Microsoft Word - Apuntes Met. mecnica.doc

INTRODUCCIN DEL CURSO:

La Ingeniera Metalrgica es la encargada de aplicar la fsica, la qumica, la matemtica, y la economa para proveer a la sociedad de los metales que demanda para su desarrollo. Para llevar a cabo su actividad, el ingeniero metalrgico se apoya en los conocimientos desarrollados por los cientficos, para mejorar los procesos de produccin existentes, producir nuevas aleaciones y optimizar las aplicaciones para los metales que produce, haciendo de la ingeniera una Ciencia Aplicada. Sin embargo, en la prctica, el ingeniero es ms bien visto como un resolvedor de problemas y para ello no slo se basa en la ciencia, sino que tambin hace uso de su experiencia, intuicin y sentido comn.Dentro de la Ingeniera Metalrgica, la Metalurgia Mecnica es una disciplina fundamental, pues tiene que ver principalmente con las operaciones que dan forma y propiedades en la fabricacin de piezas metlicas y con la evaluacin de su desempeo en servicio. En su aspecto terico; bsicamente es una ciencia que se dedica al estudio de los mecanismos de deformacin y fractura y a su vez estudia las caractersticas estructurales y microestructurales que aportan las propiedades mecnicas de los metales. El resultado de estos estudios es el establecimiento de teoras y leyes, muchas veces expresadas en forma matemtica, que determinan las relaciones entre las caractersticas intrnsecas de los metales y el comportamiento observado bajo la accin de fuerzas externas. Muchos de los principios y teoras de la Metalurgia Mecnica son empleados para el diseo y procesamiento de metales y por lo mismo estn ntimamente ligadas con la prctica de la ingeniera. Para el ingeniero metalrgico, la Metalurgia Mecnica es una herramienta que le proporciona las bases para analizar y comprender el comportamiento de las piezas metlicas que fabrica, cuando stas son sometidas a cargas.Los ingenieros metalrgicos y los profesionistas dedicados a la ciencia de materiales son, bsicamente proveedores de materiales para las otras ingenieras y por lo tanto su funcin es buscar aquellos materiales que tengan las propiedades que los

Apuntes Metalurgia Mecnica10

ingenieros reclaman o de lo contrario, informarlos acerca de la resistencia mxima del material. Ellos aplican el conocimiento obtenido por los cientficos para producir los objetos, estructuras y mquinas que demandan la industria y la sociedad en general. Los ingenieros metalrgicos, desarrollan los procesos para la produccin de los materiales y se aseguran que los materiales se desempeen adecuadamente en el servicio. Aunque su herramienta principal de trabajo es el conocimiento cientfico, los ingenieros con frecuencia recurren al criterio ingenieril, que es una combinacin de experiencia e intuicin, para cubrir los huecos en el conocimiento. Cuando ni el conocimiento cientfico ni el criterio ingenieril son suficientes para garantizar un diseo, los ingenieros hacen uso de los famosos factores de seguridad, que son un exceso en las dimensiones, resistencia del material o una disminucin de las cargas permitidas, que permiten tener cierta confianza en el desempeo de los materiales cuando se sospecha la existencia de defectos y sobrecargas.En el contexto cientfico, la Metalurgia Mecnica busca comprender y ampliar el conocimiento acerca de la respuesta de los materiales metlicos a la accin, de las fuerzas que actan dentro y fuera de l. En la ingeniera, la Metalurgia Mecnica se aplica en el desarrollo y control de los procesos de produccin que modifican la forma fsica y las propiedades mecnicas durante la fabricacin de partes metlicas, y tambin se aplica en la evaluacin del desempeo de componentes estructurales y mecnicos en servicio, desde su puesta en operacin y hasta el fin de su vida til. Desde el punto de vista tcnico, quiz el aporte ms importante de la Metalurgia Mecnica es el desarrollo de las diferentes pruebas de evaluacin de propiedades mecnicas, destacando entre otras: el ensayo de dureza, el ensayo de tensin y las pruebas de la Mecnica de Fractura.El campo de la Metalurgia Mecnica

La Metalurgia Mecnica es la parte de la fsica que se refiere al estudio de la relacin entre las cargas externas que actan en un cuerpo slido las fuerzas internas y deformaciones que se producen como resultado de esta accin. Es mecnica, porque se refiere al anlisis de las fuerzas y sus reacciones en un cuerpo, sin importar las causas que las producen y sin alterar la materia y es metalurgia, porque se enfoca al estudio de cuerpos metlicos.

El comportamiento de los slidos metlicos cuando son sometidos a la accin de las cargas o tracciones externas es por lo tanto el campo de la Metalurgia Mecnica, dividiendo este campo para su estudio en tres partes:Comportamiento Macroscpico

El comportamiento macroscpico es la respuesta del cuerpo como un todo, a la accin de las cargas. Para realizar el anlisis se considera que el cuerpo es un slido, continuo, homogneo e inicialmente isotrpico. En trminos simples, estas consideraciones significan que el cuerpo est hecho de una misma sustancia, que no contiene vacos y que sus propiedades son las mismas en todas direcciones. Esto no es completamente realista, ya que como sabemos, todos los slidos contienen huecos, cavidades, etc.; no necesariamente estn hechos de una misma sustancia y sus propiedades varan segn la direccin en que se evalen, pero como la magnitud de estas desviaciones no son significativas cuando se comparan con las dimensiones reales del cuerpo, los anlisis realizados son razonablemente vlidos.Mecanismos de Deformacin y Endurecimiento

La segunda parte de la Metalurgia Mecnica, estudia la manera cmo ocurre la deformacin en los slidos y los mecanismos que originan la resistencia de los materiales. Estos tpicos se conocen como: Mecanismos de Deformacin y Endurecimiento. En este caso, el anlisis ya no se puede basar ms en la mecnica del medio continuo, debido a que precisamente los mecanismos de deformacin y endurecimiento dependen de la constitucin interna del metal y el anlisis necesariamente es llevado a un nivel microscpico. La deformacin plstica de los materiales es resultado del movimiento de defectos, por lo que el conocimiento de la cristalografa, la micromecnica de los defectos cristalinos y de la constitucin microestructural de los materiales es indispensable. El objetivo final de esta parte de la Metalurgia Mecnica, es comprender cmo ocurre la deformacin plstica y cul es el origen de la resistencia mecnica, para as desarrollar los materiales y tratamientos que aporten las propiedades buscadas en stos. El desarrollo de la tecnologa requiere de materiales que tengan la combinacin de propiedades mecnicas esperadas. Para realizar este diseo de una manera ms eficiente es necesario comprender el origen de la resistencia mecnica de los materiales y la manera en que se deforman y fracturan.

En otras palabras, la Metalurgia Mecnica estudia el por qu de la resistencia, ductilidad o tenacidad de un metal en funcin de su estructura cristalina, su microestructura y la temperatura en que se encuentra, aportando las bases para el diseo de tratamientos trmicos, mecnicos y nuevos materiales.Fractura

Finalmente, en la tercera parte de la Metalurgia Mecnica se estudia la fractura que es la etapa final del proceso esfuerzo-deformacin y por lo tanto, significa el fin del servicio de una pieza o el lmite mximo al cual se le puede deformar. La fractura para su estudio es nuevamente dividida en dos partes: La Mecnica de la Fractura, que se dedica al estudio de las condiciones de carga, tamao de grieta y geometra del cuerpo que conducen a la fractura, y la Fractografa, que es el estudio de los mecanismos de fractura y en base a las caractersticas de las superficies de fractura. La importancia del estudio de la fractura, es que en base a ella no slo se pueden disear materiales ms resistentes, sino que tambin se puede determinar el lmite de tolerancia de grietas en estructuras y predecir su vida til cuando sta es determinada por la rapidez de crecimiento de las grietas. Esta capacidad es por dems conveniente si consideramos que en la prctica la generacin de grietas durante la fabricacin o en servicio es inevitable.Conceptos Bsicos de la Metalurgia Mecnica

De acuerdo a las Leyes de Newton, que son la base de la mecnica, a toda accin corresponde una reaccin, de manera que cuando se aplica una fuerza externa a un cuerpo slido y este permanece esttico, se produce una reaccin interna que equilibra la fuerza externa; la magnitud de la reaccin interna es el esfuerzo y la consecuencia inmediata de la existencia de un esfuerzo es la deformacin. Analicemos en mayor detalle el concepto de esfuerzo.La fuerza interna de reaccin afecta los enlaces que mantienen unidas a las partculas del slido, produciendo fuerzas entre ellos. La magnitud de la reaccin en cada enlace depende de la magnitud de la fuerza aplicada y de la cantidad de partculas que resisten la accin de esa fuerza. La cantidad de enlaces que soporta tal fuerza esta directamente relacionada con el rea transversal a la direccin en que acta la fuerza.

La Figura 1 muestra lo anterior. La fuerza externa F, es la misma en ambos casos, pero el rea A (cantidad de partculas) que resiste la fuerza interna resultante es diferente. Como se puede observar, la magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A, de manera que la magnitud del efecto interno puede ser evaluado por la relacin: F/A. Si la relacin F/A es grande el efecto es grande. Si la relacin F/A es pequea, el efecto es pequeo. A esta relacin se le llama esfuerzo y sedefine usualmente con la letra griega sigma ().

Figura 1: Efecto de la aplicacin de una fuerza en un slido.

Por lo tanto, el esfuerzo es la magnitud de la reaccin interna producida en un slido bajo la accin de una carga externa.As, la base de la Metalurgia Mecnica es el anlisis de los esfuerzos y deformaciones en los cuerpos slidos metlicos. Esto tiene una importancia prctica fundamental, pues bsicamente, toda pieza o estructura metlica es construida con un fin: soportar y transmitir una fuerza externamente aplicada.Un principio prctico de diseo, derivado de la definicin de esfuerzo es poner ms material donde hay mas esfuerzos. Esto en una manera de hablar es aumentar el rea para reducir el esfuerzo. Este principio lo observamos cotidianamente en muchos casos; dos ejemplos tpicos son las paredes de las presas y las vigas. En el primer caso, como muestra la Figura 2(a), los esfuerzos mayores estn en la base de la pared, por tener ah la mxima presin, por lo tanto la pared de la presa es ms ancha en ese

nivel y su espesor disminuye a medida que se aproxima a la superficie del agua. En el caso de la viga, mostrado en la Figura 2(b), los esfuerzos de flexin en una viga horizontal que soporta un peso P, son mximos en los bordes de la viga, mientras que al centro se tiene un eje neutro donde los esfuerzos son nulos. Aprovechando este hecho, las secciones superior e inferior de la viga se ensanchan para soportar tales esfuerzos, mientras que el centro permanece esbelto, economizando enormemente enpeso y volumen.

Figura 2: Poner mas material donde hay mayor esfuerzo

As, la Metalurgia Mecnica tiene las tareas de evaluar la magnitud de los esfuerzos y las deformaciones producidas y determinar si el metal tiene la suficiente resistencia para soportar esas fuerzas sin deformarse excesivamente o llegar a la fractura. Esta segunda tarea define lo que son las pruebas mecnicas, como las de tensin, dureza y resistencia al impacto.La Metalurgia Mecnica se basa para su anlisis en las condiciones de equilibrio que existen entre las fuerzas externas que se aplican a un slido y las fuerzas internas que se oponen a la accin de estas y busca establecer las relaciones matemticas entre los esfuerzos y las deformaciones. Bajo las condiciones anteriores, el primer paso es establecer qu ocurre al aplicar una fuerza en un slido. La manera ms simple de observar lo anterior es aplicar una fuerza de tensin en un cuerpo de seccin transversal

regular y registrar los cambios en las dimensiones del cuerpo. La Figura 3 ilustra lo anterior.

Figura 3: Comportamiento en tensin

Como se puede observar, al principio el cambio de dimensiones es proporcional a la magnitud de la carga aplicada; adems de que es reversible, es decir, que al retirar la carga el cuerpo recupera su forma y dimensiones originales. A este comportamiento se le denomina Elasticidad. En la mayora de los materiales y en especial en los metales, cuando el esfuerzo producido por la carga rebasa un valor limite, el cambio de forma se vuelve permanente, diciendo que en este caso el material esta en condiciones de plasticidad. Finalmente, Cuando el material no puede continuar deformndose, sobreviene la fractura.El lmite elstico o lmite de cedencia o fluencia, es el esfuerzo a partir del cual un material comienza a deformarse permanentemente (deformacin plstica). En muchas aplicaciones de ingeniera si una pieza se deforma plsticamente, deja de funcionar adecuadamente, por ello los diseos de ingeniera se hacen de tal manera que el esfuerzo no rebase el lmite de cedencia.La Importancia de las Matemticas

En ciencias e ingeniera siempre es necesario expresar la solucin de un problema como un nmero y no simplemente como una aproximacin y para ello se usan las matemticas. Por ejemplo, si se requiere de un cable que soporte una carga de

cuatro toneladas y que su seccin transversal no exceda dos centmetros cuadrados, ,se debe especificar la resistencia mnima requerida como un nmero, es decir 2 ton/cm, pues no bastara con decir "un cable de alta resistencia", pues no sabramos cuanto es "alta resistencia" para un cable. Si el cable es de acero, 2 ton/cm es una resistencia baja, pero si el cable es de polietileno, la resistencia es muy alta.Las relaciones matemticas son importantes para tomar decisiones prcticas que de otra manera requerirn costosos mtodos de prueba y error. (Jorge Luis Gonzlez Velsquez).

UNIDAD 1: CONFORMACIN PLSTICA DE LOS METALES.

1.1 INTRODUCCIN.

La capacidad de los metales para deformarse plsticamente es una de las caractersticas mas valiosas, pues permite elaborar el metal en chapas y flejes, laminarlo o estirarlo para formar varillas, redondos, tubos y perfiles, es decir dar formas tiles al metal slido. Cuando la deformacin plstica tiene lugar en fro, se produce una notable consolidacin del metal, lo que permite conseguir resistencias mecnicas elevadas en aleaciones que no se les puede aumentar a travs de tratamientos trmicos.El aumento de resistencia que adquiere el metal por la deformacin en fro exige incrementar continuamente el esfuerzo necesario si se ha de continuar la operacin de conformacin. Pero muchas veces el metal se hace demasiado duro y frgil y es necesario ablandarlo de nuevo antes de continuar, lo que se lleva a cabo por calentamiento intermedio (recocido intermedio), el cual produce una reorganizacin estructural que elimina la fragilidad introducida por la deformacin en fro.

1.2 NATURALEZA DE LA DEFORMACIN PLSTICA.

La capacidad de los metales para deformarse sin romperse ha de atribuirse exclusivamente a su estructura atmica. El metal es un enrejado de tomos sumergidos en una nube de electrones que permite el desplazamiento de los enlaces atmicos y hace fcil el intercambio de electrones.

Como cada tomo no esta particularmente enlazado a los electrones ni a otros tomos, resulta fcil el deslizamiento a lo largo de ciertas direcciones cristalogrficas, que se produce sin rotura de enlaces. Una parte del metal puede deslizarse respecto a otra, sin que se produzca la rotura, a lo largo de ciertos planos atmicos. La deformacin progresiva segn muchos planos atmicos cambia la forma externa del metal. Por eso es deformable.

1.3 CONFORMACIN EN CALIENTE Y EN FRO.

La deformacin en fro aumenta la dureza y la resistencia de los metales. Se dice que les da acritud y el efecto se llama endurecimiento por deformacin. Se puede definir la deformacin en fro como aquella deformacin plstica que ocurre a una temperatura y velocidad tales que provoca un endurecimiento del metal.Cuando el metal se deforma a una temperatura suficientemente alta, como para que no se produzca endurecimiento, porque el que producira la deformacin es simultneamente eliminado por el efecto de la temperatura de trabajo, se dice que se deforma en caliente (conformado en caliente). La deformacin en caliente ser aquella que se realiza a una temperatura y velocidad tales que no se produzca acritud.La temperatura lmite entre la deformacin en fro y la deformacin en caliente depende del metal que se trabaja y de la velocidad de la deformacin. El ablandamiento de los metales deformados en fro se debe principalmente a la recristalizacin, fenmeno por el que los cristales viejos deformados y sometidos a tensiones se transforman en otros nuevos, libres de perturbaciones y tensiones. La temperatura recristalizacin no es una constante para un metal dado, sino que depende del tiempo que se mantenga la temperatura, de la magnitud de la deformacin plstica que haya sufrido y de otras variables.La temperatura lmite para la deformacin en fro es la mxima a la que el metal retiene la acritud. La temperatura mxima para la conformacin en caliente esta determinada por diversas consideraciones, tales como la fusin insipiente del slido, la oxidacin interna de los bordes de grano y la formacin excesiva de cascarilla por oxidacin de la superficie del metal.

1.3.1 CONFORMADO EN FRIO:

Como se ha dicho el conformado en fro es un proceso por el cual una aleacin es simultneamente deformada y endurecida. La deformacin en fro se produce por deslizamiento o por maclaje; en ambos casos se desplazan los tomos unos con relacin a otros y originan la deformacin permanente.El deslizamiento ocurre sobre ciertos planos cristalogrficos (Figura 1.1). Esanlogo al resbalar las cartas de una baraja y produce una deformacin en escalones del cristal. Metalogrficamente, es fcil reconocer el deslizamiento porque aparecen rayas sobre una superficie pulida (Figura 1.2) que desaparece con un repulido posterior.

Figura 1.1: Deslizamiento de una estructura cbica. La orientacin de las redes se mantiene despus del deslizamiento. Bloques enteros se desplazan sobre planos de deslizamiento.

Figura 1.2: Formacin de las lneas de deslizamiento en una superficie pulida.

El deslizamiento ocurre a lo largo de unos planos particulares, llamados planos de deslizamiento, y segn ciertas direcciones cristalogrficas de estos. Cuando hay muchos planos y direcciones de deslizamiento posibles es fcil la deformacin plstica; sucede lo contrario si hay pocos que ofrezcan facilidades. En este ltimo caso el metal es ms resistente y menos dctil.El maclaje, ayuda a deformar mas fcilmente que por deslizamiento en algunosmetales, y otros tienen los dos mecanismos. El maclaje ocurre cuando los planos atmicos se desplazan cada uno con relacin a otro adyacente en una magnitud fija que es una fraccin del espacio interatmico. Como en el deslizamiento, el maclaje se presenta segn ciertos planos cristalogrficos y direcciones contenidas en ellos.La figura 1.3, muestra los movimientos de cizalle necesarios para producir una macla en una red cbica centrada.Como la capa maclada tiene diferente orientacin cristalogrfica que el cristal original no maclado, es fcil observar y diferenciar la macla mediante el ataque microscpico. Las maclas siguen siendo visibles aunque se vuelva a pulir y atacar la probeta despus de producidas.

Figura 1.3: Relaciones de macla en una red cbica de caras centradas.

Comparacin entre el deslizamiento y el maclado. Estos dos tipos de deformacin se diferencias en:1. La magnitud del desplazamiento: En el desplazamiento los tomos se desplazan un nmero entero de espaciados interatmicos, mientras que en el maclado los tomos se desplazan cantidades fraccionadas de dicho espaciado, dependiendo su valor de su distancia al plano maclado.2. Aspecto al microscopio: El deslizamiento se presenta como lneas finas, mientras que el maclado aparece bajo la forma de lneas anchas o bandas.3. Orientacin de la red: En el deslizamiento, la orientacin de la red se modifica muy ligeramente y los escalones son visibles nicamente en la superficie del cristal. Si se pule la superficie y se eliminan estos escalones, no hay ninguna seal que nos permita conocer que el metal ha sufrido una deformacin por deslizamiento. Sin embargo, en el maclado, como la orientacin de la red de la regin deformada es distinta, aunque el pulido elimine los escalones de la superficie, siempre puede revelarse esta regin, atacando la superficie con los reactivos apropiados, que pongan de manifiesto las diferentes orientaciones.

Influencia del trabajo en fro sobre las caractersticas de los metales:

Todas las caractersticas de los metales que dependen de su estructura cristalina son afectadas por las deformaciones plsticas o trabajo en fro. As, la resistencia a la traccin, el limite de elasticidad prctico y la dureza aumentan, mientras que la ductilidad, expresada por el porcentaje de alargamiento, disminuye (tabla 1.1). Sin embargo, la variacin de estas propiedades no es la misma para todas ellas. As, por ejemplo, la dureza aumenta por lo general con mayor rapidez en el primer 10% de reduccin, mientras que el aumento de resistencia a la traccin es sensiblemente lineal. El crecimiento del limite elstico prctico es mayor que el de resistencia a la traccin, por lo que, conforme aumenta la deformacin, disminuye la diferencia entre los valores de estas dos propiedades (Figura 1.4). Esto reviste gran importancia en algunas operaciones de conformado, en las que se requiere grandes deformaciones. En el estirado, por ejemplo, la carga aplicada debe ser superior al punto de fluencia para que las deformaciones que se obtengan sean de cierta importancia, pero inferior a la resistencia de traccin para evitar la rotura del material. Si la diferencia entre estosvalores es pequea, la aplicacin de la carga requiere un control muy riguroso.

Reduccin por laminacin en fro, en porcentajeResistencia a la traccin Kg/mm2Alargamiento, % en2 pulgadasDureza Rockwell

030,27012

1033,75262

2037,23583

3042,22084

4049,81294

5056,2897

6063,36100

Tabla 1.1: Influencia de la deformacin plstica sobre las caractersticas de traccin del latn 70:30.

Figura 1.4: Efecto del trabajo en fro sobre la resistencia a la traccin y limite elstico prctico del cobre.

La ductilidad se comporta de manera opuesta a la dureza, ya que en el primer

10% de reduccin la disminucin es muy rpida, luego sigue en una proporcin mas moderada.La distorsin de las estructuras cristalinas obstaculiza el movimiento de los electrones, por lo que la conductividad elctrica disminuye. Esta disminucin es pequea en los metales puros, aunque en las aleaciones adquiere cierta importancia.El aumento de energa interna, principalmente en los contornos de grano, trae como consecuencia una disminucin de la resistencia del material a la corrosin, al hacerlo mas susceptible a la corrosin intergranular.

Figura 1.5: Efecto del trabajo en fro sobre la conductividad elctrica del aluminio puro; del cobre puro; del Cu + 30% de Ni; del Cu + 3% de Si; del Cu + 5 y 7.5% de Al;del Cu + 10, 20, 30% de Zn.

El trabajo en fro se puede calcular segn la formula:

% trabajo en fro =

AO AF *100AO

1.3.2 RECOCIDO

Se designa as a un tratamiento cuyo objeto es destruir mediante un calentamiento la estructura distorsionada por el trabajo en fro y hacer que adopte una forma libre de deformaciones. Este proceso se realiza totalmente en el estado slido, y el calentamiento va seguido normalmente de un enfriamiento lento en el horno desde la temperatura alcanzada. El proceso de recocido puede dividirse en tres fases: restauracin o recuperacin, recristalizacin y crecimiento de grano.

Recuperacin: La recuperacin, o recocido para eliminacin de esfuerzos residuales, es un tratamiento trmico de baja temperatura diseado para reducir o eliminar los esfuerzos residuales. La microestructura contiene granos deformados que contienen a

su vez un gran nmero de dislocaciones en forma de red. Cuando calentamos el metal a temperatura levemente elevadas las dislocaciones se mueven y rearreglan, mientras que los esfuerzos residuales se reducen y finalmente se eliminan.La conductividad elctrica tambin aumenta, pero la microestructura no presenta ningn cambio apreciable. Industrialmente, este tratamiento de estabilizacin a bajas temperaturas se denomina recocido de alivio de tensiones.

Recristalizacin: Al aumentar la temperatura de recuperacin se hacen perceptibles en la microestructura nuevos cristales diminutos. Estos tienen la misma composicin y estructura cristalina que los granos originales sin deformar, y su forma no es alargada, sino que son aproximadamente de dimensiones uniformes (equiaxiales). Por lo general se suelen desarrollar en las zonas del grano ms intensamente deformadas, como suelen ser los contornos de grano y los planos de deslizamiento. Las agrupaciones de tomos que dan origen a estos nuevos cristales se denominan ncleos. El fenmeno de la recristalizacin puede considerarse como la combinacin de dos procesos distintos, uno de nucleacin de granos libres de distorsin y el otro de crecimiento de estos ncleos, los cuales se desarrollan absorbiendo el material inestable trabajado en fro.Una idea de cmo se realiza el proceso, se hace estudindolo en funcin de la energa de la red. Al hablar de la deformacin plstica dijimos que los planos de deslizamiento y los contornos de grano eran puntos localizados de energa interna elevada, debido a la acumulacin de dislocaciones en ellos. Ahora bien, la misma naturaleza de la acritud impide a los tomos o dislocaciones de la red distorsionada moverse para formar una red libre de distorsin.Al aumentar la duracin del recocido, disminuye la temperatura de recristalizacin. El tiempo de recocido tambin tiene su influencia, pues con ms tiempo la temperatura necesaria ser menor (figura 1.6).

Figura 1.6: Efecto del tiempo de recocido sobre la temperatura de recristalizacin del metal deformado en fro.

Cuando el metal se ha deformado poco en fro, aun las regiones mas alteradas tienen escasa tendencia a la recristalizacin, y sta no se produce ni a temperaturas muy elevadas. Una deformacin ligeramente mayor origina pocas regiones con energa interna elevada para que puedan recristalizar; en ellas se originan pocos granos nuevos, que al crecer y digerir el resto del material dan lugar a un grano muy grosero. La deformacin mnima que causa recristalizacin en el recocido posterior se llama deformacin crtica, y al crecimiento anormal del grano a que da lugar, crecimiento de grano por deformacin critica. Para que se pueda producir la recristalizacin en un metal es preciso un mnimo de deformacin plstica (normalmente del 2% al 8%).

El crecimiento de grano:

La energa libre de los granos grandes es inferior a la de los granos pequeos. Esta disminucin de energa se asocia a la reduccin de superficies de contornos de grano. Por tanto, en condiciones ideales, el mnimo estado energtico de un metal ser el correspondiente al monocristal. Esta disminucin de energa constituye, la fuerza del proceso de crecimiento de grano, siendo la fuerza que se opone la rigidez de la red. Al aumentar la temperatura disminuye la rigidez de la red, aumentando la velocidad de

crecimiento de grano y a cada temperatura de calentamiento existe un tamao de grano mximo, para el cual estas dos fuerzas se encuentran en equilibrio.Por tanto, tericamente es posible conseguir granos de tamao muy grande con solo mantener el material durante largo tiempo a las temperaturas mas elevadas de la regin de crecimiento de grano.La velocidad de enfriamiento desde la temperatura de recocido tiene un efecto despreciable sobre el tamao de grano final. Este factor puede tener influencia nicamente en el caso de que el material haya sufrido un calentamiento a temperatura elevada en la zona de crecimiento de grano y el enfriamiento subsiguiente se haya realizado con lentitud. En este caso el material puede tener todava durante el enfriamiento energa suficiente para que los granos continen creciendo, lo que puede dar lugar a que en algunas zonas la estructura sea grosera.

Los ciclos de conformado en fro y recocido:

La deformacin en fro endurece y resta ductilidad a los metales. Si es excesiva el metal puede romperse antes de conseguir darle la forma y el tamao deseado. Para evitar esto la deformacin se realiza en varias etapas, entre las que se intercalan recocidos intermedios con el propsito de ablandar y dar la ductilidad necesaria para la operacin de conformado posterior. El proceso repetido de conformacin en fro y recocido es un ciclo de estas operaciones teniendo en cuenta las propiedades mecnicas que se desean.Cuando se desean un producto final completamente blando, a la ltima deformacin en fro debe seguir un recocido de recristalizacin. Si, por el contrario, se desea un producto final mas duro, la operacin final ser un conformado en fro.Suele resultar ms fcil lograr las propiedades finales por una ltima deformacin en fro que por un recocido incompleto del metal totalmente endurecido. El ablandamiento parcial solo puede obtenerse por recristalizacin parcial y, a veces, por un tratamiento largo a las temperaturas de restauracin. Ninguno de estos mtodos permite un control seguro de las propiedades ni resulta econmico. La disminucin de la dureza y resistencia durante la recristalizacin es relativamente rpida, y bastan pequeas diferencias de temperatura en la carga de un horno o poca variacin en el

tiempo de tratamiento para provocar diferencias notables en las propiedades del metal parcialmente recristalizado.Las piezas bien acabadas por conformado en fro, con la forma, tamao y propiedades deseadas, necesitan todava un recocido de alivio de tensiones para evitarla posibilidad de un envejecimiento por deformacin o la corrosin bajo tensiones.

Figura 1.7: Ciclo de recocido y deformacin en fro.

El metal endurece y aumenta la resistencia y pierde ductilidad por la deformacin. Antes que el metal se rompa se detiene la deformacin en X. Si el metal se ha deformado hasta el punto X se somete a un recocido de una hora a la temperatura Y, se recupera la ductilidad y resistencia iniciales. A fin de obtener propiedades intermedias se recuece el metal lo suficiente para que con una deformacin final se puedan obtener las propiedades deseadas.

1.3.3 CONFORMADO EN CALIENTE

La conformacin en caliente se realiza a temperaturas tales que el metal no puede tomar acritud. Se emplea por dos razones: dar forma de objetos tiles al metal y conseguir mejores propiedades que las de una pieza colada. En la conformacin en caliente se produce un autorrecocido; la recristalizacin sigue la deformacin sin solucin de continuidad. Este autorrecocido evita el endurecimiento y la prdida de ductilidad tpicos de la conformacin en fro, y permite continuar la conformacin sin recocidos intermedios. Es de tener en cuenta que a temperatura elevada disminuye tambin la resistencia a la fluencia del metal, y la conformacin puede realizarse con esfuerzos mucho menores.

Ventajas de la conformacin en caliente.

La conformacin en caliente se efecta para lograr la forma deseada gastando un mnimo de energa y obtener las mejores propiedades mecnicas del metal que se trabaja. Es til en la obtencin de deformaciones demasiado grande que no sera posible realizar, por lo menos econmicamente, mediante la conformacin en fro. Las fuerzas a aplicar y los equipos necesarios son mas pequeos que cuando se trabaja el metal en fro.Durante la conformacin en caliente es posible eliminar defectos tales como las sopladuras, la porosidad interna y la segregacin, por lo menos en gran proporcin, con lo que se consolida el metal y aumenta su densidad. Las grandes dendritas del material bruto de colada se afinan transformndose en granos equixicos mas pequeos, lo que mejora las propiedades del producto.La deformacin plstica a las temperaturas de la conformacin en caliente tiene un efecto marcado sobre las segregaciones, porque el deslizamiento a lo largo de los planos cristalogrficos produce una mezcla de los tomos, que facilita la eliminacin de las microsegregaciones y las segregaciones intragranulares. La temperatura elevada facilita tambin la difusin.Las inclusiones no metlicas de diversas composiciones se aplastan y alargan cuando el metal es alargado, hacindose menor su efecto perjudicial por estar menos localizado. Resulta una estructura de fibra, la cual se pone de manifiesto atacando una

seccin longitudinal del metal. La fibra indica la direccin en la que el metal fluy durante la conformacin. No se debe suponer que la presencia de fibra es indicacin de resistencia o de malas propiedades. Solo patentiza la direccin del flujo del metal y del alargamiento de la estructura.Los mejores resultados del trabajo en caliente se alcanzan cuando, por una tcnica de conformacin adecuada, se consigue orientar la fibra favorablemente respecto a los esfuerzos durante el servicio.

Limitaciones de la conformacin en caliente:

Las limitaciones son consecuencias de las elevadas temperaturas necesarias. Sobre la superficie del material se forma rpidamente xido durante el calentamiento y el trabajo, lo que puede causar rugosidad superficial de los productos acabados o excesiva prdida de material por formacin de cascarilla. Adems, las dilataciones que sufre el material al calentarse y la contraccin en el enfriamiento no permiten lograr tan buen acabado superficial ni la exactitud extrema de dimensiones como las que son posible por conformacin en fro.Otra limitacin en los aceros es la descarburacin superficial. El carbono se pierde durante el calentamiento en los hornos y mientras se manipula en el aire. Con ello se debilita la superficie y puede ser desventajoso en muchas aplicaciones, especialmente cuando las piezas estn sometidas a esfuerzos alternativos y puedan fallar por fatiga. Las roturas por fatiga se inician casi exclusivamente en la superficie y no en el interior de las piezas.

Mecanismo de la conformacin en caliente:

El mecanismo de la deformacin plstica durante la conformacin en caliente es parecido al de la conformacin en fro. Se producen deslizamientos y maclas simultneamente con restauracin, recristalizacin y crecimiento de grano. La secuencia en que estos fenmenos se producen se esquematiza en la figura 1.12. el metal aplastado entre los cilindros se alarga y comprime; pero en cuanto los abandona, empieza a recristalizar el metal caliente en los bordes de grano y pronto se ha completado el proceso. Inmediatamente empieza el crecimiento de grano hasta

alcanzar un tamao que depende de la temperatura de trabajo. Cuanto mas elevada sea, mas rpida son la recristalizacin y la coalescencia, y mayor es el tamao final del grano.

Figura 1.8: Representacin esquemtica de los efectos metalrgicos de la laminacin en caliente.

Temperatura de la conformacin en caliente:

La temperatura mnima para la conformacin en caliente es aquella a la que no se produce endurecimiento por deformacin. Si se disminuye progresivamente la temperatura se llega aun punto en que la recristalizacin y el ablandamiento no pueden compensar con rapidez los efectos endurecedores de la deformacin plstica.Con el aumento de la temperatura disminuye el limite de fluencia y se necesita menos fuerza o presin para trabajar el metal. Lo mejor sera trabajar a temperaturas lo mas elevadas posibles, justamente debajo de la lnea solidus, pero hay factores que limitan la temperatura superior. Entre ellos cuentan la fusin incipiente del metal, la formacin de excesiva cascarilla sobre la superficie, la oxidacin de los bordes de grano, etc.La oxidacin de los bordes de grano o su fusin incipiente suelen denominarse quemado, lo que hace referencia a una temperatura excesiva. Es natural que la mxima

temperatura de conformacin en caliente sea seguramente mas baja que la de quemado.

Control del tamao de grano:

El tamao de grano de los productos conformados en caliente depende esencialmente de la temperatura a que acaba el conformado. Cuando la conformacin en caliente se detiene a temperaturas considerablemente superiores a la mnima se produce crecimiento de grano.Los metales que no tienen cambios polimrficos no pueden tratarse trmicamente para modificar el tamao de grano, ya que no pueden recristalizar sin una deformacin plstica previa. Calentando un metal sin tensiones, solo se consigue aumentar el tamao de grano, por lo que la temperatura de acabado de conformacin en caliente es el factor decisivo para controlarlo.

Velocidad y uniformidad del calentamiento:

Hay tendencia a calentar el metal demasiado rpido. El calor es absorbido por la superficie de la carga y conducido hasta el centro de la seccin por el gradiente de temperatura. En hornos de alta temperatura, la velocidad con que se cede calor es mayor que aquella con que puede ser transmitido hasta el centro de las piezas, por lo que siempre hay peligro de sobrecalentamiento superficial, y aun de quemado y fusin de la superficie.La falta de uniformidad en el calentamiento se debe en ocasiones a una sobrecarga de los hornos o a una mala colocacin de la carga en ellos.

Velocidad de enfriamiento:

Las masas grandes de metal son sensibles el enfriamiento rpido, que pueden provocar agrietamientos. Se producen grietas internas porque la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior origina contracciones desiguales y tensiones internas.Algunos aceros son muy sensibles a ciertos defectos internos, llamados copos o grietas capilares, causados al aparecer por el hidrgeno existente dentro del metal

slido. Durante el calentamiento se difunde hidrgeno hacia el interior del acero, y el enfriamiento rpido desde la temperatura de conformacin en caliente lo atrapa dentro del metal y provoca tensiones internas, adems del efecto de las diferencias de temperatura.Otra forma de combatir los copos es enfriar el metal muy lentamente desde la temperatura del trabajo en caliente, con el fin de que haya tiempo para la salida del hidrgeno por difusin.

1.4 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA:

Al decir que una temperatura es alta o baja lo hacemos en termino relativos, ya que tomamos como referencia el medio ambiente. Lo que en el caso de metales de bajo punto de fusin, como el plomo y el estao, se considera como temperatura elevada, al referirnos a metales de alto punto de fusin, como el tungsteno, puede ser una temperatura baja. Por consiguiente, los metales de punto de fusin mas bajo presentarn unas caractersticas a baja temperatura, las cuales requieren para su presentacin, en otros metales, temperaturas relativamente mas altas. As, por ejemplo, para que el hierro cristalice despus de una deformacin en fro, se necesita calentarlo a una temperatura de 540C aproximadamente, mientras que en el plomo y estao esta recristalizacin se lleva a efecto a temperatura ambiente. Normalmente, las caractersticas de los metales se determinan a la temperatura ambiente, y la idea que nosotros tenemos de los metales esta fundada en su comportamiento a las temperaturas normales. Cuando la temperatura vara, bien sea aumentando o disminuyendo, suelen originarse cambios en el comportamiento de los metales, que pueden llegar a afectar seriamente a su utilidad en una aplicacin particular.

1.4.1 Comportamiento de los metales a temperaturas altas:

La experiencia demuestra que el comportamiento de los metales a elevadas temperaturas bajo la accin de una carga depende de la duracin del periodo de aplicacin de la carga. Como la vida prevista de los elementos de las mquinas normalmente es larga, no es posible efectuar ensayos de muchos aos de duracin para determinar que tipo de material conviene utilizar en las distintas aplicaciones. Se

hace necesario, pues obtener los datos que se buscan por extrapolacin a partir de valores recogidos en ensayos de corta duracin. Sin embargo, esta extrapolacin debe realizarse con gran cuidado a partir de ensayos que proporcionen datos tiles.En los ensayos a temperatura elevada hay que determinar la relacin que existe entre la resistencia mxima (resistencia a la rotura) y el lmite de elasticidad prctico (resistencia al creep) con el tiempo de aplicacin de la carga. Para estudiar el comportamiento plstico de los metales a temperaturas elevadas, conviene aplicar sobre la probeta que se va a ensayar una carga de traccin. Si bien en muchos casos, con este procedimiento no se reproducen fielmente las condiciones reales de servicio, de los resultados obtenidos se puede sacar una informacin muy valiosa y aplicable a los casos en que el material esta sometido a una serie de esfuerzos combinados.El nmero de ensayos desarrollados para estudiar el comportamiento de los materiales a temperaturas elevadas es muy grande, pero los tres que ms se utilizan son:1. Ensayos de creep con deformaciones pequeas: Tensiones bajas sobre el material y bajas velocidades de deformacin durante largos periodos de tiempo.2. Ensayos de rotura (por creep) con deformaciones mayores: Mayores tensiones sobre el material durante periodos de tiempo mas cortos, y mayores velocidades de deformacin.3. Ensayos de traccin acelerados con grandes deformaciones: Grandes tensiones y grandes velocidades de deformacin.

Ensayo de creep (fluencia lenta):

La fluencia lenta es una propiedad que reviste gran importancia en los materiales que se deben utilizar a temperaturas elevadas. Esta propiedad puede definirse como la deformacin plstica que, de una manera lenta y continua, tiene lugar en los materiales sometidos a unas condiciones de carga o tensin constantes. Este fenmeno se presenta a cualquier temperatura, aunque su importancia depende del material y del grado de deformacin continua que se desea alcanzar.El ensayo de fluencia lenta no es sino un ensayo de traccin que se realiza a temperatura y carga constantes. Su realizacin exige una medida del alargamiento de

la probeta muy exacta y un procedimiento de calentamiento de esta probeta estrechamente controlado. El creep o alargamiento experimentado por la probetadurante la realizacin del ensayo se presenta grficamente en funcin del tiempo.

Figura 1.9: Curva tpica de fluencia lenta o creep, en las que se observan las tres fases del proceso.Al someter el metal a una carga, primero se produce un alargamiento elstico y despus una fase primaria de naturaleza transitoria, durante la cual se produce un deslizamiento y un endurecimiento por deformacin plstica de los granos de orientacin mas favorable. La velocidad de creep (tangente a la curva), inicialmente elevada, va disminuyendo gradualmente hasta alcanzar un valor mnimo. A continuacin se presenta una fase secundaria o de fluencia casi-viscosa, durante la cual la deformacin prosigue a un ritmo prcticamente constante. Se equilibra el endurecimiento por deformacin con el ablandamiento por recristalizacin. Sin embargo, si la tensin alcanza un valor suficientemente alto se presenta una fase terciaria, durante la cual aumenta la velocidad de fluencia, y a cuyo termino se produce la rotura del material.En la fluencia parece que ejercen un influjo considerable las pequeas variaciones que tienen lugar en la microestructura del material y los tratamientos previos. Asimismo, las propiedades de fluencia vienen determinadas en gran medida por el tamao de grano.

Mientras que a la temperatura ambiente los materiales de grano fino presentan un limite de elasticidad prctico y una resistencia mxima superiores a los de los materiales de grano grande, a temperaturas elevadas sucede lo contrario. Se supone que a temperaturas altas los contornos de grano pueden actuar como centros generadores de las dislocaciones que originan las fluencias.Uno de los factores que mas afecta el proceso de la fluencia, retardando su aparicin, es la presencia de una segunda fase, finamente dispersa, fuerte y estable.

Ensayos de rotura bajo carga:

Estos ensayos tienen por objetivo determinar la resistencia a la rotura de un material a temperaturas elevadas. En estos ensayos las cargas aplicadas suelen tener un valor suficiente para producir la rotura del material en un tiempo relativamente breve, el cual suele estar comprendido entre 10 y 400 horas.Prcticamente, el ensayo consiste en romper a las temperaturas que se consideren una serie de probetas bajo la accin de una carga constante, eligiendo las tensiones de tal modo que las roturas de produzcan al cabo de un tiempo determinado, variable desde unos pocos minutos a algunos cientos de horas.

Figura 1.10: Representacin grfica en coordenadas logartmicas, de las tensiones en funcin de los tiempos de rotura, correspondientes a la aleacin S-590 (cromo-nquel- cobalto)

Las principales diferencias entre los ensayos de rotura y los de creep estn en la duracin del ensayo, en los valores de las tensiones y deformaciones, y en la precisin del control y medida de la temperatura, carga y deformacin.

Ensayos de traccin acelerados:

Estos ensayos tienen como objetivo estudiar la influencia del calentamiento de la probeta y se realizan haciendo que el material adquiera las deformaciones que se pueden alcanzar en las mquinas de traccin ordinarias. Las propiedades elsticas a temperaturas elevadas no son reales, puesto que los resultados que se obtienen dependen del tiempo trascurrido entre la aplicacin de las cargas, y su exactitud de la sensibilidad del extensmetro. Se efectan a veces para obtener una estimacin rpida del comportamiento del materiales que van ser sometidos con posterioridad a un estudio mas detenido, y muchas los valores obtenidos se admiten que son los correspondientes al punto 0,1 horas de la curva de rotura. La figura 1.11 muestra la variacin con la temperatura del limite de elasticidad prctico y de la resistencia a la traccin del Inconel X (aleacin de 50-70% Ni, 20% Cr, 10% Mo y 20% Co), habindose obtenido los valores indicados en un ensayo acelerado.

Figura 1.11: Curvas correspondientes al limite de elasticidad prctico y resistencia a la traccin del Inconel X a temperaturas elevadas, obtenidas en un ensayo de traccin acelerado

1.4.2 Comportamiento de los metales a baja temperatura:

A medida que baja la temperatura por debajo del valor normal correspondiente al medio ambiente, aumente la dureza, el limite de elasticidad prctico y, salvo pocas excepciones, la resistencia mxima y el modulo de elasticidad de todos los metales y aleaciones. La variacin que experimentan con la temperatura, el limite de elasticidad prctico y la resistencia a la traccin del hierro, nquel y cobre estn representados en la figura 1.12.

Figura 1.12: Variacin con la temperatura del limite de elasticidad prctico y de la resistencia a la traccin del hierro, cobre y nquel.Al decrecer la temperatura, los metales que cristalizan en el sistema FCC se rompen solamente por cizallamiento, y presentan una gradual y continua disminucin de la ductilidad. Los metales que cristalizan en otros sistemas pueden romperse por cizallamiento a temperatura ambiente, pero, al disminuir la temperatura la manera de fracturarse pasa de ser por cizallamiento (dctil) a ser trascristalina o por despegue (frgil). El paso de un tipo de fractura a otro viene acompaado muchas veces de una cada brusca en la ductilidad.

Las roturas trascristalinas de los perfiles de construccin suelen producirse de una manera rpida e inesperada y, normalmente, dan lugar a la fractura frgil y por lo general de consecuencias catastrficas, de las piezas en cuestin.La tendencia del acero a romperse de una manera frgil aumenta cuando existe una concentracin de tensiones, al crecer la velocidad de aplicacin de la carga y al disminuir la temperatura.

Influencia de la temperatura sobre la resiliencia:

Figura 1.13: Influencia del contenido de carbono sobre la forma de la curva de transicin.En la figura se ve que existe una zona de temperaturas en la cual los valores de la energa absorbida disminuye bruscamente al decrecer la temperatura. Al mismo tiempo, el tipo de fractura cambia de ser predominantemente fibrosa, caracterstica de la rotura por cizallamiento, a ser cristalina, tpica de las roturas por despegue o frgiles. Los valores correspondientes a la zona de transicin son muchas veces irregulares, ya que los pequeos cambios que pueden presentarse en las condiciones del ensayo afectarn a los resultados obtenidos.

La temperatura a la cual la energa absorbida en el choque alcanza un determinado valor, o la fractura presenta un aspecto tambin fijado, se define como temperatura de transicin. En la normas ASTM se define la temperatura de transicin como la temperatura a la cual la probeta presenta una fractura fibrosa o de cizallamiento en un 50% y cristalino o de despegue en el 50% restante. Cuanto menor es la temperatura de transicin mayor es la resistencia que ofrece el acero el efecto fragilizante de la concentracin de tensiones, de las velocidades de aplicacin de la carga elevada o las temperaturas bajas.

Factores metalrgicos:

Al aumentar el contenido de carbono, disminuye la resistencia al choque a la temperatura ambiente y se eleva a temperatura de transicin (figura 1.13). La forma fsica que tenga el carbono tambin es importante. As, la forma globular de la cementita parece que es la que menos influencia nociva ejerce sobre las caractersticas a bajas temperaturas.

Figura 1.14: Influencia del tamao de grano sobre la resiliencia de un acero

1030.

Para un determinado tipo de acero y una resistencia dada, los aceros de grano fino presentan una resiliencia superior a la de los aceros de grano grande. En cuanto a temperatura de transicin, y tal como se presenta en la figura 1.14, su valor decrece al disminuir el tamao de grano. El grano fino de la estructura se logra normalmente desoxidando el acero con silicio, aluminio o vanadio.El nquel es el elemento de aleacin ms efectivo para incrementar la resistencia a la fragilidad a baja temperatura del acero y es uno de los pocos elementos de aleacin que aumentan la ductilidad a baja temperatura del hierro.En resumen, los mejores valores de resiliencia se obtienen en los aceros al nquel, bajos en carbono, totalmente calmados y de tamao de grano fino.

1.4.3 Termofluencia (deformacin dependiente del tiempo):

Bajo las condiciones apropiadas el tiempo puede ser muy importante en la determinacin de la cantidad de deformacin plstica que sufre un metal bajo un esfuerzo. La figura 1.15 muestra un par de curvas de tensin deformacin para diferentes velocidades de carga.

Figura 1.15: La deformacin en un ensayo a la traccin puede depender de la velocidad de la deformacin.Una comparacin de estas curvas muestra que la deformacin es mayor a cualquier esfuerzo para la probeta esforzada a la velocidad menor, demostrando claramente que la deformacin puede ser una funcin del tiempo tanto como el

esfuerzo. La caracterstica mas importante de la deformacin dependiente del tiempo es su extrema sensibilidad a la temperatura. La sensibilidad aumenta rpidamente con la elevacin de la temperatura. En el ensayo a la traccin de una probeta de acero, a temperatura ambiente la velocidad de la carga tiene un efecto relativamente pequeo sobre la deformacin medida. Esto es particularmente cierto para esfuerzos iguales o menores al limite elstico. Por otra parte, a temperaturas en exceso de aproximadamente 480C, esfuerzos menores que el limite elstico tal como se mide en un esfuerzo a la traccin de corta duracin, a temperatura elevada) pueden causar deformacin mensurable si se aplican por un periodo de tiempo.De lo anterior es evidente que la deformacin plstica en un metal es una funcin del tiempo, temperatura y esfuerzo. Hay otra variable que debe ser considerada, esto es la estructura interna del metal. La velocidad de deformacin bajo un esfuerzo y temperatura dados es sensible a factores tales como la densidad y disposicin de las dislocaciones en el metal, el numero de lugares vacantes y tomos intersticiales, la concentracin y clase de tomos de impurezas, el tamao de grano y el tamao y distribucin de partculas de precipitado.La parte de la deformacin dependiente del tiempo se estudia usualmente utilizando probetas de ensayo a la traccin sometida a un esfuerzo y una temperatura constantes. En estos ensayos conocidos como ensayos de termofluencia (test de creep), se mide la deformacin en funcin del tiempo.Por lo tanto, la termofluencia es causada por el ascenso de las dislocaciones a causa de la difusin. La dislocacin se mueve perpendicularmente a su plano de deslizamiento, como se pude ver en la figura 1.16.

Figura 1.16: Esquema del desplazamiento de una dislocacin.

El que la dislocacin se mueva produce que el material se deforme plsticamente, por lo tanto la termofluencia depende de la difusin.

Figura 1.17: Curva de termofluencia

La termofluencia puede describirse por medio de las curvas de esfuerzo

ruptura.

Figura 1.18: Curvas de termofluencia a diferentes temperaturas.

Las curvas de esfuerzo ruptura para diferentes temperaturas pueden describirse por medio del parmetro Larson Miller , que se utiliza para representar la relacinesfuerzo temperatura tiempo de ruptura en una sola grafica.

Parmetro Larson Miller (LR) = A y B: Constantes del material.T: Temperatura

t: Tiempo (horas)

T K ( A + BLnt )1000

8000

7000

Esfuerzo (psi)6000

5000

4000

3000

2000

0102030405060708090

Larson - Miller

Figura 1.19: Curva parmetro Larson Miller

1.5 ENSAYOS MECNICOS, CRITERIOS Y TCNICAS EXPERIMENTALES:

La determinacin de las propiedades mecnicas es un aspecto muy importante para la seleccin y aplicacin de los metales a cada caso en particular. El xito en la conformacin de los metales est relacionado con las propiedades de las piezas fabricadas, y muchos productos se rechazan o aceptan segn sean sus propiedades mecnicas o fsicas.

Las propiedades mecnicas son valoraciones de la capacidad de los metales para resistir diversos tipos de fuerzas mecnicas, e incluso resistencia, ductilidad, dureza, resistencia la choque, resistencia a la fatiga y alguna ms. Las propiedades fsicas son caractersticas intrnsecas de los metales que miden su resistencia a fuerzas fsicas, tales como campos elctricos y magnticos, regiones calientes, etc. Las propiedades fsicas incluyen la conductividad trmica y elctrica, la densidad, etc.

1.5.1 Traccin

Con el ensayo de traccin se determinan las que suelen llamarse propiedades de traccin. Incluyen ests la resistencia a la traccin, el lmite elstico o de fluencia, el alargamiento y el mdulo elstico.Las propiedades mecnicas, tal como se determinan en el ensayo de traccin, dependen en cierto grado de la forma y tamao de la probeta. Esto hace necesario tipificarlas. La ASTM recomienda la representada en la figura 1.19.

Figura 1.20: Probetas de traccin ASTM.

El ensayo de traccin se realiza sujetando las cabezas de una probeta convenientemente preparadas y aplicando a ellas un esfuerzo de traccin continua y lentamente creciente hasta llegar a la rotura. Durante el curso del ensayo puede seguirse el alargamiento de una cierta longitud marcada en la probeta (longitud o distancia entre puntos), que vuelve a medirse despus que la probeta se ha roto (alargamiento de rotura), y tambin entonces se mide la seccin ltima de la probeta. De todos estos datos se deduce las propiedades de traccin.Basndose en la figura 1.19, el ensayo de traccin nos entrega los siguientes datos: Do: Dimetro inicial.Df: Dimetro mnimo despus de la rotura.

So: Seccin transversal inicial =

* Do24

Sf: Seccin transversal despus de la rotura =

* Df 24

Resistencia a la traccin =

P mxSo

Propiedades de traccin:

La resistencia a la traccin se calcula dividiendo la carga mxima que ha sufrido la probeta antes de romperse por la seccin transversal inicial de la misma. Esta magnitud se emplea con gran frecuencia para caracterizar la resistencia de un material, a pesar de que no tiene una importancia fundamental. En el momento en que el material sostiene la mxima carga ha sufrido ya una considerable estriccin, y es una seccin mucho ms pequea que la inicial la que soporta esa carga mxima, por lo que al referirla a la seccin inicial, ms grande, resulta una cifra sin un significado fsico bien definido.La verdadera resistencia del material se obtendr si se mide la seccin transversal real en el momento de la rotura.La ductilidad es estrictamente la capacidad del material para estirarse en hilos y, ms en general, la capacidad del material para deformarse plsticamente; en el ensayo de traccin esta representada por las cifras obtenidas para el alargamiento y la

estriccin. El alargamiento es el tanto por ciento de incremento de la longitud o distancia entre puntos. La estriccin es el tanto por ciento de disminucin de la seccininicial. Se calcula mediante las siguientes formulas:

Alargamiento, % =

Lf Lo *100Lo

En donde:

Lo: Longitud inicial entre puntos..

Lf: Longitud final entre puntos (en la probeta rota).

Estriccin, % =

So SfSo

*100

En donde:

Sf: Seccin final de la probeta (de la probeta rota en el punto de mnima seccin). So: seccin inicial de la probeta.

Diagrama de traccin:

Las propiedades de traccin descritas, y el resto de ellas, pueden determinarse a partir de un diagrama esfuerzos deformaciones. La figura 1.20 incluye varios ejemplos tpicos de diagramas de traccin.

Figura 1.21: Esquemas de diagramas esfuerzos deformacin.

Como el diagrama de traccin tiene una porcin recta en las primeras etapas de la carga, ello demuestra que la deformacin es directamente proporcional a la carga aplicada. La relacin entre la carga aplicada por unidad de seccin transversal y el alargamiento producido es el mdulo de elasticidad o de Young. Es la pendiente de la recta del diagrama y es una medida de rigidez del material.Un material con un mdulo elstico elevado se deforma menos que otro que lo tenga ms bajo, cuando las cargas por unidad de seccin sean iguales para ambos.

1.5.2 Dureza:

La dureza es una propiedad fundamental de los materiales y esta relacionada con la resistencia mecnica. La dureza puede definirse como la resistencia de un material a la penetracin o formacin de huellas localizadas en una superficie. Cuanto mas pequea sea la huella obtenida en condiciones normalizadas, mas duro ser el material ensayado. El penetrador en un ensayo de dureza es generalmente una esfera, pirmide o cono hecho de un material mucho mas duro del que se ensaya, como por ejemplo acero endurecido, diamante o carburo de tungsteno sinterizado.

En la mayora de las pruebas patrn, la carga se aplica al oprimir lentamente el penetrador, perpendicularmente a la superficie ensayada, por un periodo determinado. De los resultados obtenidos se puede calcular un valor emprico de dureza, conociendo la carga aplicada y el rea de la seccin transversal o la profundidad de la impresin. El ensayo de dureza nunca se debe realizar cerca del borde de la muestra o cerca de otra penetracin ya existente. En este ultimo caso, la distancia mnima para efectuar una penetracin es de tres veces el dimetro de la penetracin anterior. Otra condicin, es que el espesor de la probeta a ensayar, sea de por lo menos 10 veces el dimetro de la impresin, con el fin de evitar el efecto yunque. (Brinell).Las penetraciones microscpicas de dureza se hacen empleando cargas muy pequeas y se usan para estudiar variaciones localizadas de dureza en materiales monofsicos y multifsicos (aleaciones), as como para medir la dureza de granos metlicos.La mayora de las pruebas de dureza producen deformacin plstica en el material y todas las variables que influyen en la deformacin plstica la afectan; por ejemplo, ya que el esfuerzo de cedencia se ve afectado considerablemente por la cantidad de trabajo en fro y el tratamiento trmico al que se halla sometido el material, la dureza se vera afectada por los mismos factores. En aquellos materiales que muestran caractersticas similares de endurecimiento por trabajo, existe una valida correlacin entre la dureza y la resistencia mxima a la tensin. La prueba de dureza puede hacerse muy fcilmente y la informacin obtenida se evala inmediatamente. Por estas razones y por su carcter no destructivo, se emplea frecuentemente para control de calidad en produccin.Dureza Brinell (bhn):

Este ensayo se utiliza en materiales de durezas bajas. Utiliza penetradores en forma de bolas de diferentes dimetros; estos pueden ser de acero templado o de carburo de tungsteno, utiliza cargas normalmente hasta 3000 kilogramos, las cuales se pueden normalizar de acuerdo con la siguiente formula: p = k*DDonde:

p: carga a utilizar.

k: representa una constante que vale 5, 10 o 30 dependiendo del material que este siendo ensayado.D: dimetro del indentador que se va a utilizar en la prueba.

Aunque existen algunas maquinas de ensayo de Brinell que dan una lectura directa, normalmente, para determinar el nmero de dureza, se utiliza la siguienteformula:

En donde:

Dureza Brinell =

P * D * (D 2

D2 d 2 )

P = Carga en kilogramos sobre el penetrador.

D = Dimetro del penetrador (bola), en milmetros. d= Dimetro de la impresin, en milmetros.La carga se aplica durante 30 segundos y luego se retira. Inmediatamente se lee en milmetros el dimetro de la impresin. Es valido anotar que las cargas mas livianas corresponden a materiales no ferrosos y puros, tales como cobre y aluminio; las cargas mas pesadas se utilizaran para el hierro, acero y aleaciones duras.Los ndices de dureza se usan principalmente como base de comparacin para los materiales, especificaciones de fabricacin y tratamiento trmico, control de calidad y correlacin con otras propiedades y comportamiento de los materiales. Por ejemplo, la dureza Brinell esta muy estrechamente relacionada con la resistencia a la tensin del acero mediante la relacin:Resistencia a la tensin = 500 BHN.

Se puede obtener el ndice de dureza Brinell en algunos minutos casi sin preparacin de la muestra y sin destruir el componente, proporcionando esto una buena aproximacin del valor de la resistencia a la tensin.

Ensayo de dureza Rockwell

Se aplica a materiales ms duros que la escala Brinell. En este ensayo se usan penetradores de carburo de tungsteno como bolas de 1/16 de pulgada, 1/8, y de

pulgada, este ultimo para materiales ms blandos y un cono de diamante cuyo ngulo en la base es de 120.

Ensayo Rockewell b

Diseado para materiales de dureza intermedia como aceros de medio y bajo carbono. Su indentador es la bola de 1/16 de pulgada, cuya carga es de 100 kilogramos. Su escala va de 40 a 100 rb.

Ensayo Rockewell c

Se emplea en materiales ms duros que 100 rb. El funcionamiento de este ensayo es como sigue: el observador primero acciona una palanca que presiona el cono de diamante a una pequea distancia establecida dentro de la probeta, esto se conoce como la "precarga"(10 kg). en seguida, se deja actuar la carga rc normalizada de 150 kilogramos, que presiona aun mas el diamante dentro de la probeta, luego, con la misma palanca se quita la carga. en este momento se lee la dureza rc en la escala y luego, se descarga la palanca. El principio de este ensayo, esta en que a travs de un sistema de palancas se registra en la escala la profundidad de penetracin entre la precarga y la carga de 150 kilogramos y se lee directamente en rc.

Ensayo Vickers

Llamado el ensayo universal. Sus cargas van de 5 a 125 kilogramos (de cinco en cinco). Su penetrador es pirmide de diamante con un ngulo base de 136. Se emplea vickers para laminas tan delgadas como 0.006 pulgadas y no se lee directamente en la maquina. Para determinar el nmero de dureza se aplica la siguiente formula:hv= 1.854*p / d2

Este ensayo constituye una mejora al ensayo de Brinell. Se presiona el indentador contra una probeta, bajo cargas mas livianas que las utilizadas en el ensayo Brinell, se miden las diagonales de la impresin cuadrada y se halla el promedio para aplicar la formula antes mencionada.

1.5.3 Fatiga.

En la mayora de los casos, los elementos de mquinas quedan sometidos a una accin dinmica de direccin e intensidad variables y se ha comprobado que muchos elementos sometidos largo tiempo a esfuerzos variables se fracturan bsicamente, sin causar deformaciones permanentes visibles con cargas ms bajas que las que produciran en rotura por esfuerzos estticos.Definicin: Rotura por fatiga se da como consecuencia de esfuerzos repetidos y variables debindose a un deslizamiento de la estructura cristalina, con el consiguiente deslizamiento progresivo de los cristales, con produccin de calor.El aspecto de las piezas rotas por fatiga presentan en su superficie de rotura dos zonas caractersticas que son:Una zona lisa, de estructura finsima y brillante: la rotura por fatiga se dadespus de un periodo relativamente largo.Una zona de cristales grandes, o de estructura fibrosa: cuando la rotura por fatiga se da instantneamente debido a la disminucin de seccin.

Figura 1.22: Esquema de rotura por fatiga.

Las circunstancias que influyen en la rotura por fatiga de un material metlico son:Estado de la superficie: el estado de esta tiene gran importancia sobre la rotura por fatiga.Variaciones de seccin: El lmite de fatiga se reduce por los cambios bruscos deseccin no acordados con radios amplios, entalladuras de cualquier otra clase.

Temperatura: En casi todos los materiales metlicos el aumento de temperaturapor encima de cierto valor, disminuye el lmite de fatiga.Tratamientos trmicos: Las fallas internas provocadas por tratamientos trmicos, crean localizacin de esfuerzos que pueden originar fisuras.Homogeneidad de la estructura cristalina: Cuando la estructura no eshomognea puede suceder que los cristales ms pequeos, se acuen entre las ms grandes, originando fisuras y la consiguiente disminucin de rea.Corrosin: Cuando la corrosin existe no tiene tanto problema., pero si vaactuando, cada punto de corrosin se convierte como si fuera una entalle rebajando notablemente el lmite de fatiga.

Diagrama de wohler

Con los resultados obtenidos, o sea haber ensayado varias probetas bajo cargas diferentes, se traza un diagrama, situando el (esfuerzo) en el eje Y y n (n de ciclos) en el eje X; para stas hay que emplear una escala logartmica, ya que se trata denmeros muy grandes, superiores a 106.

El diagrama de wohler relativo a aceros al carbono desciende rpidamente y luego va formando una curva que tiende a ponerse paralela al eje X, despus de 20 o30 millones de ciclos y se toma como limite de fatiga, cuando se vuelve paralelo al eje del n; en cambio para materiales no frricos, aleaciones ligeras, bronces o latones la curva es asinttica al eje Y, por lo cual dichos materiales poseen un lmite de fatiga muy bajo y para determinado habra que prolongar el ensayo hasta ms all de 100 millones de ciclos.

Relacin entre el lmite de fatiga y la resistencia a la traccin

El esfuerzo al cul un metal no falla por fatiga se denominada resistencia a la fatiga. Se ha descubierto que para la mayora de los materiales existe esfuerzo limitativo en el cual una carga puede repetidamente aplicarse un nmero indefinido de veces sin causar la falla. Este esfuerzo limitativo es denominado limite de aguante (limite de resistencia a la fatiga). La magnitud de lmite de aguante depende de la clase de variacin de esfuerzo al cual ese material sea sometido. Para la mayora de los

materiales de construccin varia entre 0.2 y 0.6 de la resistencia esttica aunque para una clase de material dada la relacin entre el limite de aguante y la resistencia esttica, llamada relacin de aguante, fluctuara dentro del los limites menores.El lmite de aguante (fatiga) es directamente proporcional a la resistencia a la traccin. Para la mayor parte de los aceros al carbono se puede considerar como valida, la frmula:Limite de aguante 0.5 de la resistencia a la traccinPara otros casos se tiene que: limite de aguante resistencia a la traccina. aleaciones de cobre: limite de aguante 0.4b. aleaciones ligeras: limite de aguante 0.32c. aleaciones ultraligeras: limite de aguante 0.43

Figura 1.23: Esquema de un diagrama de wohler

Figura 1.24: Esquema del equipo utilizado en el ensayo de fatiga.

1.5.4 Ensayo termofluencia:

Si se aplica un esfuerzo a un material que esta a temperatura elevada, dicho material puede estirarse y finalmente fallar, aun si el esfuerzo aplicado es menor que el de fluencia a tal temperatura.La tabla 1.2 proporciona las temperaturas aproximadas a las cuales varios

metales empiezan a termofluir.

MetalTemperatura (C)

Aleaciones de aluminio200

Aleaciones de titanio325

Aceros de baja aleacin375

Aceros de alta temperatura550

Superaleaciones de nquel y de cobalto650

Metales refractarios (tungsteno, molibdeno)1000-1550

Tabla 1.2: Temperaturas aproximadas a las cuales se manifiesta la termofluencia para ciertos metales y aleaciones.Para determinar las caractersticas de termofluencia de un material, se aplica un esfuerzo constante a una probeta cilndrica colocada en un horno (figura 1.25). Tan

pronto como se aplica el esfuerzo, la probeta se alarga elsticamente una pequea cantidad, dependiendo del esfuerzo aplicado y el mdulo de elasticidad del material a esa temperatura. (Figura 1.17).

Figura 1.26: Se coloca la probeta en un horno a temperatura elevada, y se aplica un esfuerzo constante en el ensayo de termofluencia.

Durante el ensayo, la deformacin se mide en funcin del tiempo y se grafica para obtener la curva de termofluencia (figura 1.17). En la primera etapa, muchas dislocaciones saltan los obstculos, se deslizan y contribuyen a la deformacin del metal. Al final, la rapidez a la cual las dislocaciones saltan obstculos es igual a aquella a la cual son obstruidas por otras imperfecciones. Esto lleva a la segunda etapa de termofluencia o de estado estable. La pendiente de la porcin estable de la curva es la rapidez de termofluencia. Finalmente, durante la tercera etapa de termofluencia, empieza la estriccin, se incrementa el esfuerzo y la probeta se deforma aceleradamente hasta que ocurre la falla. El tiempo necesario para que ocurra la fractura es el tiempo de ruptura. Tanto un gran esfuerzo como una temperatura alta reducen el tiempo de ruptura, e incrementan la rapidez de termofluencia.

UNIDAD 2: CONCENTRACIN DE ESFUERZOS Y FRACTURAS.

Aunque se comprenda el comportamiento de los materiales, frecuentemente ocurren fallas. El origen de estas fallas se encuentran en un diseo inadecuado, en una mala seleccin de materiales, un mal procesamiento o en la aplicacin inadecuada.

2.1 Determinacin del mecanismo de fractura en las fallas de metales.

El anlisis de las falla requiere de una combinacin de conocimientos tcnicos, observacin meticulosa y sentido comn. El conocimiento del comportamiento pasado del componente que falla, incluyendo el esfuerzo aplicado, el medio ambiente, la temperatura, la estructura y las propiedades y los cambios inesperados en cualquiera de estos factores, sirven para identificar en forma mas fcil la causa de la falla.El conocimiento de los mecanismos de fractura puede tambin revelar la causa de la falla. Se consideran cinco mecanismos comunes de fractura, las fallas dctil, frgil, por fatiga, por termofluencia y debida a corrosin por esfuerzo. Fractura dctil: La fractura por ductilidad, o dctil, ocurre normalmente en formatransgranular (a travs de los granos) en los metales que tienen ductilidad y tenacidad altas. A menudo se observa una buena cantidad de deformacin plstica, inclusive con estriccin, en la componente que falla. La deformacin ocurre antes de la fractura final. Las fracturas dctiles se observan normalmente a sobrecargas simples o a la aplicacin de un esfuerzo excesivo en el material.La fractura dctil en una prueba de tensin simple se inicia con la nucleacin, crecimiento y coalescencia de microcavidades en el centro de pieza (figura 2.1). Los microporos se forman cuando un esfuerzo alto provoca la separacin del metal en los limites de grano o interficies entre el metal y las inclusiones. Cuando el esfuerzo local continua incrementndose, crecen los microporos, se comunican y producen cavidades mayores. Finalmente, el rea de contacto metal metal es demasiado pequea para soportar la carga y ocurre la fractura final.

Figura 2.1: Esquema fractura dctil.

Cuando un material dctil es sometido a un ensayo de tensin se origina una estriccin y se forman microcavidades, inicindose cerca del centro de la barra, por nucleacin en los limites de grano. Conforme la deformacin continua, se puede formar un borde de corte a 45, producindose una fractura final del tipo de copa y cono. El labio de corte, indicando que ocurri un deslizamiento, confiere a la fractura una apariencia de copa y cono. La simple observacin macroscpica de esa ruptura puede ser suficiente para identificar la falla como fractura dctil. Fractura frgil: La fractura por fragilidad o frgil, ocurre en los metales de altaresistencia o en los de baja ductilidad y tenacidad. Incluso, los metales fallan de modo frgil a bajas temperaturas, en secciones gruesas, con altas proporciones de deformacin (como en un impacto), o cuando las rayaduras desempean un papel importante. Las fracturas frgiles se observan con frecuencia cuando la falla es causada por un impacto en lugar de sobrecarga.En la fractura frgil se presenta poca o ninguna deformacin plstica. El inicio de la grieta ocurre normalmente en pequeas rayaduras que causan una concentracin de esfuerzos. La grieta puede moverse a una velocidad cercana a la del sonido en el metal. Normalmente la grieta se propaga ms fcilmente a lo largo de planos

cristalogrficos especficos, por agrietamiento o clivaje. En algunos casos, sin embargo, la grieta puede tomar una trayectoria intergranular (a lo largo de los limites de grano), particularmente cuando la segregacin debilitan los limites de grano.La fractura frgil puede identificarse observando las caractersticas de la superficie de falla. Normalmente, la superficie de fractura es plana y perpendicular al esfuerzo aplicado en una prueba de traccin. Si la falla ocurre por clivaje, cada grano fracturado es plano, orientado diferentemente, y proporciona una apariencia cristalina o de azcar cristalizada a la superficie de la fractura.Otra caracterstica comn de la fractura es el patrn galoneado, producida por frentes de grieta separados que se propagan en diferentes niveles en el material. Se extiende desde el origen de la grieta un patrn de marcas superficiales y radiales. El patrn galoneado es visible a simple vista o con lente de aumento y ayuda a identificar tanto la naturaleza frgil del proceso de falla como el origen de la misma. Fractura por fatiga: Un metal falla por fatiga cuando se aplica un esfuerzoalternante mayor que el lmite de resistencia a la fatiga. La fractura ocurre en un proceso de 3 pasos que comprende (a) la nucleacin de una grieta, (b) la lenta propagacin cclica de la grieta y (c) la falla catastrfica del metal. Las grietas nuclean en los sitios de esfuerzo ms alto y de menor resistencia local. Normalmente los lugares de nucleacin estn sobre o cerca de la superficie, donde el esfuerzo es mximo, e incluye defectos superficiales como rayaduras o picaduras, esquinas agudas debidas a un diseo deficiente o a una impropia fabricacin, limites de grano o concentracin de dislocaciones.Una vez nucleada, la grieta crece hacia las regiones de menor esfuerzo. Debido a la concentracin de esfuerzos en la punta, la grieta se propaga un poco mas durante cada ciclo hasta que alcanza la capacidad de carga del metal remanente. Entonces la grieta crece espontneamente, a menudo de modo frgil.Las fallas por fatiga son a menudo fciles de identificar. La superficie de la fractura, en particular cerca del origen, es normalmente tersa. La superficie se hace mas spera conforme crece la grieta y puede volverse finalmente fibrosa durante su fase final de propagacin.

Los exmenes microscpico y macroscpico revelan una superficie de fractura que incluye un patrn de marcas de playa y estras (figura 2.2). las marcas de playa se forman normalmente cuando cambia la carga durante el servicio o cuando la carga es intermitente, quiz permitiendo que haya tiempo para la oxidacin dentro de la grieta. Las estras, que ocurren en una escala mucho mas fina, pueden mostrar la posicin de la punta de la grieta despus de cada ciclo. La observacin de las marcas de playa sugiere siempre una falla por fatiga.

Figura 2.2: Superficie de la fractura por fatiga

Termofluencia y ruptura por esfuerzo: A temperaturas elevadas, un metal experimenta deformacin plstica trmicamente inducida aun cuando el esfuerzo aplicado este por debajo del punto de fluencia nominal. Las fallas por termofluencia se

definen como la deformacin excesiva de las partes metlicas, incluso si no ha ocurrido la fractura. Las fallas de ruptura por esfuerzo son definidas como la fractura real de la parte metlica.Normalmente, las fracturas de ruptura por esfuerzo del tipo dctil incluyen la estriacin del metal durante la termofluencia terciaria y la presencia de muchas fisuras que no tuvieron la posibilidad de producir la fractura final. Incluso, los granos cercanos a la superficie de la fractura tienden a alargarse. Las fallas de ruptura por esfuerzo dctiles son generalmente transgranulares y ocurren a velocidades de termofluencia altas, tiempos cortos de la ruptura y temperaturas relativamente bajas de exposicin.

Las fallas de ruptura por esfuerzo del tipo frgil son normalmente intergranulares, muestran poca estriccin y ocurren ms frecuentemente a velocidades bajas de termofluencia y temperaturas altas. Se observan granos equiaxiales cerca de la superficie de fractura. La falla frgil ocurre normalmente por la formacin de espacios en la interseccin de tres lmites de granos y la precipitacin de espacios adicionales a lo largo de los lmites de grano, a travs de los procesos de difusin.

Fracturas por esfuerzo y corrosin: Estas fracturas ocurren a esfuerzos muy por debajo del valor de fluencia del metal, debido al deterioro por un medio corrosivo.Las grietas por corrosin profunda y fina se producen aun cuando el metal como un todo muestre un deterioro poco uniforme. Los esfuerzos pueden ser aplicados externamente o ser esfuerzos residuales acumulados. Las fallas por esfuerzo y corrosin se identifican a travs de un examen microscpico del metal contiguo. Por lo comn, se observa una amplia ramificacin de las grietas a lo largo de los lmites de grano. La ubicacin en donde se iniciaron las grietas puede identificarse por la presencia de un producto de la corrosin.

Figura 2.3: Esquema de un metal prximo a una fractura por esfuerzo y corrosin, que muestra las numerosas grietas intergranulares que se forman como resultado del proceso de corrosin.

2.2 Origen y prevencin de las fallas de los metales:

Podemos prevenir las fallas en los metales a travs de varios procedimientos: Diseo: Las componentes deben ser diseadas para (a) permitir que el material resista el mximo esfuerzo que se espera que se aplique durante el servicio,(b) evitar las concentraciones de esfuerzos que provocan que el metal falle bajo cargas menores

a las esperadas y (c) asegurarse que el deterioro del material durante el servicio no provoque la falla bajo cargas menores a las esperadas.Las fallas por termofluencia, fatiga o esfuerzo corrosin ocurren bajo esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de fluencia. El diseo del componente debe estar basado en los datos apropiados de termofluencia, fatiga o esfuerzo-corrosin, no en el esfuerzo de fluencia.Las concentraciones de esfuerzos producidos por muescas en el diseo, tales como entrantes agudas, deben evitarse. Las esquinas muy acentuadas concentran los esfuerzos de modo que las grietas por fatiga o por corrosin puedan nuclear fcilmente. Seleccin de los materiales: En ingeniera se dispone de una gran variedad demateriales para cualquier utilizacin, siendo muchos de ellos capaces de soportar la aplicacin de esfuerzos elevados (figura 2.4). La seleccin de un material esta basado tanto en la capacidad de servicio del material como en el costo del material y de su procesamiento.El ingeniero debe considerar la condicin del material. Por ejemplo, las aleaciones endurecidas por envejecimiento, por trabajo en fro o templadas y revenidas pierden su resistencia en altas temperaturas. Procesamiento de los materiales: Todas las componentes con terminado sonen algn momento sometidas a algn tipo de procesamiento moldeo, conformado, maquinado, unin o tratamiento trmico, para producir la forma, el tamao y las propiedades adecuadas. Sin embargo, pueden introducirse una gran diversidad de defectos. El ingeniero debe disear para compensar estos defectos, o bien detectar su presencia y rechazar el material o corregir la falla. Condiciones de servicio: En el comportamiento de un material influyen lascondiciones de servicio, incluyendo el tipo de carga, el medio ambiente y la temperatura a la que esta expuesto.

Otro origen de las fallas es el uso inapropiado del material en servicio. Esto incluye sobrecarga del material. Un mantenimiento inadecuado, como la lubricacin deficiente de las partes mviles, pueden conducir a un desgaste, a un sobrecalentamiento y a la oxidacin. En caso de sobrecalentamiento, la microestructura cambia y decrece laresistencia del metal.

Figura 2.4: Comparacin del intervalo de resistencia disponibles para varios metales y aleaciones importantes. Para cada sistema de aleacin es posible un amplio intervalo de resistencia, dependiendo de la composicin y del tratamiento.

Figura 2.5: Defectos tpicos introducidos a un metal durante el procesamiento.

2.3 Desgaste y erosin:

El desgaste y la erosin eliminan material de un componente a travs de un deterioro mecnico de slidos o lquidos. La corrosin y la falla mecnica contribuyen tambin a este tipo de deterioro. Desgaste por adherencia: Este desgaste, conocido tambin como rayado oraspado, ocurre cuando dos superficies slidas deslizan una sobre otra bajo presin. Las salientes superficiales, o asperezas, son plsticamente deformadas y finalmente soldadas por las altas presiones locales. Conforme contina el deslizamiento se rompen estas uniones, produciendo cavidades en la superficie, partes proyectadas sobre la segunda superficie y con frecuencia diminutas partculas abrasivas, todo lo cual contribuye a un mayor desgaste de las superficies.Hay varios factores que ayudan a minimizar el grado de desgaste por adherencia.

1) Las cargas bajas reducen el grado de desgaste.

2) Si ambas superficies tienen altas durezas que sean aproximadamente las mismas, el grado de desgaste es bajo.3) Las superficies lisas reducen la posibilidad de que las asperezas se unan, proporcionando un desgaste mas lento.4) Impedir la adhesin minimizar el desgaste. Algunos materiales absorben gases o forman xidos en la superficie lo cual evita la adhesin, particularmente en pequeas cargas. La fundicin de hierro gris contiene hojuelas de grafito que proporcionan una excelente autolubricacin en las superficies, particularmente cuando la matriz es perlita en lugar de ferrita suave. Finalmente, el desgaste adhesivo es menor cuando se usa lubricante. Desgaste abrasivo: El desgaste por abrasin ocurre cuando el material seelimina de la superficie al contacto con partculas duras, las cuales pueden encontrarse presentes en la superficie de un segundo material o como partculas sueltas entre las dos superficies. (figura 2.6). A diferencia del desgaste por adherencia no ocurre unin. Este tipo de desgaste es comn en mquinas y equipos como arados, cuchillas niveladoras, trituradoras y molinos para el manejo de materiales abrasivos, y puede ocurrir tambin cuando intencionalmente se introducen partculas duras entre las partes

mviles de maquinaria. El desgaste abrasivo es utilizado tambin en operaciones de molino para eliminar material intencionalmente.Los materiales con una alta dureza y alta resistencia en caliente son mas resistentes al desgaste abrasivo. Los materiales tpicos utilizados para las aplicaciones de desgaste abrasivo incluyen a los aceros templados y revenidos, los aceros carburizados o endurecidos superficialmente, los aceros al manganeso que se endurecen por trabajo durante el uso, las aleaciones de cobalto como la estelita (Stellite), loa materiales compuestos, las fundiciones de hierro blanco y las superficies duras producidas por la soldadura.

Figura 2.6: El desgaste abrasivo, causado tanto por abrasivos atrapados o libres, ocasiona acanaladuras en el material, formando asperezas que pueden fracturarse produciendo partculas.

Erosin lquida: La integridad de un material puede destruirse por la erosin causada debido a altas presiones asociadas con un liquido en movimiento. El liquidocausa endurecimiento por deformacin sobre la superficie metlica, conduciendo a una deformacin local, agrietamiento y perdida de material. Hay dos tipos de erosin liquida que merecen mencin especial.La cavitacin ocurre cuando un liquido que contiene un gas disuelto entra a una regin de baja presin. Las burbujas de gas, que se producen y crecen en el liquido, se colapsan cuando se incrementa posteriormente la presin (figura 2.7). La alta presin y la onda local de choque que se produce pueden ejercer una presin de cientos de

atmsferas contra el material circundante. La cavitacin se encuentra con frecuencia en las hlices propulsoras, rotores de turbinas hidrulicas, vertedores y bombas.

Figura 2.7: La cavitacin ocurre cuando se producen burbujas de gas a partir de un lquido en una regin de baja presin, y se colapsan al reingresar a una regin de alta presin. El colapso debido a la implosin de las burbujas de gas crea ondas de choque de alta intensidad, o microchorros de lquido de alta velocidad, que erosionan la superficie del material.

La proyeccin de gotas liquidas ocurre cuando gotas de un liquido arrastradas por un gas que se mueve rpidamente, chocan contra la superficie metlica (figura 2.8). Altas presiones localizadas se desarrollan debido al impacto inicial y el rpido movimiento lateral de las gotas desde el punto de impacto y a lo largo de la superficie metlica. Las gotas de agua conducidas por el vapor pueden erosionar las aspas o labes de las turbinas de plantas elctricas.

Figura 2.8: Caractersticas de la erosin por proyeccin de gotas de liquido. (a) Una gota de agua que choca a lata velocidad puede crear un crter o, incluso, grietas en un material dctil. (b) Las asperezas en la superficie detienen luego el lquido que se extiende, se rompe y se desprenden de la superficie. (c) La proyeccin de lquido en huecos ya existentes acelera el crecimiento de picaduras.

La erosin liquida puede minimizarse mediante la seleccin y el diseo adecuado del material que incluya lo siguiente:1) Minimizacin de la velocidad. La erosin por cavitacin aumenta de modo exponencial con la velocidad (v), y la erosin por proyeccin de lquido se incrementa con v5 o v6.2) Control del lquido. Hacer que el lquido este desaireado de modo que no se formen burbujas o que se elimine el exceso de humedad del vapor, sirve para impedir esa erosin.3) Seleccin de mate