESIÓN DE PLANOS, PRESENTANDO EL MATERIAL

BAJA ENERGÍA ABSORBIDA ANTES DE LA FRACTURA

Los procesos de fractura pueden ser considerados como conformados por dos etapas, inicio y propagación de grieta, en respuesta a una acción aplicada.

Diferentes estados de la fractura

en forma de copa y cono

después durante un ensayo de

tracción (a) Cuello inicial. (b)

formación de pequeñas

cavidades. (c) coalescencia de

cavidades para formar grietas.

(d) propagación de grietas. (e)

fractura final por corte a 45° con

respecto a la dirección de

tracción.

Fractura Dúctil

Cuello y líneas de estricción características de una fractura Dúctil

Fractura tipo copa-cono, con la presencia de microcavidades

(a) Fractura de un material

dúctil, el cuello de la

probeta es casi un punto.

(b) Fractura dúctil moderada

después de la formación

del cuello.

( c) fractura frágil sin

ninguna deformación

plástica

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.

Fractura Frágil

Tiene lugar sin apreciable deformación plástica y poca

absorción de energía de impacto .

Mecanismos

fractura frágil:

Transgranular Intergranular

Agrietamiento transgranular e intergranular

observados en el microscopio óptico

La fractura dúctil es siempre preferida por dos razones:

1. La fractura frágil ocurre de forma súbita y catastrófica sin ningún síntoma

previo, esto es consecuencia de la propagación rápida y espontánea de la grieta,

en el caso de la fractura dúctil la presencia de deformación plástica es un síntoma

de que la fractura es inminente.

2. Para inducir la fractura dúctil se requiere más energía de deformación ya que

los materiales dúctiles generalmente son mas tenaces.

Bajo la acción de un fuerza aplicada tenemos:

La mayoría de los metales son dúctiles

Los cerámicos son notablemente frágiles

Los polímeros pueden exhibir ambos tipos de fractura

Marcas Chevron

FRACTURAS POR FATIGA

ratchet marks

Ratchet Marks

Las marcas de playa y estrías son características de la superficie de fractura

por fatiga tienen apariencia similar, pero son diferentes en cuanto a su origen y

tamaño.

Marcas de playa - Macro Estrías - Micro

Líneas, marcas de playa

El incremento de esfuerzos

Efectos de la superficie

Factores de Diseño

Tratamientos térmicos

Efectos Ambientales (Corrosión)

Temperatura

Fracturas por fatiga

http://www.failure-analysis.it/UK02140000.ASP?d=14

Ausencia de deformación

FATIGA MECÁNICA DE UN EJE DE ACERO INOXIDABLE

FATIGA MECÁNICA DE UN EJE POR CARGA TORSIONAL

FATIGA MECÁNICA DE LA BIELA DE UN COMPRESOR

FATIGA MECÁNICA DE UN PERNO

FALLA POR FATIGA A FLEXIÓN

CASO A

Material: acero 17-4PH

Medio: evaluado en medio inerte

SUPERFICIES DE FRACTURA-CORROSION

CASO B

Material: acero 17-4PH

Medio: evaluado en medio agresivo

u Zona de fractura del

espécimen de acero 17-

7PH evaluado en NaCl

[20%] a 90°C; 20X.

u Superficies de fractura

del espécimen de

acero 17-7PH evaluado

en NaCl [20%] a 90°C.

Sección larga a) 80X y

sección corta b) 22X,

c) 1000X

espécimen de acero 17-

7PH evaluado en NaOH

[20%] a 90°C; 20X

del espécimen de

en NaOH [20%] a 90°C.

Sección larga: a) 34X,

b) 1000X. Sección

corta b) 22X y c) 80X

espécimen de acero

en NaOH [20%], 90°C;

del espécimen de acero

17-4PH evaluado en

NaOH [20%] a 90°C.

Sección larga a) 33X, b)

300X y sección corta c)

33X, d) 300X.

• Gráficas de ruido en tres etapas del ensayo CERT; zona de falla (20X) y superficies de fractura del espécimen de acero 410 evaluado en NaCl [20%], pH=5, 90°C. Sección larga a) 33X, b) 300X y sección corta c) 33X, d) 300X

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Serie de tiempo en potencial

Tiempo, seg

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Tiempo, seg

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Tiempo, seg

ENSAYO DE DUREZA

Mide la resistencia de la superficie de un material

a la penetración por un objeto duro.

•Comparar o identificar materiales

- Reconocer especificaciones del material para su manufactura y

- Control de calidad

- Relacionarla con otras propiedades:

- Conocer aproximadamente la resistencia al desgaste.

ASTM E140 - 07 Standard Hardness Conversion Tables for Metals

Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell

Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope

Hardness

ASTM Standards

E10 Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials

E18 Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials

E29 Practice for Using Significant Digits in Test Data to Determine Conformance

with Specifications

E92 Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials

E384 Test Method for Microindentation Hardness of Materials

E448 Practice for Scleroscope Hardness Testing of Metallic Materials

La dureza es la caracterización de la deformación local concentrada en un pequeño volumen de la superficie exterior, de un material y representa la resistencia que opone el material al tratar de ser rayado o penetrado por otro.

Cuanto más fuerza se necesite para penetrar, más duro es el material.

El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.

Esta prueba generalmente se utiliza imprimiendo en la muestra, una huella de

un indentador de geometría determinada, bajo una carga estática conocida

que se aplique directamente o por medio de un sistema de palanca.

Tipos comunes

de dureza con

indentadores

1.- Dureza Brinell

2.- Dureza Rockwell

3.- Dureza Vickers

ENSAYO ROCKWELL: Utiliza una pequeña bola de acero para

materiales blandos y un cono de diamante para materiales más duros.

-La profundidad de penetración es medida automáticamente por el

instrumento y se convierte a índice de dureza Rockwell (HR)

- Se utilizan diferentes variantes: HRC para aceros duros, HRF para

aluminio

Dureza Rockwell

El ensayo utiliza la profundidad de la penetración bajo carga constante,

como medida de la dureza.

La maquina de ensayo mide en forma automática la profundidad de

penetración del indentador, y la convierte en un número de dureza

Rockwell (HR)

El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos:

a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al

del ensayo Brinell.

b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo

de vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100

y 150 kilogramos

c) Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes,

chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o

nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargas

especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45

kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell

superficial.

ESCALA CARGA (kg) PENETRADOR MATERIALES TIPICOS PROBADOS

A 60 Cono de diamante Materiales duros en extremo, carburos

de wolframio, etc.

B 100 Bola de 1/16"

Materiales de dureza media, aceros al

carbono bajos y medios, latón, bronce,

C 150 Cono de diamante Aceros endurecidos, aleaciones

endurecidas y revenidas.

D 100 Cono de diamante Acero superficialmente cementado.

E 100 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio y

magnesio.

F 60 Bola de 1/16" Bronce y cobre recocidos.

G 150 Bola de 1/16" Cobre al berilio, bronce fosforoso, etc.

H 60 Bola de 1/8" Placa de aluminio.

K 150 Bola de 1/8" Hierro fundido, aleaciones de aluminio.

L 60 Bola de 1/4" Plásticos y metales suaves, como el

plomo.

Ensayos Rockwell normalizados.

Escalas de dureza Rockwell Superficial

Símbolo de la

escala Penetrador

Carga mayor

(kg) Aplicaciones

15N Diamante 15 Aceros nitrurados, cementados y herramientas de gran

dureza.

30N Diamante 30 Aplicaciones análogas al tipo anterior.

45N Diamante 45 Aplicaciones análogas al tipo anterior.

15T Bola de 1/16

pulgada 15 Bronce, latón y aceros blandos

30T Bola de 1/16

45T Bola de 1/16

15W Bola de 1/8

30W Bola de 1/8

45W Bola de 1/8

Y si desconozco su dureza de un material

o no se que material es??

– El indentador es esférico. – El diámetro de la bola es de 10 mm. – Las cargas empleadas son: 500, 1500 y 3000 kg. – Debido al tamaño de la bola se emplea para materiales blandos. – La dureza Brinell (HB) se calcula a partir del diámetro de la huella

ENSAYO BRINELL:

Una esfera de acero duro (10 mm diámetro) se oprime sobre la superficie.

Se mide el diámetro de la impresión (2-6 mm) y se calcula el índice de

dureza (HB, BHN) a partir de:

F: Carga aplicada (kg)

D: diámetro de penetrador (mm)

Di: diámetro de la impresión (mm)

• Vickers

– El indentador es piramidal. – La punta del indentador es de diamante. – Ya que la geometría de la huella no varia con la carga, se emplean diversas cargas. – Puede emplearse para cualquier metal e incluso para cerámicas, siendo el ensayo de dureza que mayor rango de valores posee.

P1,854

/2)(senP2VickersDureza

P: carga aplicada en kg

L: media de la longitud de las dos diagonales en mm

: ángulo formado por las caras opuestas de la pirámide diamante = 136º

Efecto del contenido de carbono en la dureza de la martensita

en los aceros

• Dureza de algunos materiales (Metales)

• Dureza de algunos materiales (Cerámicas)

• Dureza de algunos materiales (Polímeros)

Zona D

Zona B

Zona C

Zona A

Zona E

Durezas Recalentador 1 Unidad 2

89.189.8

89.687.788.6

DUREZAS HRB, CIRCUNFERENCIAL

90.690.2

86.5 86.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8

PUNTOS

DUREZAS HRB, BORDE DE FALLA

DUREZAS HRB, CERCA DE FALLA

88.7 88.5

90 90.2

88.388.9

1 2 3 4 5 6 7 8 9

DUREZAS HRB, LARGO

ENSAYO DE IMPACTO

ENSAYO CHARPY Evalúa la fragilidad de un material cuando se somete

a un golpe súbito e intenso con una alta velocidad de aplicación.

ENSAYO IZOD: Se aplica a materiales no metálicos. Las probetas pueden

tener o no muesca. La que tiene muesca en V mide la resistencia a la

propagación de grietas

Ensayo Charpy (Impacto)

El ensayo consiste esencialmente de un martillo con una determinada energía que golpea una probeta entallada de dimensiones fijas, que registra la energía requerida para fracturar la probeta a una temperatura específica y además determina si se trató de una fractura dúctil o frágil.

Las probetas pueden ser de formas variables. Estas

definen por si mismas tipos de ensayo como el Charpy

en U o en V, e Izod.

La diferencia de alturas permite medir la diferencia de energía potencial

(ENERGÍA DE IMPACTO) absorbida durante la falla.

-Charpy: lb . Pie ó Joules (1 lb .pie = 1.356 J)

- Izod: lb .pie / plg ó J/m

TENACIDAD: CAPACIDAD DE UN MATERIAL

PARA RESISTIR CARGAS DE IMPACTO

• La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la

fisura.

• Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades,

en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.

Fotografías de probetas,

antes y después del

ensayo

Propiedades que se obtienen en el ensayo de impacto:

Temperatura de transición de dúctil a frágil: es aquella a la cual un

material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento

frágil.

Un material sujeto a cargas de impacto durante las condiciones de

servicio deberá tener una temperatura de transición por debajo de la

temperatura de operación determinada por el ambiente que rodea al

material.

Temperatura de transición: Temperatura a la cual un

material cambia de comportamiento dúctil a frágil

Un material sujeto a cargas de

impacto deberá tener una

temperatura de transición por

debajo de la temperatura de

operación.

ing™

El hundimiento del Titanic en el año 1912. El acero utilizado en su

construcción era el mejor de su época. Sin embargo, hoy en día no pasaría

las pruebas más elementales de calidad, producto del alto contenido de

impurezas que contenía. El alto contenido de impurezas provoca que la

resistencia del acero a la fractura sea baja, y especialmente en

condiciones de baja temperatura su ductilidad se ve reducida. Por lo

cual todos estos factores influyeron negativamente al ocurrir el impacto del

Titanic con el iceberg en aguas heladas, lo que conllevó a su posterior

hundimiento.

http://amazings.es/2012/04/14/la-ciencia-del-titanic/

El casco, como era el estándar, estaba hecho de acero de carbono (acero con un contenido máximo de

0.35% de carbono, 0.7% de manganeso y silicio, 0.5%) y contaba con más de tres millones de

remaches de acero y de hierro forjado, los cuales sólo pudieron ser utilizados en las tres quintas

partes de la estructura del buque.

El año 1986, fue la explosión del

trasbordador Challenger. En

este caso la baja resiliencia

(capacidad de absorcion de energía

en la zona elástica de la curva

esfuerzo-deformación) de los anillos

(polímeros elastómeros) que

cumplían la función de sellar las

zonas seccionadas de los

cohetes propulsores, produjeron

que los gases generados por la

combustión salieran al exterior e

incidieran en el tanque de

combustible principal, lo cual

provoco la explosión del Challenger.

polímeros elastómeros

La mecánica de la fractura es la disciplina que se enfoca al estudio

del comportamiento de materiales con fisuras u otros pequeños

defectos.

Es cierto que todos los materiales tienen algunos defectos. Lo que

se desea saber es el esfuerzo máximo que puede soportar un

material. si contiene defectos de un cierto tamaño y geometría.

La tenacidad a la fractura mide la capacidad de un material que

contiene un defecto, a resistir una carga aplicada. A diferencia de

los resultados del ensayo de impacto, la tenacidad a la fractura es

una propiedad cuantitativa del material.

TENACIDAD A LA FRACTURA

La importancia dela mecánica de la fractura.

La mecánica de la fractura permite diseñar y seleccionar materiales y al mismo

tiempo tomar en consideración la inevitable presencia de defectos.

Se deben considerar tres variables: la propiedad del material (K, o K,), el

esfuerzo a que debe resistir el material y el tamaño del defecto a. Si se

conocen dos de estas variables, se puede determinar la tercera.

Selección de un material Si se conoce el tamaño máximo a de los defectos en

el material y la magnitud del esfuerzo aplicado, se puede seleccionar un

material que tenga una tenacidad K, o K,, a la fractura lo suficientemente

grande para que impida que el defecto crezca.

El ensayo se realiza aplicando un esfuerzo de tensión a una probeta con un

defecto de tamaño y geometría conocidos que actúa como un concentrador

de esfuerzos. El FACTOR DE INTENSIDAD DE ESFUERZO (K) es:

f: Factor geométrico (=1), : esfuerzo aplicado, a: tamaño del defecto

TENACIDAD A LA FRACTURA (KC): Es el valor de K que hace

que un defecto crezca y produzca la falla. Es un factor de

intensidad de esfuerzo crítico.

KC = K requerido para que una grieta se propague

-KC depende del espesor de la probeta: disminuye a medida que

aumenta el espesor hasta alcanzar un valor constante: KIc:

TENACIDAD A LA FRACTURA EN DEFORMACIÓN PLANA

- KIc: Se reporta como una propiedad del material

Factores que afectan la tenacidad a la fractura:

Defectos grandes reducen el esfuerzo permitido.

La capacidad de deformación: Materiales dúctiles el material

cerca del extremo del defecto se puede deformar redondeando la

grieta. A mayor resistencia, menor ductilidad y menor KIC.

A mayor velocidad de aplicación de la carga, menor KIC.

Al aumentar la T aumenta KIC.

Un menor tamaño de grano mejora la KIC

ENSAYO DE FATIGA

Cuando el material falla bajo la aplicación cíclica de un esfuerzo

inferior al esfuerzo de cedencia del material: FALLA POR

FATIGA!!!

- Esta falla ocurre en tres etapas:

a) se inicia una grieta minúscula en la superficie

b) propagación de la grieta

c) fractura súbita cuando la sección transversal del material es

demasiado pequeña para soportar la carga

Donde l: longitud de la barra, F: carga, d: diámetro

ENSAYO DE LA VIGA EN VOLADIZO: El esfuerzo máximo que actúa

en este tipo de probeta está dado por:

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