CIENCIA DE LOS MATERIALES. IIs5473edada9d8a275.jimcontent.com/download/version... · CIENCIA E...

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

CIENCIA DE LOS MATERIALES.

II

M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez.

ÍNDICE GENERAL.

Tema: PáginaUNIDAD I - NORMATIVIDAD. 1.1.ANTECEDENTES 1.2.DEFINICIÓN DE PROPIEDADES MECÁNICAS 1.3.FINALIDAD 1.4.CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ENSAYOS 1.5.NORMAS Y ESPECIFICACIONES UNIDAD II - COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS METALES. 2.1.CONCEPTO DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN 2.2.DEFORMACIÓN ELÁSTICA (LEY DE HOOKE) 2.3.DEFORMACIÓN PLÁSTICA DE MONOCRISTALES Y POLICRISTALES

2.4.EFECTO DE VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y 2.5.TIEMPO 2.6.PROBLEMAS UNIDAD III - EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL.

3.1.DUREZA 3.1.1.Principios y Objetivos 3.1.2. Equipos y materiales de prueba 3.1.3. Procedimientos y rnétodos de prueba 3.1.4. Conversiones de dureza 3.1.5. Aplicaciones. 3.2.TENSIÓN 3.2.1. Introducción. 3.2.2. Interpretación del diagrama esfuerzo – deformación. 3 2.3. Procedimientos y métodos de prueba 3.2.4. Determinación de propiedades 3 2.5. Aplicaciones y problemas 3.3.Compresión 3.3.1. Introducción 3.3.2. Compresión de materiales dúctiles 3.3.3. Compresión de materiales frágiles 3.3.4. Discusión de resultados 3.3.5. Aplicaciones

Tema: Página3.4.FLEXION 3.4.1.Principios y objetivos 3.4.2.Determinación de propiedades 3.4 3.Extensometría eléctrica 3.4.4. Aplicaciones y problemas 3.5.IMPACTO 3.5.1.Principios y objetivos 3 5.2.Clasificación de pruebas de impacto 3 5.3. Formas de fractura 3.5.4. Equipos y materiales de pruebo 3.5.5. Curva de energía de fractura vs. temperatura 3.6.TORSIÓN 3.6.TORSIÓN 3.6.1. Principios y objetivos 3.6.2. Curva de torsión 3.6.3. Interpretación y uso de resultados 3.6.4. Relación entre el módulo de elasticidad y módulo de rigidez 3.7.TERMOFLUENCIA 3.7.1. Principios y objetivos 3.7.2. Procedimientos y método de prueba 3.7.3. Curva de termo fluencia (deformación - tiempo y esfuerzo - temperatura)

3.7.4. Interpretación y uso de resultados 3.8.TENACIDAD 3.8.1. Principios y objetivos 3.8.2. Concentración de esfuerzos 3.8.3. Criterio de la energía de Griftith 3.8.4. Tenacidad de fractura 3.8.5. Interpretación de resultados 3.9.FATIGA 3.9.1. Fundamentos generales 3.9.2. Procedimientos y métodos de prueba 3.9.3. Tensiones cíclicas 3.9.4. Iniciación de propagación de la grieta 3.9.5. Factores que afectan a la vida a fatiga 3.9.6 Influencia del medio 3.9.7. Análisis, interpretación y uso de resultados 3.10. DESGASTE 3.10.1. Principios y objetivos 3.10.2. Superficies sólidas 3.10 3. Contaminantes 3.10.4. Interpretación de resultados y aplicaciones

TEMA: Página

UNIDAD IV - FRACTURA: MECANICA DE LA FRACTURA Y FRACTOGRAFIA.

4.1.CONCEPTOS GENERALES 4.2.MECANISMOS DE FRACTURA EN LA FALLA DE METALES 4.2.1 Fundamentos de fractura 4.2.2. Fractura dúctil 4 2.3. Fractura frágil 4.2.4. Fractura por fatiga 4.2.5 Termofluencia y ruptura por esfuerzo 4.2.6. Fracturas por esfuerzo y corrosión 4.2.7. Ensayos de fractura por impacto 4.2.8. Aplicaciones ; 4.3.ORIGEN Y PREVENCIÓN DE LAS FALLAS POR FRACTURA EN LOS METALES

4 3.1. Diseño 4.3 2. Selección de los materiales 4.3.3. Procesamiento de los materiales 4.3 4. Condiciones de servicio 4.4.DETECCIÓN DE MATERIALES POTENCIALMENTE DEFECTUOSOS

UNIDAD V - ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS. 5.1.CONCEPTOS GENERALES 5.2.RAYOS X 5.3 PARTICULAS MAGNETICAS 5.4.PARTICULAS FLOURECENTES 5.5.ULTRASONIDO 5.6.CORRIENTES PARASITAS UNIDAD VI - ANALISIS Y PREVENCIÓN DE FALLAS OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD.

6.1.OBSERVACIONES INICIALES 6.1.1. Definiciones 6.1.2. Tipos de fracturas 6.1.3. Selección, prevención y limpieza de muestra 6.2.DATOS INFORMATIVOS DE LAS CAUSAS DE LA FALLA 6.2.1. Defectos por diseño 6.2.2. Defectos en proceso de fabricación o de manufacturación 6.2.3 Daños durante la operación 6.3.ESTUDIO DE LABORATORIO 6.3.1 Resultados de ensayo no destructivos 6.3.2. Resultados de ensayos destructivos

TEMA: Página6.4. SINTESIS DEL ESTUDIO DE LA FALLA 6.4.1. Análisis experimentales de esfuerzos 6.4.2. Análisis de datos y resultados 6.4 3 Prevención de fallas (modelos, simulaciones, etc.) 6.4.4. Condiciones de garantía BIBLIOGRAFIA INDICE GENERAL NORMA DGN 2001

BIBLIOGRAFIA: INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA. Sydney Avner Editorial Mc. Graw Hill. 1992. MATERIALES PARA INGENIERIA. Van Vlack, Laurence H. Editorial CECSA 1981. CIENCIA E INGENIERIA DE L.OS MATERIALES. Donald R. Askeland. Editorial International Thomson , 2000 MATERIALES DE INGENIERIA Y SUS APLICACIONES Flinn. Richard Edítorial Mc Graw Hill. 1989. CIENCIA DE MATERIALES, SELECCIÓN Y DISEÑO Pat L. Mangonon Editorial Prentice may, 2201 FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES William F. Smith Ed. Mc Graw - Hill HANDBOOK OF MATERIALS SELETION FOR ENGINEERING APPLICATIONS T. Murria Editorial Marcel Derker, Inc. AND INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCIE AND ENGENIERING Walls/Courtney/wulff Editorial Wiley

Ciencia de los materiales II M. en C. José Rubén Aguilar Sánchez.

Cédula profesional: 1057705

PROLOGO. El presente libro de texto, representa la información de notas, apuntes y datos técnicos que cubren en general el programa de Ciencias de los Materiales II que se imparte en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (Unidad Profesional Azcapotzalco) dependiente del Instituto Politécnico Nacional a los alumnos del segundo año de la carrera de Ingeniería Mecánica. Debido a lo anterior si existieran dudas respecto a lo conjugado se anexa la bibliografía de la respectiva información. Así mismo contiene parte de la experiencia profesional del autor, estos son problemas reales que se presentan en el medio profesional donde se desenvolverán los futuros Ingenieros.

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Cédula profesional: 1057705 FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA. El ingeniero mecánico en su carácter de transformador de la energía, requiere poseer conocimientos técnicos de los materiales que habrá de laborar en su vida profesional, de ahí que el plan de estudios de la carrera de ingeniero mecánico se contemple la asignatura de ciencia de los materiales II en el 4° semestre en la que se ofrece al futuro profesional, de acuerdo con el perfil que el mismo tiene, las herramientas que le permitan la resolución de problemas que involucren la selección de materiales, las pruebas mecánicas y pruebas no destructivas, así como su cálculo y diseño. Los materiales de ingeniería han evolucionado en forma acelerada a través de los tiempos de tal manera que en la actualidad son una parte integral de la ciencia y la tecnología moderna, esto implica la necesidad de trabajar con nuevos y mejores materiales, así como establecer la metodología apropiada para su empleo en el campo de la industria, donde se requiere de egresados de las carreras de ingeniería que hayan aprendido a calcular, diseñar, interpretar y seleccionar nuevos materiales para su empleo. Esto le permitirá integrarse de manera exitosa en la vida, laboral del área de metal mecánica. Como antecedente directo se relaciona con las asignaturas de química I y II y ciencia de los materiales I, así como apoya a todas las asignaturas de la carrera cuya base es el conocimiento de los materiales: Tratamientos térmicos, Mecánica, Diseño, Selección y Aplicación de materiales, Resistencia de los materiales, Procesos de manufactura, Proyecto mecánico entre otras. Las Unidades han sido diseñadas como una guía para el docente, lo que no exime que él mismo pueda enriquecerlas, ya que el Plan de Estudios de la Carrera de Ingeniería es flexible y admite más y mejores modificaciones. El curso teórico de Ciencia de los materiales II, está contenido en seis unidades: I. Normatividad. II. Comportamiento mecánico de los materiales. III. Evaluación de las propiedades mecánicas de los materiales y su control. IV. Fractura: Mecánica de la Fractura y Fractografía. V. Ensayos no destructivos. VI. Análisis y prevención de fallas. El programa también contiene un listado de practicas de laboratorio, mismo que en su desarrollo ofrece el auxilio practico a la teoría. Se sugiere realizar un mínimo de diez practicas de laboratorio durante el curso.

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Cédula profesional: 1057705 OBJETIVO GENERAL DE LA ASIGNATURA. AI término del curso el alumno empleará los conocimientos obtenidos que le permitan seleccionar adecuadamente los materiales para su aplicación tanto en el diseño de elementos de máquinas, como en los procesos de manufactura, en función de sus propiedades mecánicas. Además aplicará los conocimientos adquiridos para determinar los defectos de los materiales, empleando las pruebas no destructivas como un análisis y prevención de fallas en los materiales utilizados en Ingeniería. ESTRATEGIA DIDACTICA PARA TRABAJAR CON LAS UNIDADES. Exposiciones o intervenciones orales, recursos audiovisuales: acetatos, transparencias, retroproyector de cuerpos opacos, Data-show, dinámicas grupales como: bina, escenificación, panel, trabajo en grupos, Phillips 6,6, acuario, taller, debate, comunidad de cuestionamiento, mesa redonda, entrevista, conferencias, estudios de caso entre otras, dibujos gráficas, esquemas, cuadros sinópticos, trabajos extraclase, investigación bibliográfica, investigación de campo y practicas de laboratorio.

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD 1. NORMATIVIDAD. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. Interpretara la importancia de conocimiento de las normas para pruebas de los materiales y su aplicación en la selección de materiales y sus usos. TEMAS: 1.1.Antecedentes_______________________5 1.2.Definición de propiedades mecánicas____7 1.3.Finalidad__________________________8 1.4.Clasificación general de los ensayos____9 1.5.Normas y especificaciones___________-15

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD I.

NORMATIVIDAD.

1.1 ANTECEDENTES. Definiciones de normalización y algunas consideraciones sobre este concepto. Aun cuando desde hace algún tiempo se habla y se escribe con cierta insistencia sobre el término normalización, en pocas ocasiones se ha tratado sobre su definición aun a pesar de que uno de los propósitos fundamentales de la Normalización es precisamente de definir. Definición adoptada por la ISO La organización internacional de Normalización ISO, organismo constituido por la mayor parte de los países que tienen una institución encargada del proceso de normalizaron a nivel nacional, tiene varios Comités especiales que dependen directamente de su Consejo Directivo. Uno de estos comités es el Comité para el estudio de los Principios Científicos de la Normalización (STACO), el cuál esta formado por expertos en materia de normalización que pertenecen a varios países e instituciones. Entre los primeros documentos que preparó este comité, para someterlos a la aprobación del consejo de la ISO, incluyó las definiciones de normalización y de norma, mismas que tardó más de cinco años discutiéndolas. De acuerdo con la STACO el concepto de normalización es primero y luego el de norma; para STACO

tiene primer lugar la acción, el proceso y luego su reconocimiento por una determinada institución, debido a eso aprobó primeramente en 1961 la definición de normalización, y en 1962 la de norma. La definición de normalización según la STACO es la siguiente: “La normalización es el proceso de formular y aplicar reglas con el propósito de realizar un orden en una actividad especifica, para el beneficio y con la cooperación de todos los intereses, y en particular para la obtención de una economía de conjunto óptima, teniendo en cuenta las características funcionales y los requisitos de seguridad. Se basa en los resultados consolidados de la ciencia, la técnica y la experiencia. Determina no solamente la base para el presente sino también para el desarrollo futuro y debe mantener su paso acorde con el progreso. Algunas aplicaciones particulares son: 1. Unidades de medida. 2. Terminología y representación simbólica. Productos y procesos (definición y selección de las características de productos, métodos de prueba y de medición, especificación de las características de los productos para definir su calidad, regulación de la definición de norma según la STACO es la siguiente: Una norma es el resultado de una gestión particular de normalización, aprobada por una autoridad reconocida.

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Cédula profesional: 1057705 Puede tomar la forma de: 1. Un documento que contiene un conjunto de condiciones por ser cumplidas. 2. Una unidad fundamental o una constante física, ejemplo: amperio, cero absoluto (Kelvin), etc. 3. Un objeto para comparación física, ejemplo: metro. Algunas consideraciones sobre la definición adoptada por la ISO. De la anterior concepción de normalización podemos observar que primeramente se define que es normalización, en que consiste “es el propósito de formular y aplicar reglas”, luego se indica su fin practico “con el propósito de realizar un orden”, en un horizonte determinado “en una actividad especifica”, se mencionan también sus condiciones “con la cooperación de todos los interesados y teniendo en cuenta las características funcionales y los requisitos de seguridad” y su propósito fundamental 2para la obtención de una economía de conjunto optima”. Cabe observarse que su propósito fundamental esta en función de las circunstancias pues partiendo de la premisa de que las normas inducen un determinado comportamiento en su campo de aplicación, este comportamiento influye a su vez en la utilización y productividad de todos los factores de la producción y en algunos casos preponderantemente en el uso de ellos. Más adelante menciona STACO que “se basa en los resultados consolidados de la ciencia, la técnica y la experiencia”, lo cuál es obvio si

consideramos a la normalización como una disciplina técnica, que debe tener un mínimo de rigor. Por último dice la STACO que determina no solamente la base para el presente sino también para el desarrollo futuro, aquí es justo deducir que la STACO con un criterio muy amplio no fija ningún limite, considerando tal vez que la Normalización tiene varios niveles de acción, pues mientras resulta bastante lógico considerar presente y futuro en una recomendación internacional dada la variedad de países y la gran diferencia existente entre sus niveles de desarrollo industrial, no lo parece mucho en una norma a nivel de empresa. Por ultimo considerándola también de una manera más técnica, la STACO menciona también que normalizar es: especificar, simplificar y unificar, entendiendo que: • Especificar es definir calidad. • Simplificar es reducir modelos superfluos y • Unificar es definir las características dimensionales para asegurar ínter cambiabilidad. Definición desde el punto de vista etimológico. Desde el punto de vista etimológico, la palabra normalización proviene de norma, está a su vez del latín norma que definen como regla a la que se modela voluntariamente una acción.

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Cédula profesional: 1057705 Definición de normalización adoptadas por algunos organismos nacionales de normalización. Francia Para la Asociación Francesa de normalización “AFNOR” La normalización es un conjunto de técnicas que tiene por objeto definir colectivamente, en consideración de categorías determinadas de necesidades, gamas correspondientes de productos o métodos propios a satisfacerlos (aptitudes de empleos) eliminando las complicaciones y las variedades superfluas por medio de la simplificación, con el fin de permitir una producción y una utilización racional, sobre las bases de técnicas válidas en el momento. Inglaterra Para la Institución Británica de Normas (BSI). Normalización es el proceso de definir y aplicar, las condiciones necesarias para asegurar que una categoría dada de requisitos puedan corrientemente ser cumplidos, con un mínimo de variedad, de una manera económica y reproducible, y sobre de la mejor técnica actual. Alemania El Comité Alemán de Normas (DNA). Definió a la Normalización en 1940, desde un punto de vista muy general, en la siguiente forma: por normalización se entienden los sistemáticos trabajos de unificación llevados a cabo colectivamente sobre bases de utilidad general y con la participación de todos los sectores que, en caso, estén interesados.

La norma es la misma solución adoptada para un problema que se repite. México En México la vigente Ley General de Normas y de Pesas y Medidas, publicada en el diario Oficial de la Federación, el día 7 de Abril de 1961, define norma industrial en su artículo 4o. como sigue: Articulo 4º.- Norma Industrial es el conjunto de especificaciones en que se define, clasifica y califica un material, producto o procedimiento para que se satisfaga las necesidades y usos a que está destinado. Por último y a manera de conclusión podemos considerar que una definición es la objetivización de un concepto, es su determinación; definir un concepto es determinar su posición dentro del sistema de todos los conceptos relacionados. La definición es una presentación verbal o escrita de características elegidas para exponer:

• Lo que el concepto tiene en común con sus conceptos relativos y

• Por cuales atributos se distingue de ellos.

1.2 DEFINICIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS.

PROPIEDADES MECÁNICAS. Mechanical properties. Características de los materiales mecánicos. Por ejemplo: modulo, esfuerzo permisible, relación esfuerzo -.deformación, dureza, límite de fatiga, tenacidad a la fractura.

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Cédula profesional: 1057705 Modulo de elasticidad: cociente de la fuerza de estiramiento, como en el espécimen de prueba por la unidad de área de la sección transversal con el alargamiento por la unidad de longitud su valor es del orden de 105 Pascal o 107Lb/pulg2 para los metales. Esfuerzo permisible: esfuerzo de trabajo; esfuerzo de trabajo. Valor del esfuerzo en el material por de bajo del cual el objeto tiene un margen de seguridad apropiado. El esfuerzo permisible es menor que el esfuerzo de daño a causa de factores desconocidos en la uniformidad del material, limitaciones en el análisis de esfuerzos e incertidumbre respecto al uso del objeto en servicio. Relación esfuerzo deformación: Efecto de aumentar el esfuerzo sobre los materiales y su correspondiente aumento en la deformación que tiene una relación única para cada uno. Con esfuerzos hasta el limite de elasticidad, el material recuperará su longitud original al eliminarse el esfuerzo, y con este tramo de la cúrvale cociente del esfuerzo entre la deformación es una constante denominada módulo de Young del material del que se dice que obedece entonces a la ley de Hooke. Por la fluencia de cargas que inducen esfuerzos superiores al punto de fluencia, el material deja de ser elástico y, después de pasar por un estado plástico, finalmente se fracturara. Dureza: Resistencia a la deformación, es medida por lo general al calibrar la resistencia a la identación mediante alguna de las diversas pruebas de dureza.

Límite de fatiga: Límite superior del rango de esfuerzo que un metal puede soportar de manera indefinida. Tenacidad a la fractura: Medida de la tolerancia al daño de un material que presenta fallas o grietas iniciales. 1.3 FINALIDAD Principios Generales de la Normalización El proceso de normalización industrial, elaboración y aplicación de normas, ha adquirido una creciente popularidad en el ámbito nacional que data de unos pocos años. En el caso de lo países altamente industrializados, la normalización de cincuenta años a la fecha, ha llegado a ser considerada como indispensable tanto por la producción como para la presentación de determinados servicios. La normalización es consecuencia de una serie de pasos, de estudios y discusiones, sin embargo, tratándose de generalizar, se puede decir que las dos fases más importantes de la normalización son: primero la elaboración de normas y, segundo su aplicación. Obvio resulta decir que es imposible aplicar normas sin antes haberlas preparado, pero si es necesario aclarar, que para la elaboración de normas es necesario tener en cuenta una serie de principios generales. Como todos sabemos, la normalización es la captación de la realidad, es imposible basarla en principios rígidos, establecidos a priori, que la quiten la necesaria flexibilidad para adaptarse a las

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Cédula profesional: 1057705 necesidades, a la técnica y a la idiosincrasia nacional. La normalización debe ser considerada como una gestión paralela al proceso de producción y al proceso de desarrollo de los productos. La experiencia ha permitido establecer unos principios generales que deben tenerse en cuenta para realizar una verdadera normalización. Estos principios, que no significan ningún obstáculo, han sido expuestos ya por muchos expertos en normalización, en distintas épocas y lugares; estos principios son los de Homogeneidad, Equilibrio y Cooperación. En cuanto a homogeneidad, en un tiempo determinado al conjunto de normas debe constituir un todo perfectamente homogéneo; en el caso de equilibrio, la normalización debe realizar un estado de equilibrio entre las necesidades del progreso técnico y las posibilidades económicas; por último, es indispensable un principio de cooperación, la normalización es una obra eminentemente colectiva, en consecuencia, es necesario que sea establecida con el consenso y la cooperación de todos los intereses afectados. El principio de equilibrio garantiza que las normas no sean especulaciones cerebrales de escritorio, sin fruto de la colaboración de todos los sectores afectados. La normalización debe lograr un estado de equilibrio entre las necesidades del progreso y las posibilidades económicas. El último de estos tres principios generales de la normalización es la cooperación. La normalización es una obra de carácter eminentemente colectivo, en

la que deben participar todos los sectores interesados, en una discusión franca y libre que garantice en consenso nacional. La división, menos extensa de los sectores interesados que puede afectar la aplicación de una norma, es la que los clasifica en tres grandes grupos: 1. Sector de interés general. 2. Sector productor. 3. Sector consumidor. El sector de interés general incluye a todos aquellos que no están directamente afectados por la aplicación de una norma, es decir, que no pertenecen a los sectores de producción ni de consumo; en este grupo se incluye a los profesores, a los consultores técnicos, a los investigadores, asociaciones de profesionistas, etc. El sector productor, se refiere a los fabricantes del producto por normalizar, en el caso de que una norma sea preparada exclusivamente por miembros de este sector, éstos estarían asumiendo una doble misión, la de hacer el producto y juzgarlo; o lo que es más, hacerlo de acuerdo con su único y propio criterio; puede verse tentado a establecer niveles mas bajos de los alcanzables, en perjuicio del consumidor y sin el estimulo de exigencias que lo obliguen a una constante superación. Al sector consumidor pertenecen tanto los consumidores directos como los intermediarios. Si una norma fuera elaborada exclusivamente con la opinión de este sector, seguramente los consumidores con su desconocimiento de las posibilidades industriales, exigirían niveles de calidad difícilmente alcanzables,

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Cédula profesional: 1057705 provocando sin preverlo, un encarecimiento o la inaplicabilidad de la norma, y no se cumpliría tampoco con el principio general de equilibrio. 1.4 CLASIFICACIÓN GENERAL DE

LOS ENSAYOS Que es un ensayo: Los ensayos tienen como finalidad determinar las características de los materiales. Clasificación de los ensayos: 1.1 Ensayos de características Químico: Determinar la composición de los materiales. Cristales: Determinar la cristalización, se realiza mediante un microscopio electrónico. Microscópicos: Determinar el grano. Macroscópicos: Determinar la fibra Térmicos: Puntos de fusión. Puntos críticos. Constituyentes: (Ej. (Carburo de...) 1.2 Ensayos destructivos: (E.D.) Ensayos de propiedades mecánicas: Estáticos: Durezas, Tracción, Compresión, Cizalladura, Flexión, Pandeo, Fluencia Dinámicos: Resistencia al choque, Desgaste, Fatiga 1.3 Ensayos tecnológicos: Determ. el comportamiento de los mat. ante operaciones industriales: Doblado, Plegado, Forja, Embutición, Soldadura, Laminación,... 1.4 Ensayos No destructivos: (Por orden de importancia)Rayos X, Rayos Gamma (Se usa un isótopo reactivo, uso de radiografías), Ultrasonidos, Partículas magnéticas, Líquidos

penetrantes, Corrientes Inducidas, Magnéticos, Sónicos (Es el más utilizado, un mat. sin grietas tiene un sonido agudo; si el mat. Tiene grietas el sonido es más grave.) •Que es un ensayo de dureza:las propiedades mecánicas de los materiales son: COHESION: Resistencia de los átomos a separarse unos de otros. ELASTICIDAD: Capacidad de un material de recobrar su forma primitiva cuando cesa la causa que los deformara. PLASTICIDAD: Capacidad de un material a deformarse. Se clasifica en: MALEABILIDAD: Facilidad a deformarse en láminas. DUCTILIDAD: Facilidad a deformarse en hilos. Para determinar la cohesión se realizan ensayos de DUREZA y tamaño del grano. Para determinar la elasticidad y la plasticidad se realizan ensayos de TRACCION y COMPRESION. 2 - Definiciones de Dureza. a) Dureza al rayado: Resistencia que opone un material a dejarse rayar por otro. Dureza Mohs (mineralúgica), Dureza Lima, Dureza Martens, Dureza Turner. b) Dureza a la penetración: Resistencia que opone un material a dejarse penetrar por otro más duro. HBS y HBW, HR, HV, HK, POLDI (Brinell dinámico), Herziana, Monotrón. c) Dureza elástica: Reacción elástica del material cuando se deja caer sobre él un cuerpo más duro. SHORE y Método Dinámico.

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Cédula profesional: 1057705 d) Dureza Pendular: Resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él. a) Dureza al Rayado. * Dureza MOHS: Se usa para determinar la dureza de los minerales. Se basa en que un cuerpo es rayado por otro más duro. Esta es la escala de Mohs: 1 - Talco 6 - Feldespato (Ortosa) 2 - Yeso 7 - Cuarzo 3 - Calcita 8 - Topacio 4 - Fluorita 9 - Corindón 5 - Apatita 10 - Diamante La fundición gris esta entre 8 y 9; el hierro dulce en el 5; y los aceros entre 6,7 y 8. * Dureza MARTENS: Se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90º, con una carga constante y determinada. Se aplica sobre superficies nitruradas. Se mide “a” en micras y la dureza Martens viene dada por: DUREZA MARTENS= peso en gr que produce en el material una huella de 10 micras * Dureza TURNER: Es una variante de la dureza Martens. La dureza viene dada en función de los gramos necesarios (carga necesaria, P) para conseguir una deformación tal que a = 10 micras. El valor de las carga será el valor de la dureza Turner. * Dureza a la lima: Se usa en industria. En todo material templado la lima no "entra". Dependiendo de sí la lima entra o no entra sabremos: No entra, el material raya a la lima; Dureza mayor de 60 HRC

Entra, la lima raya al material; Dureza menor de 60 HRC b) Dureza a la penetración: * Dureza HERZIANA: Viene determinada por la menor carga que hay que aplicar a un material (con bolas de 1,5 a 4 mm. de acero extraduro) para que deje huella. * Dureza MONOTRON: Es una variante de la dureza Herziana. Viene expresada por la carga que hay que aplicar para producir una penetración de 0,0018 pulgadas. El penetrador es una semiesfera de diamante de 0,75 mm. Tiene dos dispositivos, uno que da la carga aplicada y un sensor que para el ensayo cuando la penetración es de 0,0018Ó. * Dureza BRINELL ( HBS y HBW): UNE 7-422-85 Este método consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, sobre un material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo también conocido. HB viene dado por: DUREZA=(fuerza aplicada (kgf))/(superficie esférica de la huella) El valor de la carga P viene dado por: P = K D2, donde K=cte. de ensayo. El tiempo de ensayo es t=10 - 15 seg. según normas UNE. Los valores de K para algunos materiales son: Aceros y elementos siderúrgicos: K=30 ; Cobres, Bronces, Latones: K=10 ; Aluminio y aleaciones: K=5 ; Materiales blandos (Sn, Pb): K=2,5; No se utilizan los ensayos Brinell para durezas superiores a 500 (aceros templados), porque se deforman las bolas.

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Cédula profesional: 1057705 Nomenclatura: XXX HBS (D/P/t) Ej. 156 HBS 10/3000/15. Generalmente se usan bolas de 10 mm; cuando t = 15 seg. no hace falta indicarlo. Condiciones de ensayo: 1 - La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes. 2 - El espesor de la probeta (s), debe ser al menos ocho veces la flecha de la impronta. ( s = 8f) 3 - La distancia entre 2 huellas = (4:6) d; la distancia del centro de la huella al borde = (2,5:3) d. 4 - Temperatura de ensayo = 23 C ±5 Uso de HBS: -Cálculo de la resistencia a la tracción. r= mH n * Dureza Meyer ( HBW ): Es igual que la Brinell excepto que S es la superficie proyectada de la huella: HV=1,8544 P/l [kg/mm] * Dureza ROCKWELL ( HRx ): UNE 7-424/89/1 (Normal) UNE 7-424/89/2 (Superficial) El método Rockwell se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella. Permite medir durezas en aceros templados. Da directamente la dureza en el durómetro: - escala de bolas de 130 divisiones (rojo) - escala de conos de 100 divisiones (negro)

Los ensayos se pueden realizar con 2 tipos de penetradores: Bolas de 1/8” y 1/16” y Conos de 120º ángulo en el vértice. Las cargas se aplican en dos tiempos; primero se aplica la carga previa (10 — 3 Kp); y posteriormente se mete el resto de la carga. A partir de introducir la carga adicional se mide la dureza. La carga previa en HR normal es de 10 Kp y en HR superficial es de 3 Kp. Nomenclatura: XXX HRx t XXX HRS P/t Condiciones de ensayo: 1 - La superficie de la probeta debe ser plana, estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes. 2. El espesor de la probeta debe ser 10 veces la penetración del cono. s = 10 f 3-La distancia entre 2 huellas = 3d; la distancia del centro de la huella al borde = 2,5d 4 - Temperatura de ensayo = 23º C ±5ºC 5. Si las piezas son cilíndricas y d<30 mm. debemos introducir un factor de corrección que se da en gráficas. Ventajas del método Rockwell: - Método rápido y preciso, no necesita de operarios especializados. - Huellas más pequeñas que el método Brinell. - Inconveniente tiene que si el material no asienta perfectamente, las medidas resultan falseadas.

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Cédula profesional: 1057705 * Dureza VICKERS ( HV ): UNE 7-423/84/1 (HV 5 a HV 100) El método Vickers se deriva directamente del método Brinell. Se emplea mucho en laboratorio y en particular para piezas delgadas y templadas, con espesores mínimos hasta de 0,2 mm. Se utiliza como penetrador una punta piramidal de base cuadrangular y ángulo en el vértice entre caras de 136º. Este ángulo se eligió para que la bola Brinell quedase circunscrita al cono en el borde de la huella. La dureza Vickers viene dada por: HV = P/S [Kg/mm] donde S es la superficie de la impronta y P la carga aplicada. Nomenclatura: XXX HV P/t Condiciones de ensayo: 1 - La superficie de la probeta debe ser pulida, plana; estar limpia, homogénea y perpendicular a la bola, libre de óxido y lubricantes. 2 - s = 1,5 d (s= espesor de la probeta). 3 - Distancia entre centros de 2 huellas = (3:6) d; Distancia del centro de la huella al borde = (2,5:3) d. 4 - Temperatura de ensayo = 23º C ±5ºC 5 - En probetas cilíndricas, P debe ser tan pequeña que f < 0,01 mm. d ± 0,001 mm. ; d>0,5 mm. => d±0,01 mm. HV<25 ==> se redondea a la décima. HV>25 ++> se redondea a la unidad. Ventajas del método Vickers:

1. Las huellas Vickers son comparables entre sí; independientes de las cargas. 2. Pueden medirse una amplia gama de materiales, desde muy blandos hasta muy duros, llegándose hasta 1.150 HV. 3. Se pueden medir piezas muy delgadas con cargas peque-as, hasta espesores de orden de 0,05 mm. 4. Puede medirse dureza superficial. (para determinar recubrimientos de los materiales) 5. La escala Vickers es más detallada que la Rockwell; 32 unidades Vickers = 1 unidad Rockwell 6. Como es preciso examinar la huella puede comprobarse el estado del penetrador. * Dureza KNOOP ( HK ): Se usa para durezas normales (P=1-5 Kp), superficiales (P=1/2-1 Kp) y microdurezas (P=10 gr-500 gr). El penetrador esta hecho con una pirámide rómbica con relación entre diagonales de 1:7. Sus ángulos entre aristas son a = 130¡ y b = 170º30”. El método Knoop se emplea sólo en laboratorio, para medir la dureza de láminas muy delgadas, incluso de depósitos electrolíticos. Nomenclatura: XXX HK P/t Condiciones de Ensayo: 1. D £ 3e (e= espesor de la probeta) * Dureza POLDI : Es una variable de la dureza Brinell. Es portátil. Es independiente del tiempo de carga.

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Cédula profesional: 1057705 Se basa en ejercer una carga P sobre el durómetro que nos producirá 2 huellas en dos probetas, una de dureza conocida y otra de dureza desconocida. La dureza esta en razón inversa del tipo del material (duro, blando). Nomenclatura: XXX HBS D POLDI c) Dureza elástica: * Dureza SHORE ( HS ): Se basa en la reacción elástica del material cuando dejamos caer sobre él un material más duro. Si el material es blando absorbe la energía del choque, si el material es duro produce un rebote cuya altura se mide. La práctica se realiza en un ESCLEROMETRO o escleroscopio, aparato formado por un tubo de cristal de 300 mm. de altura, por cuyo interior cae un martillo con punta de diamante redondeada de 2,36 gr. La altura de la caída es de 254 mm. y la escala esta dividida en 140 divisiones Nomenclatura: XXX HS Condiciones de ensayo: 1. Superficie plana, limpia, pulida y perpendicular al esclerímetro. 2. Hacer 3 ensayos y cada vez en sitios diferentes (endurecimiento de la superficie por el choque). Ventajas del método Shore: 1. No produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado. 2. Permite medir dureza superficial de piezas terminadas.

3. Es el único ensayo NO destructivo para medir durezas. * Método Dinámico para ensayo de la dureza al rebote ( L ): Este método se basa en las medidas de las velocidades de impulsión y rebote de un cuerpo móvil impulsado por un resorte contra la superficie del material metálico a ensayar. Existen curvas de relación de L con HB y HRC. El tiempo de ensayo es de 2 seg. y el durómetro puede estar en cualquier posición (horizontal, vertical, inclinado...), vasta con luego restar al resultado 10 si estaba horizontal, y diferentes valores(18...26) si estaba invertido. Uso industrial: Piezas de gran tamaño, Mapas de dureza de una misma pieza. Ventajas: Operario No cualificado, Resultados independientes del operario • Dureza por rebote • DUROSCOPIO: d) Dureza pendular: Se basa en la resistencia que opone un material a que oscile un péndulo sobre él. Sirve para materiales con reacción elástica muy alta. Consiste en 2 péndulos, uno se apoya sobre un eje de cuarzo y el otro sobre el material a ensayar. Se dejan caer y empiezan a oscilar, como son diferentes materiales tienen diferentes durezas, luego hay una descompensación de oscilaciones, cuando las oscilaciones coinciden de nuevo se mide el tiempo que han tardado en coincidir y luego con ese tiempo se traduce a la dureza correspondiente.

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Cédula profesional: 1057705 * Método UCI: Es un aparato portátil, con un penetrador piramidal de 136º entre caras de diamante. Se coloca el penetrador que vibra con una frecuencia y una carga de 5 Kp. Según la huella que produce se genera una frecuencia de resonancia, que es traducida por el aparato al dato numérico de la dureza que se halla seleccionado, puesto que nos puede dar cualquiera (HBS, HRx, HV,...). Existe una relación directa entre la frecuencia de resonancia y la dureza del material. * Relación de HBS con HRb y HRc. Fórmulas empíricas de tolerancia ±10%: Con esto quedan explicados los ensayos de dureza para cualquier tipo de material, al no haber podido encontrar nada acerca de los ensayos de dureza en los materiales plásticos. Deformación plástica por mezclado

1.5 NORMAS Y

ESPECIFICACIONES SECRETARIA DE COMERCIO Y

FOMENTO INDUSTRIAL NORMA MEXICANA NMX-B-242-1990 PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO CON RESISTENCIA A LA TENSION INTERMEDIA Y BAJA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN A PRESION DIRECCION GENERAL DE NORMAS PREFACIO En la elaboración de esta norma participaron las siguientes empresas e instituciones: - BABCOCK & WILCOX DE MEXICO, S.A. DE C.V. - CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION. - CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO. - COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD. - DEPARTAMENTO DE LA INDUSTRIA MILITAR. - DEPARTAMENTO DEL DISTRITO FEDERAL. - - FERROCARRILES 1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN 1.1 Esta Norma Oficial Mexicana establece los requisitos que deben cumplir las plantas de acero al carbono, con resistencia a la tensión intermedia y baja, que se utilizan en la fabricación de calderas y recipientes que trabajan a presión.

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Cédula profesional: 1057705 Este material es adecuado para soldarse. A opción del fabricante, las planchas pueden fabricarse de acero calmado, semicalmado o tapado. 1.2 La norma contempla tres clases de planchas, las cuales se indican en 3.1. 1.3 El espesor máximo de las planchas que se contemplan en esta norma es de 50mm. 2 REFERENCIAS Esta norma se complementa con la siguiente Norma Oficial Mexicana vigente: NOM-B-246 "Requisitos generales

para planchas de acero para recipientes que trabajan a presión."

3 CLASIFICACIÓN Y DESIGNACIÓN 3.1 Clasificación Las planchas se clasifican conforme a sus niveles de resistencia a la tensión en tres clases: A, B y C. 3.2 Designación La designación debe ser la que se establece en la NOM-B-246. 4 ESPECIFICACIONES 4.1 Requisitos generales. 4.1.1 A menos que se especifique otra cosa, las planchas objeto de esta norma, deben cumplir con los

requisitos aplicables de la NOM-B-246, como son: definiciones, inspección, certificación, etc. 4.1.2 Además de los requisitos básicos, esta norma también incluye requisitos suplementarios, los cuales deben aplicarse sólo cuando se especifiquen pruebas o exámenes adicionales, para cumplir con el uso final. Los requisitos suplementarios se indican en esta norma, y se detallan en la NOM-B-246. 4.1.3 En caso de discrepancia en cuanto a requisitos, deben prevalecer en primer lugar los indicados en esta norma sobre los especificados en la NOM-B-246. 4.1.4 Tratamiento térmico. Las planchas se suministran, generalmente sin tratamiento térmico (en su condición de laminado). Pueden solicitarse normalizadas o con relevado de esfuerzos, o con ambos tratamientos. 4.2 Requisitos químicos. El acero debe cumplir con la composición química indicada en la tabla 1. Tabla 1.- Composición química, en por ciento.

Nota.- (a) Se aplica para ambos análisis ( de colada y de producto).

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Cédula profesional: 1057705 4.3 Requisitos de tensión. El material debe cumplir con los requisitos de tensión indicados en la tabla 2. 5 MUESTREO El muestreo debe efectuarse conforme a lo indicado en la NOM-B-246. Tabla 2.- Requisitos de tensión. Notas.- a) Ver inciso 6.2 de esta norma. b) Ver requisitos de tensión de la NOM-B-246. 6 MÉTODOS DE PRUEBA 6.1 Los métodos de prueba para verificar las especificaciones de esta norma, deben ser los indicados en la NOM-B-246. 6.2 En la prueba de tensión, el límite de fluencia debe determinarse, ya sea empleando el método de deformación permanente especificado (Off-Set), utilizando un

valor de 0.2% de deformación, o por el método de extensión total bajo carga, considerando una deformación de 0.5% de la longitud calibrada. 7 REQUISITOS SUPLEMENTARIOS 7.1 Los requisitos suplementarios sólo deben aplicarse a solicitud del comprador, previo acuerdo con el fabricante. Los detalles de estos deben ser los que se especifican en la NOM-B-246. A continuación se da una lista de los requisitos suplementarios a los que se pueden someter las planchas objeto de esta norma. 7.1.1 Tratamiento térmico simulado, posterior a la soldadura de probetas, para pruebas mecánicas. 7.1.2 Prueba de tensión adicional. 7.1.3 Prueba de doblado. 7.1.4 Contenido de cobre El contenido de cobre en el análisis de colada debe ser de 0.20% a 0.35% y para el análisis de producto de 0.18% a 0.37%. SECRETARIA DE COMERCIO Y FOMENTO INDUSTRIAL NORMA MEXICANA NMX-B-244-1990 PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO, PARA SERVICIO A TEMPERATURAS ALTAS E INTERMEDIAS, PARA

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Cédula profesional: 1057705 RECIPIENTES QUE TRABAJAN A PRESION

DIRECCION GENERAL DE NORMAS PREFACIO En la elaboración de esta norma participaron las siguientes empresas e instituciones. - BABCOCK & WILCOX DE MEXICO, S.A. DE C.V. - CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION. - CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL

ACERO. - COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD. - DEPARTAMENTO DE LA INDUSTRIA MILITAR. - DEPARTAMENTO DEL DISTRITO FEDERAL. - FERROCARRILES NACIONALES DE MEXICO. - SISTEMA DE TRANSPORTE

COLECTIVO -METRO-. PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO, PARA SERVICIO A TEMPERATURAS ALTAS E INTERMEDIAS, PARA

RECIPIENTES QUE TRABAJAN A PRESION

1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACION 1.1 Esta Norma Oficial Mexicana establece los requisitos que deben cumplir las planchas de acero al carbono - silicio, destinadas principalmente para servicio a temperaturas altas e intermedias, en calderas y otros recipientes soldados que trabajan a presión. 1.2 Esta norma contempla cuatro clases de planchas, las cuales se indican en 3.1. 1.3 Los espesores máximos de las planchas, solamente están en función de la capacidad de la composición química para cumplir con los requisitos de tensión especificados; sin embargo, los espesores máximos de las planchas contempladas en esta norma, se limitan a los siguientes:

2 REFERENCIAS Esta norma se complementa con las siguientes Normas Mexicanas vigentes: NOM-B-246 “Requisitos generales para planchas de acero para recipientes que trabajan a presión”. NOM-B-261 “Inspección ultrasónica con haz angular de planchas de acero”. NOM-B-476 “Método de inspección ultrasónica con haz recto para planchas de acero”.

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3 CLASIFICACION Y DESIGNACION 3.1 Clasificación Las planchas se clasifican conforme a sus niveles de resistencia a la tensión, en cuatro clases: 3.2 Designación La designación debe ser conforme a lo indicado en la NOM-B-246.

4 ESPECIFICACIONES 4.1 Requisitos generales 4.1.1 Las planchas suministradas bajo esta norma deben cumplir con los requisitos aplicables de la NOM-B-246, como son: definiciones, inspección, certificación, etc. 4.1.2 Además de los requisitos básicos de esta norma, se incluyen requisitos suplementarios, los cuales deben aplicarse cuando se especifiquen pruebas o exámenes adicionales, para cumplir con el uso final. Dichos requisitos suplementarios se indican en 7.

4.1.3 En caso de discrepancia en cuanto a requisitos, deben prevalecer en primer lugar los indicados en esta norma, sobre los especificados en la NOM-B-246. 4.2 Fabricación El acero debe ser calmado, y a menos que se especifique otra cosa, debe fabricarse de tal manera que se obtenga una microestructura de grano grueso. Entendiéndose por grueso aquel que tiene un número de 1 a 5 (ver NOM-B-246). 4.3 Tratamiento térmico 4.3.1 Las planchas de 50mm de espesor y menores se suministran generalmente sin tratamiento térmico (en su condición de laminado). Estas planchas pueden solicitarse normalizadas o con relevado de esfuerzos, o con ambos tratamientos. 4.3.1.1 Las planchas con espesor mayor de 50 mm deben ser normalizadas. 4.4 Requisitos químicos 4.4.1 El acero debe cumplir con los requisitos químicos indicados en la tabla 1

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Tabla 1. Composición química, en por ciento. Nota.- (a) Se aplica para ambos análisis (de colada y de producto). 4.5 Requisitos de tensión El material debe cumplir con los requisitos de tensión indicados en la tabla 2.

Tabla 2.- Requisitos de tensión. Nota de la tabla 2.- (a) Ver requisitos de tensión de la NOM-B-246. 5 MUESTREO El muestreo debe efectuarse conforme a lo indicado en la NOM-B-246.

6 METODOS DE PRUEBA Los métodos de prueba para verificar las especificaciones de esta norma deben ser los indicados en la NOM-B-246.

7 REQUISITOS SUPLEMENTARIOS Los requisitos suplementarios solo deben aplicarse a solicitud del comprador, previo acuerdo con el fabricante. Los detalles de éstos deben ser los que se especifican en la NOM-B-246. A continuación se da una lista de los requisitos Suplementarios a que pueden someterse las planchas objeto de esta norma. 7.1 Análisis de producto. 7.2 Tratamiento térmico simulado posterior a la soldadura de probetas para pruebas mecánicas. 7.3 Prueba de tensión adicional. 7.4 Prueba de impacto tipo Charpy con ranura en "V". 7.5 Prueba de caída de peso. 7.6 Examen ultrasónico, conforme a lo indicado en la NOM-B-476. 7.7 Examen con partículas magnéticas. 7.8 Examen ultrasónico, conforme a lo indicado en la NOM-B-261. 7.9 Prueba de doblado.

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Cédula profesional: 1057705 SECRETARIA DE COMERCIO Y FOMENTO INDUSTRIAL NORMA MEXICANA NMX-B-243-1990 PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO-MANGANESO DE AL RESISTENCIA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN PRESION DIRECCION GENERAL DE NORMAS PREFACIO En la elaboración de esta norma participaron las siguientes empresas e instituciones. - BABCOCK & WILCOX DE

MEXICO, S.A. DE C.V. - CAMARA NACIONAL DE LA

INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION.

- CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL ACERO. - COMISION FEDERAL DE

ELECTRICIDAD. - DEPARTAMENTO DE LA

INDUSTRIA MILITAR. - DEPARTAMENTO DEL

DISTRITO FEDERAL. - FERROCARRILES

NACIONALES DE MEXICO. - SISTEMA DE TRANSPORTE

COLECTIVO -METRO-. PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO-MANGANESO DE AL RESISTENCIA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN PRESION

1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACIÓN 1.1 Esta Norma oficial Mexicana establece los requisitos que deben cumplir las planchas de acero al carbono - manganeso, con alta resistencia a la tensión, las cuales se emplean en la fabricación de recipientes que trabajan a presión. Este material es adecuado para soldarse. 1.2 Las planchas se producen a partir de un acero semicalmado o tapado Sin embargo, a opción del fabricante o del comprador, el acero puede ser calmado con silicio o con aluminio. 1.3 El espesor máximo de las

planchas objeto de esta norma es de 20mm.

2 REFERENCIAS

Esta norma se complementa con la siguiente Norma Oficial Mexicana vigente: NOM-B-246 "Requisitos generales para planchas de acero, para recipientes que trabajan a presión."

3 CLASIFICACIÓN Y DESIGNACIÓN 3.1 Clasificación Las planchas objeto de esta norma se

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Cédula profesional: 1057705 suministran en una sola clase, por lo que no requieren clasificación. 3.2 Designación La designación debe ser conforme a lo indicado en la NOM-B-246. 4 ESPECIFICACIONES 4.1 Requisitos generales 4.1.1 A menos que se especifique otra cosa, las planchas suministradas bajo esta norma deben cumplir con los requisitos aplicables de la NOM-B-246, como son: definiciones, inspección, certificación, etc. 4.1.2 En caso de discrepancia en cuanto a requisitos, deben prevalecer en primer lugar los indicados en esta norma sobre los especificados en la NOM-B-246. 4.2 Tratamiento térmico Las planchas se suministran generalmente, sin tratamiento térmico (en su condición de laminado). Pueden solicitarse normalizadas o con relevado de esfuerzos, o con ambos tratamientos. 4.3 Requisitos químicos El acero debe cumplir con la composición química indicada en la tabla 1. Tabla 1.- Composición química. Notas.- a) Se aplica para ambos análisis (de colada y de producto).

b) Cuando el contenido de silicio

es mayor de 0.10%, el contenido máximo de carbono no debe exceder de 0.28%.

c) A opción del fabricante o del

comprador, el contenido máximo de silicio puede ser hasta 0.40% en el análisis de colada y hasta 0.45% en el análisis de producto.

4.4 Requisitos de tensión El material debe cumplir con los requisitos de tensión indicados en la tabla 2. 5 MUESTREO El muestreo debe efectuarse conforme a lo indicado en la NOM-B-246.

Tabla 2. Requisitos de tensión. Nota.- (a) Ver requisitos de tensión en la NOM-B-246. 6 MÉTODOS DE PRUEBA Los métodos de prueba, deben ser los indicados en la NOM-B-246.

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Cédula profesional: 1057705 7 REQUISITOS SUPLEMENTARIOS 7.1 Los siguientes requisitos suplementarios, deben aplicarse por acuerdo previo entre fabricante y comprador; y deben especificarse en la orden de compra. En la NOM-B-246 se indican otros requisitos suplementarios, los cuales puede solicitar el comprador. Aquellos que se consideran adecuados para usarse en esta norma, se indican a continuación. 7.2 Tratamiento térmico simulado posterior a la soldadura de probetas para pruebas mecánicas. 7.3 Prueba de doblado SECRETARIA DE COMERCIO Y FOMENTO INDUSTRIAL NORMA MEXICANA NMX-B-243-1990 PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO-MANGANESO DE AL RESISTENCIA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN PRESIÓN DIRECCION GENERAL DE NORMAS PREFACIO En la elaboración de esta norma participaron las siguientes empresas e instituciones.

- BABCOCK & WILCOX DE MEXICO, S.A. DE C.V.

- CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCION.

- CAMARA NACIONAL DE LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y DEL

ACERO. - COMISION FEDERAL DE

ELECTRICIDAD. - DEPARTAMENTO DE LA

INDUSTRIA MILITAR. - DEPARTAMENTO DEL

DISTRITO FEDERAL. - FERROCARRILES

NACIONALES DE MEXICO. - SISTEMA DE TRANSPORTE

COLECTIVO -METRO-. PLANCHAS DE ACERO AL CARBONO-MANGANESO DE AL RESISTENCIA PARA RECIPIENTES QUE TRABAJAN PRESION 1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACION 1.1 Esta Norma oficial Mexicana establece los requisitos que deben cumplir las planchas de acero al carbono - manganeso, con alta resistencia a la tensión, las cuales se emplean en la fabricación de recipientes que trabajan a presión. Este material es adecuado para soldarse. 1.2 Las planchas se producen a partir de un acero semicalmado o tapado Sin embargo, a opción del fabricante o del comprador, el acero puede ser calmado con silicio o con aluminio.

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Cédula profesional: 1057705 1.3 El espesor máximo de las planchas objeto de esta norma es de 20mm. 3 REFERENCIAS

Esta norma se complementa con la siguiente Norma Oficial Mexicana vigente:

NOM-B-246 "Requisitos generales para planchas de acero, para recipientes que trabajan a presión."

3 CLASIFICACION Y DESIGNACION 3.1 Clasificación Las planchas objeto de esta norma se suministran en una sola clase, por lo que no requieren clasificación. 3.2 Designación La designación debe ser conforme a lo indicado en la NOM-B-246. 4 ESPECIFICACIONES 4.1 Requisitos generales 4.1.1 A menos que se especifique otra cosa, las planchas suministradas bajo esta norma deben cumplir con los requisitos aplicables de la NOM-B-246, como son: definiciones, inspección, certificación, etc. 4.1.2 En caso de discrepancia en cuanto a requisitos, deben prevalecer en primer lugar los indicados en esta norma sobre los especificados en la NOM-B-246.

4.2 Tratamiento térmico Las planchas se suministran generalmente, sin tratamiento térmico (en su condición de laminado). Pueden solicitarse normalizadas o con relevado de esfuerzos, o con ambos tratamientos. 4.3 Requisitos químicos El acero debe cumplir con la composición química indicada en la tabla 1. Tabla 1.- Composición química. Notas.- a) Se aplica para ambos análisis (de colada y de producto). b) Cuando el contenido de silicio es mayor de 0.10%, el contenido máximo de carbono no debe exceder de 0.28%. c) A opción del fabricante o del

comprador, el contenido máximo de silicio puede ser hasta 0.40% en el análisis de colada y hasta 0.45% en el análisis de producto.

4.4 Requisitos de tensión El material debe cumplir con los requisitos de tensión indicados en la tabla 2. 5 MUESTREO El muestreo debe efectuarse conforme a lo indicado en la NOM-B-246.

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Tabla 2. Requisitos de tensión. Nota.- (a) Ver requisitos de tensión en la NOM-B-246. 6 METODOS DE PRUEBA 7 REQUISITOS SUPLEMENTARIOS 7.1 Los siguientes requisitos suplementarios, deben aplicarse por acuerdo previo entre fabricante y comprador; y deben especificarse en la orden de compra. En la NOM-B-246 se indican otros requisitos suplementarios, los cuales puede solicitar el comprador. Aquellos que se consideran adecuados para usarse en esta norma, se indican a continuación. 7.2 Tratamiento térmico simulado posterior a la soldadura de probetas para pruebas mecánicas.

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UNlDAD II. COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS METALES. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. AI finalizar la Unidad el alumno, obtendrá los conocimientos del esfuerzo y la deformación aplicados sobre los materiales, cuando se les aplica una carga o fuerza, además sabrá a interpretar la curva de esfuerzo - deformación en el ensayo de tensión y compresión, además determinará algunas propiedades de los materiales a partir de este diagrama, etc. Aplicará los conocimientos anteriores en la solución de problemas planteados en clase. TEMAS: 2.1.CONCEPTO DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN____________________27 2.2.DEFORMACIÓN ELASTICA (LEY DE HOOKE)______________________28 2.3.DEFORMACIÓN PLASTICA DE MONOCRISTALES Y POLICRISTALES__34 2.4.EFECTO DE VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y TIEMPO____________36 2.6.PROBLEMAS________________________________________________37

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD II. COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS METALES. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. Al finalizar la Unidad el alumno, obtendrá los conocimientos del esfuerzo y la deformación aplicados sobre los materiales, cuando se les aplica una carga o fuerza, además sabrá interpretar la curva de esfuerzo – deformación en el ensayo de tensión y compresión, además determinará algunas propiedades de los materiales a partir de este diagrama, etc. Aplicará los conocimientos anteriores en la solución de problemas planteados en clase. COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS METALES. 2.1 CONCEPTO DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN. Cuando a un cuerpo se le aplica una fuerza externa que tiende a cambiar su forma o tamaño, el cuerpo se resiste a esa fuerza. La resistencia interna del cuerpo se conoce como esfuerzo y los cambios en las dimensiones del cuerpo que la acompañan se llaman deformaciones o alargamientos. El esfuerzo total es la resistencias interna total que actúa en una sección del cuerpo. Por lo general, la cantidad determinada es la intensidad de esfuerzo o esfuerzo unitario, definida

como el esfuerzo por unidad de área. El esfuerzo unitario generalmente se expresa en unidades de libra por pulgada cuadrada (lb/pulg2), y para una carga axial tensil o una comprensiva, se calcula como la carga por unidad de área. La deformación o alargamiento total en cualquier dirección es el cambio total de una dimensión del cuerpo en esa dirección, y la deformación o tensión unitaria es la deformación o alargamiento por unidad de longitud en esa dirección. Inicialmente, la deformación es en esencia proporcional al esfuerzo; además, es reversible. Después de eliminar el esfuerzo, la deformación desaparece. El modulo de elasticidad es la relación entre el esfuerzo y la deformación reversible :

σε

εσ

=Ε

Cuando una pieza de metal es sometida a una fuerza de tensión uniaxial, se produce una deformación del metal. Si el metal vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa, se dice que el metal ha experimentado una deformación elástica. El número de deformaciones elásticas que un metal puede soportar es pequeño, puesto que durante la deformación elástica los átomos del metal son desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que

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Cédula profesional: 1057705 tomen nuevas posiciones fijas. De esta manera, cuando la fuerza sobre el metal que ha sido deformado elásticamente cesa, los átomos del metal vuelven a sus posiciones originales y el metal adquiere de nuevo su forma original. Si el metal es deformado hasta el extremo de que no puede recuperar completamente sus dimensiones originales, se dice que ha experimentado una deformación plás-tica. Durante la deformación plástica, los átomos del metal son desplazados permanentemente de sus posiciones originales y toman nuevas posiciones.

La capacidad de algunos metales de ser deformados plásticamente en gran extensión sin sufrir fractura, es una de las propiedades más útiles de los metales para ingeniería. Por ejemplo, la deformabilidad plástica del acero posibilita que parte del automóvil tales como parachoques, cubiertas y puertas sean troqueladas mecánicamente sin romperse el metal. 2.2 DEFORMACIÓN ELÁSTICA (LEY DE HOOKE)

Deformación elástica procede a la deformación plástica. Esta ocurre cuando se aplica un esfuerzo a una pieza de metal o cualquier material sólido. Cuando la carga se aplica en tensión, la pieza se vuelven un poco más larga; al quitar la carga, la muestra regresa a sus dimensiones originales. Inversamente, cuando la carga se aplica en comprensión, la muestra se vuelve un poco más corta. Dentro de la región elástica, la deformación es resultado de una ligera elongación de la celda unitaria

en la dirección de la tensión, o de una ligera contracción en la dirección de la comprensión

Fig. 6.3.1 deformación elástica normal (muy exagerada). a) tensión, b) sin deformar y c) comprensión. Cuando ocurre una deformación elástica, ésta es casi proporcional al esfuerzo. Esta relación entre esfuerzo y deformación, es el módulo de elasticidad (módulo de Young) y es una característica del tipo de metal. Entre mayores sean las fuerzas de atracción entre los átomos en un metal, mayor es un módulo de elasticidad.

Cualquier elongación o comprensión de la estructura cristalina en una dirección, debida a una fuerza uniaxial, produce un cambio de las dimensiones perpendiculares a la fuerza. Por ejemplo, en la figura, se produce una pequeña contracción perpendicular a la fuerza de tensión. La razón negativa entre la deformación lateral xε y la deformación paralela al esfuerzo de tensión yε se llama la razón de Poisson υ

Y

X

εευ −=

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Cédula profesional: 1057705 En las aplicaciones a la ingeniería, los esfuerzos cortantes también aparecen en estructuras cristalinas ver figura.

Deformación elástica cortante. a) sin deformación, b) deformación cortante.

Estos producen un desplazamiento de un plano de átomos con relación a otro adyacente. La deformación elástica cortante γ , se define como la tangente del ángulo α .

αγ tan= ;

Y el módulo de corte G, es la razón del esfuerzo cortante τ a la deformación cortante γ :

γτ

=G

Este modulo de corte (También llamado de rigidez) es diferente del módulo de elasticidad E; sin embargo, los dos están relacionados por la expresión.

( )υ+= 12GE

Como la relación de Poisson normalmente esta entre 0.25 y .50 el valor de G es de alrededor de 35% de E.

En los materiales se encuentra un tercer módulo elástico, el módulo volumétrico. K. Este es el recíproco

de la compresibilidad β del material y es igual a la presión hidrostática

hσ por unidad de volumen comprimido

VV∆ :

βσ 1

=∆

=VVK h .

El módulo volumétrico se relaciona a el módulo de elasticidad como sigue:

( )υ213 −=

EK .

Ley de Hooke. Los diagramas de esfuerzo-deformación para la mayoría de los materiales de ingeniería, exhiben una relación lineal entre el esfuerzo y la deformación unitaria dentro de la región elástica. Por consiguiente, un aumento en el esfuerzo causa un aumento proporcional en la deformación unitaria. Este hecho fue descubierto por Roberto Hooke en 1676 cuando utilizaba resortes, y se conoce como ley de Hooke. Puede expresarse matemáticamente como:

εσ E=

Aquí E representa la constante de proporcionalidad, que es el módulo de elasticidad, o módulo de Young, en honor de Thomas Young, quien publicó en 1807 un trabajo sobre el asunto. La ecuación anterior representa en realidad la ecuación de la proporción inicial en línea recta del diagrama

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Cédula profesional: 1057705 esfuerzo- deformación hasta el límite proporcional. Además, el módulo de elasticidad representa la pendiente de esta línea. Puesto que la deformación unitaria no tiene dimensiones, según esta ecuación, E tendrá un ideal es de esfuerzo, tales como psi, ksi o Pascales. Como ejemplo de este cálculo, consideremos el diagrama de esfuerzo-deformación para el acero mostrado en la (figura 3.6). Aquí

ksipl 35=σ y ininpl 0012.0=ε , de modo que

ininksiE

pl

pl

0012.035

==εσ

Diagrama esfuerzo-deformación para un acero de bajo carbón. Como se muestra la figura 3.12, el límite proporcional para un tipo particular de acero depende de su contenido de aleación; sin embargo, la mayoría de los grados de acero, desde el acero rolado más suave hasta el acero de herramientas más duro, tienen aproximadamente el mismo módulo de elasticidad, que

generalmente se acepta como de ( ) GPaksiESI 200 ó 1029 3= . Los valores

comunes de E para otros materiales de ingeniería están a menudo tabulados en códigos de ingeniería y en libros de referencia. Debe observarse que el módulo de elasticidad es una propiedad mecánica que indica la rigidez de un material. Los materiales que son muy rígidos, como el acero, tienen valores grandes de E ( )[ ]ksióGPaESI

31029= , mientras que los materiales esponjosos, como el hule vulcanizado, pueden tener valores bajos ( )[ ]MPaksióEr 70.01010.0 3= .

El módulo de elasticidad es una de las propiedades mecánicas más importantes usadas en el desarrollo de las ecuaciones presentadas en este texto.

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Cédula profesional: 1057705 Por lo tanto, deberá siempre recordase que E puede usarse solo si un material tiene un comportamiento elástico lineal. También, si el esfuerzo en el material es mayor que el límite proporcional, el diagrama de esfuerzo-deformación deja de ser una línea recta y la ecuación εσ E= ya no es válida. 2.3 DEFORMACIÓN PLASTICA DE MONOCRISTALES Y POLICRISTALES. Introducción Cuando un material se tensa por debajo de su límite elástico, la deformación resultante es temporal. La supresión del esfuerzo da como resultado un retorno gradual del objeto a sus dimensiones originales. Cuando un material se tensa más allá de su límite elástico, tiene lugar una deformación plástica o permanente, y no regresará a su forma original por la sola aplicación de una fuerza. La posibilidad de que un metal sufra deformación plástica es probablemente su característica más relevante en comparación con otros materiales. Todas las operaciones de formado, como son troquelado, prensado, hilado, laminado o rolado, forjado, estirado y extrusión, se relacionan con la deformación plástica de los metales. Varias operaciones de maquinado, como fresado, torneado, corte por sierra y punzado también se relacionan con la deformación plástica. El comportamiento de un metal cuando se deforma plásticamente y el mecanismo mediante el cual ocurre

son de interés esencial para perfeccionar la operación de trabajado. Se puede obtener mucha información respecto al mecanismo de deformación plástica al estudiar el comportamiento de un monocristal sujeto a esfuerzo y aplicando más tarde este conocimiento a un material policristalino.

La deformación plástica puede tener lugar por deslizamiento, por maclaje o mediante una combinación de ambos procesos.

Deformación por deslizamiento Si el monocristal de un metal es esforzado tensilmente más allá de su límite elástico, se alarga en forma ligera, aparece un escalón sobre la superficie indicando un desplazamiento relativo de una parte del cristal con respecto al resto y la elongación se detiene. Al aumentar la carga se producirá movimiento en otro plano paralelo y dará como resultado otro escalón.

Es como si delgadas secciones vecinas del cristal se hubieran deslizado una sobre otra como cartas de baraja. Cada alargamiento sucesivo necesita un esfuerzo aplicado mayor y resulta en la aparición de otro escalón, que es realmente la intersección de un plano de deslizamiento con la superficie del cristal. El aumento progresivo de la eventualmente produce fractura del material.

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Vista de un cristal real Deformación por maclaje En ciertos materiales, particularmente metales c.p.h., el maclaje es uno de los principales medios de deformación. Esto puede causar un extensivo cambio en la forma o colocar planos potenciales de deslizamiento en una posición más favorable para el deslizamiento. El maclaje es un movimiento de planos de átomos en la red, paralelo a un plano específico (de maclaje) de manera que la red se divide en dos partes simétricas diferentemente orientadas. La can-tidad de movimiento de cada plano de átomos en la región maclada es proporcional a su distancia del plano de maclaje, de manera que se forma una imagen especular a través del plano de maclaje. Las figuras 3.11 y 3.12 ilustran esquemáticamente el maclaje en una red f.c.c.

En la figura 3.1 1, el plano de maclaje ( 111) corta al plano (1 1 0) a lo largo AB', que es la dirección de maclaje. La figura 3.12 muestra el mecanismo de maclaje. El plano del papel es el (110) y se toman juntas muchas celdas unitarias. Cada plano (111 ) en la región de maclaje se mueve tangencialmente a la dirección (112). El primero, CD, se mueve un tercio de una distancia interatómica; el segundo, EF, se mueve dos tercios de una distancia interatómica y el tercero, GH, se mueve un espacio entero.

Fig. 3.11 Diagrama de un plano de maclaje y dirección de maclaje en una red f.c.c.

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Fig. 3.12 Diagrama esquemático de maclaje en. una red f.c.c. Si desde el átomo A’ se traza una línea perpendicular al plano de maclaje (AB'), se tendrá otro átomo, C', exactamente a la misma distancia del plano maclado, pero del otro lado. Lo mismo es cierto para todos los átomos en la región maclada, de modo que realmente se tiene una imagen especular en la región maclada que refleja la porción no maclada del cristal. Como los átomos terminan en espacios interatómicos, se ha cambiado la orientación de los átomos o la distancia entre ellos. Generalmente la región maclada comprende el movimiento de un gran número de átomos, y suele aparecer microscópicamente como una línea o banda ancha, como se indica en la figura 3.13. Esta fotografía muestra bandas de maclaje en zinc; nótese como las bandas cambian de dirección en la frontera de grano. El plano y la dirección de maclaje no son necesariamente los mismos que los del proceso de deslizamiento. En los metales f.c.c., el plano de maclaje es el (111) y la dirección de maclaje es la (112); en los b.c.c., es el plano (112) y la dirección (111).

Al metalurgista le interesan dos tipos de maclaje:

1 Maclajes -mecánicos o de

deformación; prevalecientes principalmente en metales c.p.h. (magnesio, zinc, etc.) y en metales b.c.c. (tungsteno, hierro, etc.).

2 Maclajes de recocido,

prevalecientes principalmente en metales f.c.c. (aluminio, cobre, latón, etc.). Estos metales han sido previamente trabajados y luego recalentados. Los maclajes se forman debido a un cambio en el mecanismo de cre-cimiento normal.

Fractura Es la separación de un cuerpo sujeto a un esfuerzo, en dos o más partes. La fractura se clasifica en frágil o dúctil. La fractura frágil generalmente comprende la rápida propagación de una grieta, con el mínimo de absorción de energía y de deformación plástica. En los monocristales, la fractura frágil ocurre Por clivaje a lo largo de un plano cristalográfico en particular [por ejemplo, el plano (100) en hierro]. En los materiales policristalinos, la superficie de fractura frágil muestra una apariencia granular debida a los cambios en orientación de los planos de clivaje de un grano a otro.

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Cédula profesional: 1057705 2.3 Deformación plástica de monocristales Los metales con estructura cúbica u sus aleaciones no ordenadas se deforman predominantemente por corte plástico o deslizamiento. Este es también uno de los métodos de deformación en metales con estructura hexagonal. La deformación cortante ocurre aun en el caso de que e esfuerzo aplicado sea de tensión o de comprensión, debido a que estos esfuerzos se pueden descomponer en esfuerzos cortantes.

fig. 6.4.1 Deslizamiento en un monocristal El deslizamiento se produce principalmente a lo largo de ciertas direcciones y planos cristalinos. Esto se ilustra en la siguiente figura, donde un monocristal de un metal hexagonal compacto fue deformado plásticamente. El esfuerzo cortante requerido para iniciar el deslizamiento se llama esfuerzo crítico de corte.

Deformación de metales policristalinos (a bajas temperaturas)

El material comercial está siempre formado de granos policristalinos, cuyos ejes cristalinos se orientan al azar. Cuando un material policristalino está sujeto a esfuerzo, el deslizamiento empieza primero en aquellos granos en que el sistema de deslizamiento se halla más favorablemente situado 1 respecto al esfuerzo aplicado. Como se debe mantener el contacto en las fronteras de grano, podría necesitarse la acción de más de un sistema de deslizamiento. Existen suficientes datos que muestran que metales con granos finos son más fuertes y menos dúctiles que metales con granos gruesos. Como esto se atribuye a la interferencia de las fronteras con el deslizamiento, las propiedades se graficarán en función del área de la frontera entre granos (Fig. 6.5.1).

figura 6.5.1 resistencia y ductilidad

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Cédula profesional: 1057705 Las fronteras entre granos (Sec. 4-4) interfieren con el deslizamiento, pues son sitios en donde terminan los planos cristalinos en donde las dislocaciones se mueven. Esto da lugar a un apilamiento de dislocaciones que va a tener el mismo efecto que un congestionamiento de tráfico en un viaducto (Fig. 6-5.2). Se requiere la aplicación de una fuerza (o esfuerzo) mayor para continuar con la deformación plástica.

figura 6.5.2 apilamiento de dislocaciones Los metales Policristalinos se deforman de manera diferente a los monocristales. El monocristal de la Fíg. 6-4.1 no tuvo constricciones producidas por cristales adyacentes. En contraste, observe la Fig. 6-5.3 en donde evidente que el grano grande de cobre situado en el centro no cedió, en forma independiente de sus granos vecinos. El metalurgista puede demostrar que para que un grano se deforme en conjunto con sus vecinos, introducir fisuras o espaciamientos, deben operar simultáneamente dentro del grano, al menos cinco combinaciones de deslizamiento. Debido a que no todos los planos de deslizamiento están favorablemente orientados (Ej. 674.1(b)), podemos con facilidad darnos cuenta por qué un cristal metálico cF o cl, con un gran número de sistemas de deslizamiento (tabla 6-4.1) presenta una gran ductilidad y un metal hC presenta baja ductilidad.

Deformación de metales policristalinos (a altas temperaturas) En la Sección anterior se hizo ver que los metales de grano fino son mas resistentes que los de grano grueso -a bajas temperaturas-. a temperaturas elevadas la difusión puede volverse significativa y encontramos que se presenta termofluencia. Como su nombre lo implica, es un proceso de deformación. Las velocidades de deformación van desde unos porcentajes por hora a cargas muy grandes o temperaturas muy altas hasta menos de 10-4 % por hora (Fig. 6-8. 1 ). Estas velocidades son muy bajas; sin embargo, considere su importancia cuando se diseña una planta de potencia impulsada por vapor o un reactor nuclear, los cuales deberán estar en servicio a altas temperaturas por muchos. La termofluencia también es importante en el diseño de turbinas de gas y otras aplicaciones que deberán operar sin cambio en dimensiones a altos esfuerzos y temperaturas elevadas para maximizar la eficiencia en la conversión de energía.

Como la termofluencia es dependiente del tiempo, podemos graficar la deformación en función de la temperatura. La Fig. 6-8.2 es un

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Cédula profesional: 1057705 ejemplo. Cuando un metal se somete a esfuerzo, sufre de inmediato una deformación elástica, la cual es mayor entre más alto sea el esfuerzo aplicado o la temperatura. En el primer período de (región 1), el material sufre ajustes plásticos adicionales y relativamente rápidos en puntos donde los esfuerzos se concentrar a lo largo de fracturas de grano y de fisuras internas. Estos ajustes plásticos iniciales dan lugar a una velocidad de deformación lenta y casi estacionaria que definimos como rapidez o velocidad de deformación. La segunda región de termofluencia estacionaria continua a lo largo de un extenso periodo de tiempo, hasta que se ha producido suficiente deformación, de tal manera que se produce un encuellamiento y por ello una reducción de área. Con este cambio de área a carga constante, la rapidez de deformación se acelera hasta que ocurre la ruptura (región 3). Si se puede ajustar la carga para compensar la reducción en área y mantener un esfuerzo constante, la velocidad de termofluencia de la región 2 continuará constante hasta la ruptura.

2.4 EFECTO DE VELOCIDAD DE DEFORMACION Y TIEMPO Cuando un material tiene que soportar una carga por un periodo de tiempo muy largo, puede continuar deformándose hasta que ocurra una fatiga súbita o su utilidad se ve amenazada. Esta deformación permanente dependiente del tiempo se llama flujo plástico. Normalmente el flujo plástico es tomado en cuenta cuando se usan metales o cerámicas como miembros estructurales o partes mecánicas sometidos a temperaturas elevadas. Sin embargo, algunos materiales, como los polímeros y materiales compuestos (incluyendo la madera y el concreto), si bien la temperatura no es un factor importante, el flujo plástico puede presentarse. Como ejemplo típico, consideremos el hecho de que una banda de hule no retorna a su forma original después de haber sido liberada de una posición estirada en la cual se mantuvo durante un periodo de tiempo muy largo. En sentido general, tanto el esfuerzo como la temperatura juegan un papel importante en la tasa del flujo plástico. Para efectos prácticos, cuando el flujo plástico resulta importante, un material se diseña usualmente para resistir una deformación unitaria por flujo plástico especificado para un periodo de tiempo determinado. A este respecto una propiedad mecánica importante que se usa para el diseño de miembros sometidos a flujo plástico es la resistencia por flujo plástico. Este valor representa el

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Cédula profesional: 1057705 esfuerzo inicial más alto que el material puede soportar durante un tiempo especificado sin causar una cantidad determinada de deformación unitaria por flujo plástico. La resistencia por flujo plástico variara con la temperatura y para efectos de diseño, deberán especificarse la temperatura, la duración de la carga, y la deformación unitaria por flujo plástico permisible. Por ejemplo se ha sugerido una deformación unitaria por flujo plástico de 0.1% anual para el acero en pernos y en tuberías, y un 0.25% anual para el forro de plomo en cables. Existen varios métodos para determinar la resistencia por flujo plástico permisible para un material en particular. Uno de los más sencillos implica ensayar varias probetas simultáneamente a una temperatura constante, pero estando cada una sometida a un esfuerzo axial diferente. Midiendo la longitud de tiempo necesaria para producir ya sea una deformación unitaria permisible o la deformación unitaria de rotura para cada probeta, se puede establecer una curva de esfuerzo contra tiempo. Normalmente estas probetas se efectúan para un periodo de 100 horas. En la figura 3.26 se muestra un ejemplo de los resultados para un acero inoxidable a una temperatura de 1200 grados F. este material tiene una resistencia de cadencia de 40 ksi (276 MPa) a la temperatura ambiente (con 0.2% de desviación del origen), y la deformación unitaria por flujo plástico prescrita es de 1%. Según la

grafica, la resistencia por flujo plástico en 1000 horas seria, aproximadamente, σ = 20 ksi (138 MPa).

Diagrama esfuerzo-tiempo para acero inoxidable a 1200 °F En general, la resistencia por flujo plástico disminuirá para temperaturas más elevadas o para esfuerzos aplicados mas elevados para periodo de tiempo mas largo, deberán hacerse extrapolaciones de las curvas. Para ello se requiere un cierto grado de experiencia con el comportamiento del flujo plástico y cierto conocimiento suplementario del uso de las propiedades del material bajo flujo plástico. Sin embargo una vez que la resistencia por flujo plástico de un material se ha determinado, se aplica un factor de seguridad para obtener un esfuerzo permisible apropiado para el diseño.

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Cédula profesional: 1057705 2.5 Problemas. Problema No. 1 Una muestra de aluminio comercial puro de pulg. De ancho, de grueso y 8 pulg. De longitud, tiene unas marcas de calibración en el medio de la muestra, separadas 2 pulg., y es estirada de manera que dichas marcas se separan hasta 2.65 pulg. Calcular la deformación y el porcentaje de elongación que sufre la muestra.

SOLUCION: Deformación

% 32.5 % 100 x 0.325 elongación de %

0l0l - l

==

==ε

−==ε

325.0lgpu00.2lgpu65.0

lgpu00.2lgpu00.2lgpu65.2

Problema N° 2 Una prueba de tensión para una aleación de acero da por resultado el diagrama esfuerzo-deformación que

se muestra en la figura. Calcule el módulo de elasticidad y la resistencia de cedencia basados en una desviación de 0.2%. Identifique en la gráfica el esfuerzo ultimo y el esfuerzo de fractura.

SOLUCIÓN: Módulo de elasticidad Debemos calcular la pendiente de la porción de línea recta inicial de la gráfica. Usando la escala aumentada que se muestra (con línea más intensa) en la figura 3.17, esta línea se extiende desde el punto 0 hasta el punto A. Un punto en esta línea tiene coordenadas de (50 ksi, 0.001 6 in/in) aproximadamente. Por lo tanto,

.Re)10(25.31in/in0.0016

ksi 50E 3 spksi==

Nótese que la ecuación de la línea OA es entonces σ = 31.25(103)Є.

Resistencia de cedencia. Para una desviación de 0.2%, comenzamos con una deformación unitaria de 0.2%, ó 0.002 in/ín y gráficamente,

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Cédula profesional: 1057705 extenderemos una línea (punteada) paralela a OA hasta que interseque a la curva σ - Є en A', figura del problema. La resistencia de cedencia es aproximadamente

.Re68 spksiys =σ

esfuerzo último. Está definido por la altura máxima de la curva σ - Є en la gráfica, punto B en la figura.

.Re108 spksiu =σ Esfuerzo de fractura. Cuando la probeta de ensayo se estire hasta su máximo de Єf = 0.23 in/in, se fracturará en el punto C, en la figura del problema. Entonces,

.Re90 spksif =σ

Problema N° 3 En la figura siguiente se muestra el Diagrama de esfuerzo-deformación para una aleación de aluminio utilizada para hacer partes para un aeroplano. Si una probeta de este material es esforzado hasta 600 MPa, determine la deformación unitaria permanente que permanece en la probeta cuando la carga se suprime. Calcule también el módulo de resiliencia tanto antes como después de la aplicación de la carga

SOLUCION: Deformación permanente. Cuando la probeta de ensayo se somete a un esfuerzo de 600 MPa, se endurece hasta que se alcanza el punto B en el diagrama esfuerzo - deformación, figura del problema. La deformación unitaria en este punto es aproximadamente de 0.023 mm/mm. Cuando la carga deja de actuar, el material se comporta siguiendo la línea recta BC, que es paralela a la línea OA. Puesto que ambas líneas tienen la misma pendiente, la deformación unitaria en el punto C puede determinarse analíticamente. La pendiente de la línea OA es el módulo de elasticidad, es decir,

GPa0.75mm/mm006.0Mpa 450

εσ

Epl

pl ===

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Cédula profesional: 1057705 Del triángulo CBD en la figura, deducimos que

mm/mm 0.008CD

Pa)10(0.75CD

)Pa600(10CDBDE 9

6

=

===

Esta deformación unitaria representa la cantidad de deformación unitaria elástica recuperada. La deformación permanente, COO-I figura 3.18, es entonces

mm/mm 0.0150mm/mm 0.00800mm/mm 0.023εoc

=−=

Nota: Si las marcas de calibración en la probeta de ensayo estaban originalmente con una separación de 50mm, entonces después de que la carga es suprimida estas marcas estarán a 50 mm + (0.0150) (50 mm) = 50.75 mm de distancia. Módulo de resiliencia. Aplicando la ecuación, tendremos que

3

plplfinal

3

plplinicial

2.40MJ/m

.008mm/mm)(600MPa)(021εσ

21(Ur)

1.35MJ/m

.006mm/mm)(450MPa)(021εσ

21(Ur)

=

==

=

==

El efecto del endurecimiento del material ha causado un incremento en el módulo de resiliencia, como se advierte por comparación de las soluciones; sin embargo, nótese que el módulo de tenacidad del material

ha disminuido, puesto que el área bajo la curva, OABF, es mayor que el área bajo la curva CBF.

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UNIDAD III. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. Aplicará los principios de las principales pruebas mecánicas que se le realizan a los materiales, para que le permitan '', seleccionar adecuadamente este y su aplicación tanto en diseño de elementos de maquinas como en los procesos de manufactura en función de sus propiedades, además aplicará los conocimientos obtenidos en la solución de, problemas planteados en clase. TEMAS: 3.1.DUREZA______________________________________43 3.1.1.Principios y Objetivos 3.1.2. Equipos y materiales de prueba 3.1.3. Procedimientos y rnétodos de prueba 3.1.4. Conversiones de dureza 3.1.5. Aplicaciones. 3.2.TENSIÓN_____________________________________45 3.2.1. Introducción 3.2.2. Interpretación del diagrama esfuerzo - deformación 3 2.3. Procedimientos y métodos de prueba 3.2.4. Determinación de propiedades 3 2.5. Aplicaciones y problemas. 3.3.COMPRESIÓN________________________________46 3.3.1. Introducción 3.3.2. Compresión de materiales dúctiles 3.3.3. Compresión de materiales frágiles 3.3.4. Discusión de resultados 3.3.5. Aplicaciones 3.4.FLEXION_____________________________________49 3.4.1.Principios y objetivos 3.4.2.Determinación de propiedades 3.4 3.Extensometría eléctrica 3.4.4. Aplicaciones y problemas 3.5.IMPACTO____________________________________50 3.5.1.Principios y objetivos 3 5.2.Clasificación de pruebas de impacto 3 5.3. Formas de fractura

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Cédula profesional: 1057705 3.5.4. Equipos y materiales de pruebo 3.5.5. Curva de energía de fractura vs. temperatura 3.6.TORSIÓN_______________________________________________56 3.6.1. Principios y objetivos 3.6.2. Curva de torsión 3.6.3. Interpretación y uso de resultados 3.6.4. Relación entre el módulo de elasticidad y módulo de rigidez 3.7.TERMOFLUENCIA________________________________________57 3.7.1. Principios y objetivos 3.7.2. Procedimientos y método de prueba 3.7.3. Curva de termofluencia (deformación - tiempo y esfuerzo - temperatura) 3.7.4. Interpretación y uso de resultados 3.8.TENACIDAD_____________________________________________63 3.8.1. Principios y objetivos 3.8.2. Concentración de esfuerzos 3.8.3. Criterio de la energía de Griftith 3.8.4. Tenacidad de fractura 3.8.5. Interpretación de resultados 3.9.FATIGA_________________________________________________65 3.9.1. Fundamentos generales 3.9.2. Procedimientos y métodos de prueba 3.9.3. Tensiones cíclicas 3.9.4. Iniciación de propagación de la grieta 3.9.5. Factores que afectan a la vida a fatiga 3.9.6 Influencia del medio 3.9.7. Análisis, interpretación y uso de resultados 3.10. DESGASTE____________________________________________66 3.10.1. Principios y objetivos 3.10.2. Superficies sólidas 3.10 3. Contaminantes 3.10.4. Interpretación de resultados y aplicaciones

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UNIDAD III.

EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECANICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL

3.1DUREZA La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas. 3.1.1.Principios y objetivos. El valor de dureza obtenido en un prueba determinada sirve sólo como comparación entre materiales o tratamientos. La prueba de dureza se utiliza ampliamente para inspección y control. Cuando se establece el valor resultante de la dureza de un tratamiento térmico a un material dado por un proceso determinado, esa estimación proporcionará un método rápido y sencillo (de inspección y control) para el material y proceso particulares. Las diversas pruebas de dureza se pueden dividir en tres categorías: DUREZA ELÁSTICA. Este tipo de dureza se mide mediante un escleroscopio que es un dispositivo para medir la altura de rebote de un pequeño martillo con emboquillado de diamante, después de que cae por su propio peso desde una altura definida sobre la superficie de la pieza a prueba. El instrumento

tiene por lo general un disco autoindicador tal que la altura de rebote se indica automáticamente. 3.1.2 Equipos y materiales de prueba. Prueba de Ralladura. Esta prueba la ideó Friedrich Mohs. La escala consta de diez minerales estándar arreglados siguiendo un orden de incremento de dureza. El talco es el 1, el yeso el 2, etc., hasta el 9 para el corindón y el 10 para el diamante. Si un material desconocido es rayado apreciablemente por el 6 y no por el 5, el valor de dureza está entre 5 y 6. Prueba de Lima. La pieza a prueba se somete a la acción de corte de una lima de dureza conocida, para determinar si se produce un corte visible. Las pruebas comparativas con una lima dependen del tamaño, forma y dureza de la lima; de la velocidad, presión y ángulo de limado durante la prueba; y de la composición y tratamiento térmico del material a prueba. 3.1.3 Procedimientos y métodos de pruebas. RESISTENCIA A LA INDENTACIÓN Ensayo de Dureza Brinell. El probador de dureza Brinell generalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operación manual, diseñada para forzar un marcador de bola dentro de la muestra.

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Cédula profesional: 1057705 Para metales ferrosos, la bola (que es de 10 mm de diámetro) bajo presión es presionada dentro de la muestra a prueba por lo menos durante 10 seg; para metales no ferrosos el tiempo es de 30 seg. El diámetro de la impresión producida es medido por medio de un microscopio que contiene una escala ocular, generalmente graduada en décimos de milímetro, que permite estimaciones de hasta casi 0.05 mm. El número de dureza Brinell (HB) es la razón de la carga en kilogramos al área en milímetros cuadrados de la impresión, y se calcula mediante la formula:

( )( )222 dDDDLHB

−−=

π

Donde: L = Carga de prueba, kg. D = Diámetro de la bola, mm. d = Diámetro de la impresión, mm. Por lo general no se necesita hacer el cálculo, ya que hay tablas para convertir el diámetro de la grabación observada al número de dureza Brinell (consultar la tabla 1.4). Ensayo de Dureza Rockwell. En esta prueba de dureza se utiliza un instrumento de lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial. La prueba se lleva a cabo al elevar la muestra lentamente contra el marcador hasta que se ha aplicado una carga determinada menor. Esto se indica en el disco medidor. Luego se aplica la carga mayor a través de un sistema de palanca de carga, después de que la aguja del disco llega al reposo, se quita la carga mayor y, con la carga

menor todavía en sección, el número de dureza Rockwell es leído en el disco medidor. 3.1.4 Conversiones de dureza. Ensayo de Dureza Vickers. En esta prueba, el instrumento utiliza un marcador piramidal de diamante de base cuadrada con un ángulo incluido de 136° entre caras opuestas. El intervalo de carga esta generalmente entre 1 y 120 kg. El probador de dureza Vickers funciona bajo el mismo principio que el probador Brinell, y los números se expresan en términos de carga y área de la impresión. Como resultado de la forma del marcador, la impresión sobre la superficie de la muestra será un cuadrado. Por lo general, hay tablas para convertir la diagonal medida al número de dureza piramidal Vickers (HV) o por medio de la formula:

HV = 1.854 L d2

Donde: L = Carga aplicada, en kg. d = Longitud de la diagonal del cuadrado de la impresión, en mm. 3.1.5 Aplicaciones. Ensayo de Microdureza. Las cargas de prueba están entre 1 y 1000 g. Hay dos tipos de marcadores empleados para la prueba de microdureza: la pirámide de diamante Vickers de base cuadrada de 136° y el marcador Knoop de diamante alargado.El marcador Knoop tiene forma piramidal que produce una

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Cédula profesional: 1057705 impresión en forma de diamante, y tiene diagonales largas y cortas a una razón aproximada de 7:1. la forma piramidal empleada tiene incluidos ángulos longitudinales de 172°30’ y ángulos transversales de 130°. La profundidad de impresión es como de 1/30 de su longitud. Por lo general, se utilizan tablas para convertir la longitud diagonal medida al número de dureza Knoop (HK), o mediante la fórmula siguiente:

HK = 14.229 L d2

Donde: L = Carga aplicada, en kg. d = Longitud de la diagonal mayor, en mm. 3.2.TENSIÓN. El ensayo de tensión es la realizada más frecuentemente para determinar ciertas propiedades mecánicas, mide la resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. USO DEL DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACIÓN. La probeta se coloca en la máquina de pruebas y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicación de fuerza en la longitud calibrada se utiliza un extensómetro. Esfuerzo y Deformación Ingenieriles. Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo tamaño y formas de muestras, si se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia entre marcas calibradas en deformación.

El esfuerzo y la deformación ingenieriles se definen mediante las ecuaciones siguientes:

lolol

AoF

−=

=

ε

σ

Donde: σ = Esfuerzo ingenieril ε = Deformación ingenieril Ao = Área de la probeta Io = Distancia original I = distancia entre las mismas F = fuerza La curva esfuerzo-deformación se utiliza para registrar los resultados del ensayo de tensión. PROPIEDADES DEL ENSAYO DE TENSIÓN. A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información relacionada con la resistencia, rigidez y ductilidad de un material. Esfuerzo de Cedencia. Es el esfuerzo al cual la deformación plástica se hace importante. El esfuerzo de cedencia es, por lo tanto, el esfuerzo que divide los comportamientos elástico y plástico del material. Si se desea diseñar un componente que no se deforme plásticamente, se debe seleccionar un material con un límite elástico elevado, o fabricar el componente de tamaño suficiente para que la fuerza aplicada produzca un esfuerzo que quede por debajo del esfuerzo de cedencia.

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Cédula profesional: 1057705 Resistencia a la tensión. El esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada es la resistencia a la tensión, que es el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo-deformación ingenieril. En muchos materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme. En cierto momento, una región se deforma más que otras y ocurre una reducción local de importancia en la sección recta. Propiedades Elásticas. El módulo de elasticidad o módulo de Young (E) es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. El módulo es una medida de la rigidez del material. Un material rígido, con un alto módulo de elasticidad, conserva su tamaño y su forma incluso al ser sometido a una carga en la región elástica. Ductilidad. La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Efecto de la Temperatura. Las propiedades a la tensión dependen de la temperatura. El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperatura más altas, en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa.

3.3.Compresión Introducción El ensayo de compresión es poco frecuente en los metales y consiste en aplicar a la probeta, en la dirección de su eje longitudinal, una carga estática que tiende a provocar un acortamiento de la misma y cuyo valor se irá incrementando hasta la rotura o suspensión del ensayo. El diagrama obtenido en un ensayo de compresión presenta para los aceros, al igual que el de tracción un periodo elástico y otro plástico. En los gráficos de metales sometidos a compresión, que indica la figura siguiente obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con respecto al diámetro, se verifica lo expuesto anteriormente, siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspención de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al limite de proporcionalidad. En los gráficos de metales sometidos a compresión, que indica la figura siguiente obtenidas sobre probetas cilíndricas de una altura doble con respecto al diámetro. Se verifica lo expuesto anteriormente.

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Cédula profesional: 1057705 Siendo además posible deducir que los materiales frágiles (fundición) rompen prácticamente sin deformarse, y los dúctiles, en estos materiales el ensayo carece de importancia, ya que se deforman continuamente hasta la suspensión de la aplicación de la carga, siendo posible determinar únicamente, a los efectos comparativos, la tensión al limite de proporcionalidad.

Probeta para compresión de metales. En los ensayos de compresión, la forma de la probeta tiene gran influencia, por lo que todos ellos son de dimensiones normalizadas. El rozamiento con los platos de la maquina hace aparecer, como dijimos, un estado de tensión compuesta que aumenta la resistencia del material, la influencia de estas tensiones va disminuyendo hacia la sección media de la probeta, razón por la cual se obtiene mejores condiciones de compresión simple cuando están se presenta con forma prismáticas o cilíndricas de mayores alturas, las que se limitan, para evitar el efecto del flexionamiento lateral debido al pandeo. Determinaciones a efectuar en un ensayo de compresión. En general es posible efectuar las mismas determinaciones que en el ensayo de tracción, por lo que solo insistiremos en las más importantes. Resistencia estática ala compresión:

Tensión al limite proporcional:

En los metales muy maleables, que se deforman sin rotura, la tensión al límite proporcional resulta el único valor empleado a los fines comparativos. Tensión al límite de aplastamiento:

El valor de Pf que corresponde al límite de aplastamiento es equivalente al de fluencia por tracción, no presentándose en forma tan nítida como este ni aun en los aceros muy blandos, por lo que generalmente se calcula, en su reemplazo, la tensión de proporcionalidad. Acortamiento de rotura

correspondiente al alargamiento de rotura por tracción. Ensanchamiento transversal.

Corresponde a la estricción en tracción.

Debido a que en las construcciones, muchos elementos, tales como columnas y cimientos se encuentran a compresión, este ensayo resulta esencial para determinar los

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Cédula profesional: 1057705 esfuerzos de compresión de los materiales. Este ensayo es muy similar al de tensión.

Es decir, que a una probeta de un material dado se le somete a cargas y se mide su deformación, de la misma manera que con el ensayo de tensión, de manera que se obtiene una gráfica similar.

Las observaciones destacables de estas pruebas se pueden resumir por medio de las siguientes aseveraciones:

Los materiales dúctiles se comportan de la misma manera tanto en compresión como en tensión.

Los materiales frágiles, tanto a tensión como a compresión, no presentan punto de cedencia y el esfuerzo de ruptura coincide con el esfuerzo último.

Los materiales frágiles presentan una resistencia última mucho más elevada en una compresión que en una tensión.

Observaciones Generales.

El ensayo de compresión es meramente lo contrario al de tensión, con respecto al sentido del esfuerzo aplicado. Las mayor parte de recomendaciones con respecto al ensayo de tensión se aplican al ensayo de compresión con ciertas salvedades.

La dificultad de aplicar una carga meramente axial.

La aparición de fuerzas flexionantes y el efecto de las irregularidades de alineación accidentales dentro de la

probeta se acentúan conforme aumenta la carga.

La fricción entre los puentes de la máquina y la superficie de la probeta, lo que procede a una expansión transversal irregular.

La dimensión de las probetas y la necesidad de máquinas de capacidades sumamente elevadas, lo que dificulta la precisión de la prueba.

Requerimientos para probetas de Compresión

Para las probetas de compresión se prefieren probetas cilíndricas a cualquier otra forma. La selección de una relación entre �xtensió y diámetro de la probeta es una elección que se toma para evitar una serie de inconvenientes, ya que de ser muy ancha y muy corta, las mediciones de �xtensión�ció serían casi irrealizables, de ser muy larga y delgada, se daría una fractura por flexión, entonces se establece una relación determinada para evitar dichos efectos.

Esta relación se sugiere como sigue en la �xtensió (1):

(1)

El tamaño de la relación depende del tipo de material, del tipo de mediciones y del aparato de ensayo.

Los extremos de las probetas deben ser extensión planos para evitar la extensión de esfuerzos en las superficies rugosas, lo que originaría una ruptura en forma parcial de copa antes de que se haya llegado al punto de ruptura, en sí de la pieza.

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Cédula profesional: 1057705 Extensión de los ensayos.

En los ensayos comerciales la única extensión determinada es la resistencia a la compresión. Para los materiales extensión en los cuales ocurre una fractura, la resistencia última se determina extensión y extensión. Ya que solamente se toma el dato del esfuerzo para el cual se dio la ruptura. Para los materiales que no tienen un punto de ruptura extensión, se toman límites de extensión arbitrarios como criterios de resistencia.

Para este tipo de ensayos se debe tener sumo cuidado en la extensión de la probeta con los puentes de la máquina, ya que, de no quedar “extensión” alineados, se aumentarán los esfuerzos de tensión y flexión.

Extensión de Ensayo

La extensión, las dimensiones, las cargas críticas, las lecturas compresométricas, el tipo de la falla, etc. Se registran en una forma apropiada al tipo de ensayo y la extensión de los datos a tomar. Los datos que se toman en este tipo de ensayos, son muy similares a los que se toman en los ensayos a tensión, salvo que en lugar de alargamientos se toman acortamientos, de igual manera los esfuerzos no son de tensión, sino compresión. 3.4.Flexion

Consideremos una barra delgada de longitud L en posición horizontal, empotrada por un extremo y sometida a una fuera vertical F en el extremo libre. Determinaremos la forma de la

barra y las coordenadas (xf, yf) del extremo libre para pequeñas flexiones de la barra.

Supondremos que

• La barra tiene una longitud L mucho mayor que las dimensiones de su sección trasversal, y que la deformación debida a su propio peso es despreciable.

• Que la sección de la barra no cambia cuando se dobla. Cuando el espesor de la barra es pequeño comparado con el radio de curvatura, la sección trasversal cambia muy poco.

Que en estas condiciones es aplicable la ecuación de Euler-Bernoulli que relaciona el momento flector M de la fuerza aplicada y el radio de curvatura ρ de la barra deformada

Actividades

Se introduce

1. El material del que está hecho la barra eligiéndolo en el control selección titulado Material.

2. La longitud de la barra L en cm actuando en la barra de desplazamiento titulada Longitud.

3. El espesor b de la barra en mm actuando en la barra de desplazamiento titulada Espesor

4. . Se pulsa el botón titulado Nuevo

5. Se pulsa el botón izquierdo del ratón sobre una pesa de 10 g,

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Cédula profesional: 1057705 de 25 g, de 50 g se arrastra con el ratón y se cuelga del extremo libre de la barra. El programa interactivo convierte el peso en g en fuerza en N, multiplicando por 10 y dividiendo por 1000. Por ejemplo, un peso de 100 g equivale a una fuerza de 1 N.

6. Cuando se deja de pulsar el botón izquierdo del ratón, se calcula y se representa la flexión de la barra. Se mide el desplazamiento del extremo libre. Los pares de datos: fuerza (en Newton), desplazamiento (en cm) se guardan en el control área de texto situado a la izquierda del applet.

7. Se pulsa el botón izquierdo del ratón sobre otra pesa, se arrastra con el ratón y se cuelga del gancho inferior de la pesa precedente.

Se puede colgar del extremo libre de la barra hasta cuatro pesas de cada tipo, un máximo de 12 pesas que equivalen a una fuerza de 340 g ó 3.4 N

8. Cuando se ha recolectado suficientemente número de datos se pulsa en el botón Gráfica. El programa representa los datos "experimentales" y la recta que describe el comportamiento del extremo libre de la barra cuando se aplica una fuerza F en dicho extremo. En la parte superior del applet, se muestra el valor de la pendiente de dicha recta.

Cuando la fuerza F aplicada, es mayor que la fuerza máxima

Fm=2Y·I·0.375/L2 el programa interactivo no permite colgar del extremo libre pesas adicionales, ya que se supone que la aproximación de pequeñas flexiones deja de ser aplicable. 3.5 IMPACTO

3.5.1. Principios y objetivos. El choque entre dos cuerpos, en donde se presentan fuerzas relativamente grandes durante un intervalo de tiempo corto en comparación se llama impacto. Una recta perpendicular al plano de contacto de dos cuerpos que chocan se llama línea de impacto. Si los centros de gravedad de los dos cuerpos se encuentran sobre la línea de contacto, se dice que se trata de un impacto central, en cualquier otro caso, es un impacto excéntrico. Si las cantidades de movimiento lineales de los centros de gravedad también están dirigidas a lo largo de la línea de impacto, se tiene un impacto colineal o central directo; en cualquier otro caso se dice que el impacto es oblicuo. Clasificación de pruebas de impacto. Impacto colineal. Cuando dos masas m1 y m2, que tienen las velocidades respectivas u1 y u2, se mueven sobre la misma recta, chocaran si u2 > u1. Durante el choque, la energía cinética se absorbe en la deformación de los cuerpos. Sigue un periodo de restauración que puede ser completo ó no. Si se tiene una restauración

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Cédula profesional: 1057705 completa de la energía de deformación, el impacto es elástico; si esa restauración es incompleta se dice que el impacto es inelástico. Después del choque, los cuerpos continúan su movimiento con las velocidades cambiadas u1 y u2. Como las fuerzas de contacto sobre uno de los cuerpos son iguales y opuestas a las fuerzas de contacto sobre el otro, se conserva la suma de las cantidades de movimiento lineales de los dos cuerpos: m1u1 + m2u2 = m1v1 + m2v2. La ley de conservación de la cantidad de movimiento afirma que la cantidad de movimiento lineal de un sistema de cuerpos permanece inalterada si no se tiene fuerza resultante externa sobre el sistema. La relación de la velocidad de separación v1 – v2 a la de aproximación u2 – u1 se llama coeficiente de restitución e. e = (v1 – v2) / (u2 – u1). El valor de e dependerá de la forma y de las propiedades de los materiales de los cuerpos que chocan. En el impacto elástico, el coeficiente de restitución es igual a la mitad y no hay pérdida de energía. Un coeficiente de restitución de cero indica un impacto perfectamente inelástico o plástico en el que los cuerpos no se separan después del choque y la pérdida de energía es máxima. En el impacto oblicuo, el coeficiente de restitución sólo se aplica a aquellas componentes de la velocidad a lo largo de la línea de impacto, o sea, normales al plano de impacto. Puede medirse el coeficiente de restitución entre dos materiales si

se hace uno de los cuerpos muchas veces mayor que el otro, de modo que m2 sea infinitamente grande en comparación con m1. Para todos los fines prácticos, la velocidad de m2 no se altera durante el impacto y e = v1 / u1. Para una pequeña bola que se deja caer desde una altura H sobre una superficie horizontal extensa y que rebota hasta una altura h, e =

Hh / . Impacto de un chorro de agua sobre una placa plana. Si un chorro de agua choca contra una placa plana en forma perpendicular a ésta, la fuerza ejercida por el agua sobre la placa es w v / g, en donde w es el peso del agua que choca contra la placa en la unidad de tiempo y v es la velocidad. Si el chorro está inclinado formando un ángulo respecto a la superficie, A, la presión es (w v / g) cos A. Formas de fractura. Las típicas clases de fracturas son: fractura dúctil, fractura frágil, fractura por fatiga, fractura por Creep y fractura debida al medio ambiente. La fractura simple es la separación de un cuerpo en dos o más trozos como respuesta a una tensión que puede ser estática (constante o variando lentamente con el tiempo) y a temperaturas que son bajas en relación a la temperatura de fusión del material. Las tensiones aplicadas pueden ser de tracción, compresión, de corte o torcionales. Los tipos de fractura típicos son dúctil y frágil.

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Cédula profesional: 1057705 Esta clasificación esta basada en la capacidad del material a experimentar deformación plástica. Los materiales dúctiles típicamente exhiben una sustancial deformación plástica, con alta absorción de energía antes de la fractura. Por otro lado, hay una pequeña deformación plástica y una baja absorción de energía en la fractura frágil. La ductilidad puede ser cuantificada en términos de elongación porcentual y reducción de área porcentual, y es función de la temperatura del material, la velocidad de carga y estado de tensiones. Cualquier proceso de fractura involucra dos etapas, iniciación de la fisura y su propagación como respuesta a las tensiones impuestas. El tipo de fractura altamente dependiente de los mecanismos de propagación de la fisura. La fractura dúctil esta caracterizada por una gran deformación plástica en la vecindad de la punta de fisura. Además el proceso se lleva a cabo relativamente lento a medida que la fisura se extiende. Así se dice que la fisura es estable. Esto significa que se resiste a cualquier propagación a menos que haya un incremento en las tensiones aplicadas. Además generalmente se apreciara un incremento grosero en la deformación en sus superficies de fractura. Por otro lado para la fractura frágil, la fisura se puede propagar extremadamente rápido (300 a 2000 m/s) con muy poca deformación plástica. Tales fisuras se llaman inestables y su propagación una vez comenzada continuara

espontáneamente sin un incremento en las tensiones aplicadas. Se aclara que también pueden existir inestabilidades dúctiles. La fractura dúctil es casi preferible por dos razones. Primero la fractura frágil ocurre repentina y catastróficamente sin ninguna advertencia, consecuencia de la espontánea y rápida propagación de la fisura. Por otro lado, en la fractura dúctil la presencia de deformación plástica da aviso que la fractura será inminente, permitiendo que se tomen medidas preventivas. La segunda es que se requiere mayor energía para inducir la fractura dúctil por lo que los materiales dúctiles son generalmente más tenaces. Bajo la acción de una tensión de tracción, la mayoría de los metales son dúctiles, mientras que los cerámicos son notablemente frágiles. Equipos y materiales de prueba. Cargas dinámicas. Muchas máquinas y partes de ellas están sometidas comúnmente a estas cargas; un tipo importante de carga dinámica es aquel en que la carga se aplica súbitamente como en el caso del impacto de una masa en movimiento; aquí se trata algunos de los aspectos del comportamiento de los materiales bajo tales cargas de impacto. A medida que se cambia la velocidad de un cuerpo al golpear, debe ocurrir una transferencia de energía; se realiza trabajo sobre las partes que reciben el golpe. La mecánica del impacto involucra no solamente la cuestión de los esfuerzos inducidos, sino también una consideración de la

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Cédula profesional: 1057705 transferencia de energía y la absorción y disipación de esa energía. La energía de un golpe puede absorverse de varias maneras: A través de la deformación elástica de los miembros y las partes de un sistema. A través de los efectos de la histéresis en las partes. A través de las deformaciones plásticas de las partes. A través de la acción friccional entre las partes. A través de los efectos de la inercia de las partes en movimiento. El efecto de una carga de impacto que produzca esfuerzo depende de la cantidad de energía utilizada en causar deformación; al tratar los problemas que involucran las cargas de impacto, la manera predominante en que la carga haya de resistirse obviamente determina el tipo de información que se necesita. La meta es proveer margen para la absorción de tanta energía como sea posible a través de acción elástica y luego confiar en alguna clase de contención para disiparla. En la mayoría de los ensayos para determinar las características de absorción energética de los materiales bajo cargas de impacto, el objeto es utilizar la energía del golpeo para causar la ruptura de la probeta. Comportamiento de los materiales bajo la carga de impacto. La propiedad de un material en relación con el trabajo requerido para causar la ruptura ha sido designada como tenacidad; esta depende fundamentalmente de la resistencia y

la ductilidad y parece ser independiente del tipo de carga. No todos los materiales responden de la misma manera a las variaciones de velocidad de la aplicación de la carga; algunos materiales muestran lo que se denomina "sensitividad a la velocidad" en un grado mucho más alto que otros. Ejemplos notorios son el del vidrio ordinario, el cual es perforado con un agujero muy limpio por una bala de alta velocidad, pero se estrella bajo carga concentrada y lenta. Además del efecto de la velocidad, la forma de una pieza puede mostrar un marcado efecto sobre su capacidad para resistir las cargas de impacto; a temperaturas ordinarias una barra simple de metal dúctil no se fracturará bajo una carga de impacto en flexión. Para poder inducir la ocurrencia de la fractura con un solo golpe, las probetas de un material dúctil se ranuran. Alcance y aplicabilidad de los ensayos de impacto. El ensayo de impacto ideal seria uno en el cual toda la energía de un golpe se transmitiera a la probeta. En realidad este ideal nunca se alcanza; siempre se pierde alguna energía por fricción, por deformación de los apoyos y la masa de golpeo, y por vibración de varias partes de la máquina de ensaye. Al realizar un ensayo de impacto, la carga puede aplicarse en flexión, tensión, comprensión o torsión, siendo la carga flexiónate la más común. Quizás los ensayos de impacto más comúnmente usados para los aceros en este país sean los de Charpy e Izod, ambos de los cuales emplean el

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Cédula profesional: 1057705 principio del péndulo. Ordinariamente estos ensayos se hacen sobre pequeñas probetas ranuradas quebradas en flexión; en el ensayo de Charpy, la probeta es apoyada como una viga simple, y en el de Izod se le apoya como un voladizo; los procedimientos para estos ensayos han sido normalizados, y la especificación formal de los límites de la resistencia al impacto ha sido hecha en el caso de los materiales para un número de productos tales como partes de motores de avión, engranes de transmisión, partes para orugas de tractores, aletas para turbinas, Muchos tipos de forjados y tubo y placa de acero para servicio a baja temperatura. Aspectos generales de las máquinas de impacto. El efecto de un golpe depende tanto de la mas de las partes que reciben el golpe como de la energía y masa del cuerpo golpeante. Los objetos que requieren normalización son la base, el yunque, los apoyos para probetas, la probeta, la masa percutiente y su velocidad. Los aspectos principales de una máquina de impacto, pendular y de un solo impacto, son: Una masa móvil cuya energía cinética es suficiente para causar la ruptura de la probeta colocada en su camino. Un yunque y un apoyo sobre el cual se coloca la probeta para recibir el impacto. Un medio para medir la energía residual de la masa móvil después de que la probeta ha sido rota.

La energía cinética es determinada y controlada por la masa del péndulo y la altura de la caída libre. El ensayo de Charpy para metales y plásticos. La máquina del tipo Charpy es adquirible en una variedad de tamaños; un tamaño usual es aquel que posee una capacidad de aproximadamente 220 pie-lb para metales y 4 pie-lb para plásticos; un diseño común de maquina se muestra en la siguiente figura. La siguiente descripción del ensayo se basa en los requerimientos de la ASTM E 23; el péndulo consiste en una barra ligera y rígida, situándose un pesado disco en el extremo; el péndulo esta suspendido de una flecha corta que gira en rodamientos de balines y se balancea hasta la mitad de la distancia entre dos postes verticales, cerca de cuya base están los soportes o yunques de las probetas. El percutor esta ligeramente redondeado y debe alinearse de modo tal que establezca contacto con la probeta contra su peralte total en el instante del impacto. La probeta estándar para ensayos de flexión es una pieza de 10x10x50 mm ranurada; otros tamaños se usan en casos especiales; en muchas especificaciones comerciales se requiere una ranura en forma de ojo de cerradura o de U. La probeta la cual se carga como una viga simple, se coloca horizontalmente entre los dos yunques, de modo que el percutor golpee el lado opuesto de la ranura a la mitad del claro. El péndulo es elevado hasta su posición más alta y sostenido por un tope ajustado para dar una altura de caída constante

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Cédula profesional: 1057705 para todos los ensayos; luego se le suelta y permite caer y fracturar la probeta. En su movimiento ascendente el péndulo lleva el indicador de fricción sobre un escala semicircular graduada en grados o pie-libras; La energía requerida para fracturar la probeta es una función del ángulo de elevación. Los ensayos de Charpy para determinar la resistencia al impacto de los metales a bajas temperaturas son comúnmente realizados sumergiendo las probetas en algún líquido fresco en una vasija de boca ancha con 1 plg de líquido arriba y debajo de las probetas. Para temperaturas desde la ambiente hasta -109ºF, este líquido es usualmente alcohol o acetona, enfriado a la temperatura deseada mediante la adición de pequeños trozos de hielo seco, aunque para temperaturas más bajas se utiliza el nitrógeno líquido en cuyo caso el líquido para la inmersión sería alcohol, isopentano, o el mismo nitrógeno líquido. Los termómetros adecuados para determinar la temperatura del enfriador son del tipo mercurial o termómetros del tipo de pentano para temperaturas más bajas. Las probetas deben mantenerse a una temperatura por 15 min y la temperatura del baño debe mantenerse constante dentro de +0, -3ºF durante los últimos 5 min antes del ensaye; el ensayo debe completarse dentro de 5 seg después de retirar la probeta del enfriador. La maquina Izod. El péndulo consiste de un martillo montado en el extremo de un miembro relativamente ligero, el extremo superior del cual esta

montado en chumaceras de balas en un poste atornillado a un zoclo de hierro fundido. El péndulo golpea la probeta, la cual se sujeta para fungir como un voladizo vertical de 10X10 mm de sección y 75 mm de largo que lleva una ranura normal de 45º y 2 mm de profundidad. La elevación angular del péndulo después de la ruptura de la probeta o la energía para fracturar la probeta se indica en una escala graduada por un indicador de fricción. Algunos experimentadores prefieren esta máquina a la de Charpy, pues en la primera la pieza de ensayo no es esforzada en la región de la ranura por la presión del tornillo opresor. Cálculo de relaciones energéticas. La resistencia al impacto o energía absorbida al romper la probeta es igual a la diferencia entre la energía del péndulo antes y después del impacto. La diferencia de energía es una función de la disminución de la velocidad de rotación y puede computarse por el peso y la altura de la caída del péndulo antes del impacto y la altura de elevación después.

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Cédula profesional: 1057705 3.5.5. Curva de energía de fractura Vs. Temperatura.

3.6. TORSIÓN Definición de torsión: Consideremos una barra sujeta rígidamente en un extremo y sometida en el otro a un par T(=Fd) aplicado en un plano perpendicular al eje. Se dice que esa barra esta sometida a torsión. Efectos de la torsión: Los efectos de la aplicación de una carga de torsión a una barra son: (1) producir un desplazamiento angular de la sección de un extremo respecto al otro y (2) originar tensiones cortantes en cualquier sección de la barra perpendicular a su eje. Momento torsor: A veces, a lo largo de un eje actúan una serie de pares. En este caso, es conveniente introducir un nuevo concepto, el momento torsor, que se define para cada sección de la barra, como la suma algebraica de los momentos de los pares aplicados, situados a un lado de la sección

considerada. Naturalmente, la elección de lado es arbitraria en cada caso. Momento polar de inercia: Para un árbol circular hueco de diámetro exterior De con un agujero circular concéntrico de diámetro Di, el momento polar de inercia de la sección representado generalmente por Ip esta dado por: Ip = π / 32 (De4 - Ei4) El momento polar de inercia de un árbol macizo se obtiene haciendo Di = 0. Este numero Ip es simplemente una característica geométrica de la sección. No tiene significado físico, pero aparece en el estudio de las tensiones que se producen en un eje circular sometido a torsión. A veces es conveniente escribir la ecuación anterior en la forma: Ip = π32 (De2 +Di2) (De2 – Di2)= π / 32 (2 + Di2) (De + Di) (De – Di) Esta ultima forma es útil para calcular el valor de Ip en los casos en los que la diferencia (De – Di) es pequeña. Tensión cortante de torsión: Para un árbol circular, hueco o macizo, sometido a un momento de torsión T, la tensión cortante de torsión τ a una distancia p del centro del eje esta dada por τ = Tp / Ip

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Cédula profesional: 1057705 Hipótesis: Para reducir la formula τ = Tp / Ip se supone que una sección del árbol normal a su eje, plana antes de la carga, permanece plana después de aplicar el par y que un diámetro de la sección antes de la deformación sigue siendo un diámetro, o recta, de la sección después de la deformación. A causa de la simetría polar de un árbol circular, estas hipótesis parecen razonables; pero si la sección no es circula, ya no son ciertas; se sabe, por experiencias, que en este ultimo caso, durante la aplicación de cargas exteriores, las secciones se alabean. Deformación por cortante: Si se marca una generatriz a-b en la superficie de la barra sin carga, y luego se aplica el momento torsor T. El ángulo, medido en radianes, entre las posiciones inicial y final de la generatriz, se define como la deformación por cortante en la superficie de la barra. La misma definición sirve para cualquier punto interior de la misma. Modulo de elasticidad en cortante: La relación entre la tensión cortante τ y su deformación γ se llama modulo de elasticidad en cortante y, esta dado por G = τ / γ Como allí, las unidades de G son las mismas que las de la tensión cortante, pues la deformación no tiene dimensión.

Angulo de torsión: Si un árbol de longitud L esta sometido a un momento de torsión constante T en toda su longitud, el ángulo que un extremo de la barra gira respecto del otro, es: 0 = TL / Gip Donde Ip representa el momento polar de inercia de la sección. Modulo de rotura: Es la tensión cortante ficticia que se obtiene sustituyendo en la ecuación, el par máximo T que soporta un árbol cuando se ensaya a rotura. En este caso, se toma para valor de p el radio exterior de la barra. Indudablemente, no esta justificado el uso de esta formula en el punto de rotura porque, como podrá verse, se deduce solo para utilizarla dentro de la zona de comportamiento lineal del material. La tensión obtenida utilizando esta formula en este caso no es una verdadera tensión, pero a veces es útil para comparaciones. 3.7 TERMOFLUENCIA

Deformación y rotura por termofluencia: Es un mecanismo de fallo por rotura de los materiales. La mayor parte de los materiales metálicos no se pueden utilizar para aplicaciones estructurales cuando su temperatura se eleva por encima de 0,5-0,6*TF porque se deforma plástica e intergranularmente, llegando a producirse la rotura.

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Cédula profesional: 1057705 Los materiales estructurales están sometidos generalmente a cargas por debajo del límite elástico. En este caso se produce deformación plástica permanente a cargas por debajo del límite elástico de los materiales. A esta deformación plástica e intergranular dependiente del tiempo que se da en materiales por debajo de su límite elástico se denomina termofluencia o creep. En la figura 53 observamos que en las curvas hay dos tramos con pendientes distintas. Un tramo asociado a rotura por deformación transgranular, con tiempos de rotura pequeños. Un segundo tramo, con distinta pendiente, que corresponde a tensiones más bajas y, por tanto, a tiempos de rotura mayores. El tipo de deformación será intergranular. La termofluencia se da para condiciones de baja tensión y largo tiempo a elevadas temperaturas. La temperatura a partir de la cual este efecto empieza a producirse depende del tipo de material. En los materiales metálicos se da a temperaturas que están por encima de la temperatura equicohesiva, que es la temperatura a la cual, a lo largo del límite de grano, la cohesión es igual que a lo largo del grano, que puede ser 0,4-0,5-0,6*TF, dependiendo del material. Se va a dar siempre que tengamos una temperatura para la cual el límite de grano es menos resistente que el interior del grano. La superficie de rotura en este tipo de fallo será de tal

manera que en el interior de grano no habrá descohesión entre los planos. En los materiales cerámicos también se produce la termofluencia, pero se producirá a temperaturas un poco más elevadas, del orden de 0,4*TF a 0,7*TF. En muchos de los polímeros se produce termofluencia a temperatura ambiente. Este tipo de fallo es muy complejo, y en él intervienen distintos mecanismos de deformación y depende de la tensión a la que está sometido el material, la temperatura, la velocidad de deformación y el tipo de material. Termofluencia=f(T,σ,ε,material) Ensayos de termofluencia: Los ensayos de termofluencia requieren un dispositivo en el cual se puede someter a un material a tensión, elevando la temperatura y midiendo la deformación existente para el mismo tiempo. Se suele realizar con un ensayo de tracción, con el mismo tipo de probetas pero en distinto horno, a temperatura constante y tensión constante, midiendo la deformación con el tiempo. También se pueden hacer ensayos a compresión (para materiales cerámicos). Para los materiales metálicos normalmente se hace a tracción. La resistencia a la termofluencia es independiente de la dirección de aplicación de la carga para la mayor parte de los materiales.

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Cédula profesional: 1057705 Para el ensayo a tensión constante se obtiene información sobre los mecanismos de deformación. Normalmente se hacen ensayos acelerados, es decir, para elevadas tensiones, superiores al límite elástico, y a partir de los datos obtenidos, se extrapola la información para tensiones más bajas (y velocidades de deformación más bajas también). Curva de termofluencia: Representa la deformación (ε) frente al tiempo de rotura del material. Se hace para valores de tensión inferiores al límite elástico. Se produce una deformación instantánea nada más aplicar la carga. Esta deformación es fundamentalmente elástica. La primera zona es la zona de fluencia primaria o transitoria, donde se observa que la pendiente de la curva disminuye con el tiempo, es decir, hay una velocidad de fluencia decreciente. Esto nos hace suponer que en el material, los mecanismos de deformación que existen están generando acritud (el material se endurece por deformación). La segunda zona es la zona de fluencia secundaria o estacionaria en la cual la deformación es lineal con el tiempo, y la pendiente es constante. Esto indica que se está produciendo por una parte endurecimiento estructural y por otro hay un mecanismo que ablanda el material en caliente (restauración y recristalización), y por lo tanto se produce un equilibrio entre estos dos mecanismos antagónicos.

La tercera zona es la zona de fluencia terciaria. Se caracteriza porque la parte de la curva aumenta su pendiente. Esto implica un aumento de la velocidad de deformación en esa zona hasta llevar al material a rotura, para un determinado tiempo. Se observa que en esta etapa aparecen en el material cambios estructurales, como separación del límite de grano, formación de fisuras internas, cavidades, huecos... En el caso de materiales metálicos sometidos a ensayo de tracción puede aparecer estricción. Esto supone una disminución de la sección, que produce un aumento de la tensión aplicada en esa zona, y esto hace que aumente la velocidad de deformación. Hay dos parámetros que interesan desde el punto de vista del diseño, que son el tiempo hasta llegar a rotura y la velocidad de fluencia estacionaria (velocidad en la zona estacionaria). La utilización de un parámetro u otro depende de la utilización de ese material. Podemos distinguir dos situaciones extremas: Aplicaciones de vida larga y aplicaciones de vida corta. En aplicaciones de vida larga el parámetro de diseño es la velocidad de fluencia estacionaria, para saber si la deformación que va a sufrir está por encima del nivel de deformación máximo admisible para esa aplicación. En aplicaciones de vida corta nos interesa conocer el tiempo de fallo,

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Cédula profesional: 1057705 para ver si el tiempo de fallo es superior al tiempo para el cual se ha diseñado el componente, teniendo en cuenta que en este caso la velocidad de deformación tiene que ser lenta. Influencia de la tensión y temperatura en la deformación por termofluencia: Si observamos la curva de fluencia en distintas condiciones de tensión y temperatura, observamos que a medida que aumenta la temperatura o la tensión, aumenta la deformación instantánea y la velocidad de deformación estacionaria, disminuyendo el tiempo de fallo. Para temperaturas por debajo de 0,3*TF la ε es independiente del tiempo. Fotocopia 2.8 por delante. Ley General: Existe una ley que correlaciona σ con غ y con la temperatura, que es la ley general del comportamiento en caliente. Esta ecuación también sirve para la termofluencia cuando la deformación es pequeña. Si α*σ<0,8 sh(α*σ)≈α*σ B*σK*e-Q/(R*T)=غ

Si queremos analizar más en detalle el efecto de la tensión, fijamos la temperatura (tomando logaritmos, como muestra la figura 55), y queda: B*σN=غ

De cada una de estas rectas obtenemos un valor de N, que va de 1 a 5. Los resultados de termofluencia se representan normalmente de dos formas: Mediante curvas σ-غ (velocidad de fluencia estacionaria), y mediante

curvas σ-Tiempo de rotura. Estas curvas se realizan para distintas temperaturas. σ-غ Para cada temperatura hay un valor de N distinto. Hay una correlación entre el valor de N y el mecanismo de deformación. Se han propuesto distintos mecanismos de deformación, que cada uno conduce a un valor teórico de N, y luego los valores experimentales de N se comparan con los teóricos y se ve si para esas condiciones de tensión y temperatura ese mecanismo es adecuado. Una vez obtenida esta información se elaboran unos mapas de mecanismos, donde tenemos determinadas zonas en las cuales existe un mecanismo determinante. (Tª/Tª de fusión) Tª Homóloga También se pueden determinar dentro de estos diagramas las velocidades de fluencia. Estos mapas están hechos para un tamaño de grano constante. Estos mapas son interesantes porque: Aparecen tres parámetros: Conociendo dos de los parámetros podemos calcular el tercero (Tª, σ y .(غ Conociendo el mecanismo de deformación para una determinada temperatura y tensión, es posible diseñar modificaciones en el material dirigidas a mejorar su resistencia a la fluencia.

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Cédula profesional: 1057705 El mecanismo de deformación en frío se basa en el movimiento de dislocaciones. 1) Deslizamiento de dislocaciones. 2) Fluencia de dislocaciones: Existe un movimiento de planos al mismo tiempo que se produce el movimiento de las dislocaciones. 3) Depende del tamaño de grano (b Vector de Burgers; d Coeficiente de autodifusión). 4) A. El límite desliza en la dirección propia (del límite de grano). B. Migración: El deslizamiento es perpendicular al límite de grano. C. Formación de pliegues. El conocimiento del mecanismo de deformación es muy importante en el diseño, porque permite estudiar como mejorar las propiedades del material. Parámetro de Larson-Miller de extrapolación de resultados: Existe un método de extrapolación de resultados que es el denominado parámetro de Larson-Miller. Se comprueba experimentalmente que cuanto mayor es la velocidad de deformación estacionaria (غS), menor es el tiempo de rotura. Por lo tanto vamos a admitir que la غS es proporcional al tiempo de fallo. T*[C+log(tfallo)]=(Q/R)*log(e)=LM El parámetro de Larson-Miller (LM) es la correlación, para cada tensión, entre la temperatura a la cual realizo el ensayo y el tiempo de fallo.

Este parámetro permite realizar el ensayo a elevadas temperaturas para acelerarlo y extrapolar los datos obtenidos para el caso real a temperaturas inferiores. Esto sólo es válido para materiales metálicos. Materiales resistentes a la termofluencia: En un material que resista bien este tipo de mecanismo de fallo se busca sobre todo la resistencia al flujo a través del límite de grano. Eso se consigue teniendo un tamaño de grano muy grande, de modo que la superficie del límite de grano sea menor. Un ejemplo típico es cómo esta consideración se ha tenido en cuenta para el diseño de álabes de turbina. Inicialmente se obtenía un material policristalino por fundición. Primero se buscó el crecimiento de cristales columnares. El molde donde se vierte el metal líquido está cubierto por un material que aguanta el calor, de forma que sólo se enfría la superficie inferior, de modo que el crecimiento de grano es direccional, igual que el flujo de calor. Los primeros gérmenes que solidifican lo hacen en la pared inferior. A medida que se va levantando la campana refractaria se favorece el crecimiento de granos columnares. Una vez que hay formados varios cristales colummnares, se deja pasar a través de un cuello un único grano, de forma que sólo crece un cristal,

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Cédula profesional: 1057705 formándose un álabe compuesto por un monocristal. Una segunda forma de luchar contra el creep es utilizar materiales con temperatura de fusión muy elevada, de forma que la temperatura equicohesiva sea también muy elevada (metales refractarios). Los problemas que presentan es que son muy caros, en general difíciles de conformar debido a su fragilidad, y además tienen que ser resistentes a la corrosión a las temperaturas a las que se va a usar ese material. La tercera forma de luchar contra la termofluencia es aumentar la resistencia del material. Se comprueba experimentalmente que un aumento de la resistencia del material (a baja temperatura) aumenta también la resistencia a la termofluencia, aunque si bien no hay una relación clara que lo demuestre. Esto sólo se produce para ciertos mecanismos: Endurecimiento por solución sólida (funciona en materiales FCC, que son los más reistentes a la termofluencia). Esto se debe a la existencia de los defectos de apilamiento. Se ha comprobado experimentalmente que :S, en los materiales FCC esغ S=A*D*γ3,5*(σ/E)5غ

A: Constante del material. D: Coeficiente de autodifusión. E: Módulo de Young (es medida de las resistencia del enlace del material). γ: Energía de defectos de apilamiento. σ: Tensión aplicada.

Para tener una elevada resistencia a la termofluencia (baja velocidad de deformación) interesa que D y γ sean pequeños, mientras que el valor de E debería ser elevado. La aleación se hace buscando que el conjunto tenga un bajo valor de γ. Trabajo en frío. Tratamientos termoquímicos de endurecimiento superficial, como por ejemplo, la cementación. Añadir una dispersión de óxidos a la aleación, que es el mecanismo más eficaz, debido a que esas partículas funden a temperaturas en torno a los 2000ºC. Los duraluminios no son resistentes a la termofluencia debido a que se forman a bajas temperaturas. Superplasticidad: Es un comportamiento de determinados materiales a temperaturas elevadas, en el que sometidos a unos esfuerzos de tracción (no muy elevados), se deforman muchísimo, dando lugar a alargamientos del orden del 1000%. Se ha estudiado para buscar un mecanismo de conformación especial para que se den estas condiciones de alargamiento (se obtuvo accidentalmente). Se dan para las siguientes condiciones:

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1) Temperaturas por encima de 0,5*TF.

2) Materiales con granos muy pequeños y equiaxiales.

3) σ y غ no tan elevados como en el conformado normal ni tan pequeños como la deformación por creep.

3.8.TENACIDAD. La tenacidad es una medida de la energía necesaria para romper un material. Esta es opuesta a la resistencia, que es una medida del esfuerzo para deformar o romper un material La tenacidad de los materiales es la propiedad que tienen algunos de ellos de absorber energía cuando se encuentran trabajando dentro de su rango plástico. Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal. La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad Tenacidad a la fractura. 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 al-.unos 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.

Un ensayo típico de tenacidad a la fractura se realiza aplicando un esfuerzo a la tensión a una probeta preparada con un defecto de tamaño y geometría conocidos (figura 6-16). El esfuerzo aplicado al material se intensifica por el defecto, el cual actúa como un concentrador de esfuerzos. Para un ensayo simple, el factor de intensidad de esfuerzo K es

K =f σ πa

donde f es un factor geométrico relacionado a la probeta y al defecto, σ es el esfuerzo aplicado, y a es el tamaño del defecto (según se define en la figura 6-16). Si se supone que la muestra es de ancho "infinito", entonces f = 1.0. Al efectuar una prueba sobre una porción de material con un defecto de tamaño conocido. se puede determinar el valor de K que hace que dicho defecto crezca y cause la falla. Este factor de intensidad de esfuerzo crítico se define como la tenacidad a la fractura K,: K, = K requerido para que una grieta se propague.

La tenacidad a la fractura depende del espesor de la probeta: conforme se incremento el espesor, la tenacidad a la fractura K, disminuye hasta un valor constante (figura 6-17). Esta constante se conoce como la tenacidad a la fractura de deformación plano K,. Generalmente K,, se reporta como propiedad de un material.

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Cédula profesional: 1057705 La capacidad que tiene un material para resistir el crecimiento de una grieta depende de gran número de factores:

1. Defectos más grandes reducen el esfuerzo permitido. Técnicas especiales de fabricación, como retener impurezas al filtrar metales líquidos y la compresión en caliente de partículas para producir componentes cerámicas, pueden reducir el tamaño de los defectos y mejorar la tenacidad a la fractura. 2. La capacidad de deformación de un material es crítica. En los metales dúctiles, el material cerca del extremo del defecto se puede deformar, haciendo que el extremo de cualquier grieta se redondee, reduciendo el factor de intensidad de esfuerzos, e impidiendo el creci-miento de la grieta. Al incrementar la resistencia de un material dado, por lo general se reduce su ductilidad y se obtiene una menor tenacidad a la fractura Materiales frágiles, como los cerámicas y muchos polímeros tienen una tenacidad a la fractura menor que los metales.

3. Materiales más gruesos y más rígidos tienen una tenacidad a la fractura menor que los delgados.

4. Al incrementar la rapidez de

aplicación de la carga, corno en el caso de un ensayo de impacto, por lo general se reduce la tenacidad a la fractura del material.

5. Aumentar la temperatura,

normalmente se incremento la tenacidad a la fractura, similar a lo que ocurre en el ensayo de impacto.

6. Normalmente una estructura de granos pequeños mejora la tenacidad a la fractura, en tanto que mayor cantidad de defectos puntuales y dislocaciones reducen esta cualidad. Así, un material cerámico de grano fino puede originar una mejor resistencia al crecimiento de grietas.

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Cédula profesional: 1057705 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 de¡ 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. Diseño de un componente Si se conoce el tamaño máximo de los defectos y ya se ha seleccionado el material (y por tanto K, o K,,), se puede calcular el esfuerzo máximo que logra resistir el componente. A partir de ahí es posible diseñar el tamaño apropiado de la pieza, para asegurarse de que no se exceda el esfuerzo máximo. Diseño de un método de manufactura o de ensayo Si el material ha sido seleccionado, se conoce el esfuerzo aplicado y está determinado el tamaño del componente, se puede calcular el tamaño máximo pernúsible de los defectos. 3.9.Fatiga En presencia de cargas fluctuantes, en el vértice de discontinuidades geométricas mas o menos agudas se

produce un fenómeno de deformación elasto-plástica cíclica a partir del cual se produce la iniciación de la fisura por fatiga. La condición superficial y la naturaleza del medio cumplen un rol importante sobre la resistencia a la fatiga, esto es sobre el número de ciclos necesarios para que aparezca la fisura. Desde un punto de vista ingeniería, cuando la fisura adquiere una longitud de aproximadamente 0.25 mm se acepta habitualmente que se ha completado la etapa de iniciación. A partir de ahí se considera que se está en la etapa de extensión o de crecimiento estable que eventualmente culmina en la rotura monótona de la sección remanente. La proporción de la vida total que corresponde a la etapa de iniciación aumenta hacia la región de alto ciclo, entendiéndose habitualmente por tal a aquella en la cual la iniciación se produce en no menos de aproximadamente 104 ciclos.

Algunos factores principales que afectan a la resistencia a la fatiga de un metal. La resistencia a la fatiga de un metal o aleación viene afectada por otros factores además de la composición química del metal mismo. Algunos de los factores más importantes son: 1. Concentración de tensión. La resistencia a la fatiga queda grandemente reducida por la presencia de elevadores de la tensión como mellas, agujeros, hendiduras o cambios bruscos en la sección. Por ejemplo, la fractura por fatiga mostrada en la Figura 6.,63 comenzó en la hendidura del eje de transmisión de acero. Las fracturas por fatiga

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Cédula profesional: 1057705 pueden minimizarse por un diseño cuidadoso para evitar los aumentadores de tensión, siempre que sea posible. 2. Rugosidad superficial. En general cuanto más liso sea el acabado superficial de la muestra metálica, mayor será la resistencia a la fatiga. Las superficies rugosas crean aumentadores de tensión que facilitan la formación de grietas por fatiga. 3. Estado superficial. Puesto que la mayoría de las fracturas por fatiga se originan en la superficie del metal, cualquier cambio importante en la condición de la superficie afectará en la resistencia a la fatiga del metal. Por ejemplo, tratamientos de endurecimiento de la superficie para los aceros, como la carburización, nitración que endurecen la superficie aumentan la vida del material por fatiga. La decarburización, por otra parte, que reblandece la superficie de un acero tratado con calor, disminuye la vida por fatiga. La introducción de un patrón de tensión residual compresivo sobre la superficie del metal también aumenta la vida por fatiga. 4. Medio ambiente. Si está presente un ambiente corrosivo durante la tensión cíclica de un metal, el ataque químico acelera grandemente la velocidad a la cual se propagan las grietas por fatiga. La combinación de ataque corrosivo y tensiones cíclicas sobre un metal se conoce como fatiga por corrosión. La naturaleza esencialmente multiparamétrica del fenómeno de fatiga, en el que la influencia de los distintos parámetros no puede en general considerarse de manera aislada, constituye la razón de la gran dispersión que generalmente

acompaña a los resultados experimentales relacionados con este fenómeno. En general, puede decirse que las predicciones sobre vida a la fatiga efectuadas en base a datos generales publicados y la teoría existente, son tan imprecisas como lo son los pronósticos de mediano plazo en meteorología o economía. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en estas disciplinas, la realización de ensayos específicos de fatiga aplicados a situaciones particulares, permite incrementar la capacidad de predicción hasta el límite habitual en las ciencias mecánicas. 3.10 Desgaste El desgaste eliminan material de una pieza mediante ataque mecánico de sólidos o de líquidos. La corrosión y las fallas mecánicas también contribuyen a este tipo de ataque. Desgaste por adherencia. El desgaste por adherencia, también conocido como rayado, raspado o agarre, ocurre cuando dos superficies sólidas se deslizan una sobre otra bajo presión. Las proyecciones superficiales o asperezas se deforman plásticamente y finalmente llegan a soldarse debido a las altas presiones locales (figura )Conforme continúa el deslizamiento, estas uniones se rompen produciendo cavidades en una superficie, proyecciones en la otra y, frecuentemente, partículas abrasivas minúsculas, todo lo cual contribuye a un mayor desgaste de las superficies.

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Cédula profesional: 1057705 El desgaste por Adherencia es el resultado de la transferencia de partículas metálicas entre dos superficies deslizantes. Provocando un desgaste en el metal más blando cuando sus partículas se adhieren al metal más duro. En un motor nuevo este tipo de desgaste se controla mediante las tolerancias, el acabado superficial y la utilización de un lubricante adecuado. Se pueden considerar muchos factores al tratar de mejorar la resistencia al desgaste de los materiales. El diseño de componentes de tal manera que las cargas sean pequeñas, las superficies lisas y sea posible una lubricación continua, ayudará a evitar adherencias que causan pérdida de material. También son de importancia las propiedades y la microestructura del material. Normalmente, si ambas superficies son de alta dureza, la tasa de desgaste será pequeña. También son benéficas una alta resistencia mecánica, para ayudar a resistir las cargas aplicadas, y además buena tenacidad y ductilidad, para impedir que se desgarre el material de la superficie. Los materiales cerámicas, con dureza excepcional, se espera que ofrezcan una buena resistencia al desgaste por adherencia. En los polímeros la resistencia al desgaste se puede mejorar si se reduce el coeficiente de fricción mediante la adición de politetrafluoroetileno (tefión) o si el polímero es endurecido mediante la

introducción de fibras de refuerzo como el vidrio, el carbono o las arácnidas.

FIGURA 1.- Las asperezas de dos superficies no lisas, inicialmente pueden estar unidas. Una fuerza suficiente rompe las uniones y las superficies se deslizan. Al hacerlo, las asperezas se pueden fracturar, desgastando la superficie y produciendo desechos. Desgaste abrasivo Cuando se elimina material de una superficie debido al contacto con partículas duras, hay desgaste por abrasión. Las partículas quizás existan en la superficie de un segundo material o pueden estar sueltas entre ambas superficies (figura 22-19). Este tipo de desgaste es común en maquinaria como arados, cuchillas de conformadoras, trituradoras y molinos utilizados para el manejo de materiales abrasivos; también puede ocurrir cuando, sin intención, se introducen peulas duras en partes de la maquinaria en movimiento. El desgaste abrasivo se utiliza en operaciones de rectificado para eliminar material intencionalmente.

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Cédula profesional: 1057705 El desgaste por abrasión está provocado, principalmente, por partículas duras provenientes de la aspiración de aire y por el funcionamiento normal de los componentes mecánicos móviles. Las principales armas contra este tipo de desgaste consisten en el endurecimiento de las superficies obtenido mediante cementación, nitruración o inducción; en la utilización de un lubricante adecuado y en un buen mantenimiento del sistema de filtración de aire. Materiales con alta dureza, buena tenacidad y alta resistencia a la termofluencia son los que mejor soportan el desgaste abrasivo. Los utilizados típicamente parik aplicaciones de desgaste abrasivo incluyen los aceros templados y revenidos; los aceros carburizados o endurecidos superficialmente; las aleaciones de cobalto como el Estelite y los materiales compuestos, incluyendo los cermets de carburo de tungsteno; los hierros fundidos blancos y superficies duras producidos por soldadura. La mayoría de los materiales cerámicas también resiste eficazmente el desgaste debido a su gran dureza; sin embargo, en situaciones abrasivas su fragilidad a veces limita su utilidad. El desgaste por Adherencia es el resultado de la transferencia de partículas metálicas entre dos superficies deslizantes. Provocando un desgaste en el metal más blando

cuando sus partículas se adhieren al metal más duro. En un motor nuevo este tipo de desgaste se controla mediante las tolerancias, el acabado superficial y la utilización de un lubricante adecuado. El desgaste por abrasión está provocado, principalmente, por partículas duras provenientes de la aspiración de aire y por el funcionamiento normal de los componentes mecánicos móviles. Las principales armas contra este tipo de desgaste consisten en el endurecimiento de las superficies obtenido mediante cementación, nitruración o inducción; en la utilización de un lubricante adecuado y en un buen mantenimiento del sistema de filtración de aire.

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD IV. FRACTURA: MECANICA DE LA FRACTURA Y FRACTOGRAFIA. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. EI alumno interpretara los diferentes tipos de fractura que tiene los materiales, así como a problemática de est fenómeno en los materiales sólidos. T E M A S: 4.1.CONCEPTOS GENERALES______________________________________70 4.2.MECANISMOS DE FRACTURA EN LA FALLA DE METALES____________70 4.2.1 Fundamentos de fractura 4.2.2. Fractura dúctil 4 2.3. Fractura frágil 4.2.4. Fractura por fatiga 4.2.5 Termofluencia y ruptura por esfuerzo 4.2.6. Fracturas por esfuerzo y corrosión 4.2.7. Ensayos de fractura por impacto 4.2.8. Aplicaciones ; 4.3.ORIGEN Y PREVENCIÓN DE LAS FALLAS POR FRACTURA EN LOS METALES_______________________________________________________82 4 3.1. Diseño 4.3 2. Selección de los materiales 4.3.3. Procesamiento de los materiales 4.3 4. Condiciones de servicio 4.4.DETECCIÓN DE MATERIALES POTENCIALMENTE DEFECTUOSOS___85

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD IV. FRACTURA: MECANICA DE LA FRACTURA Y FRACTOGRAFIA. 4.1 CONCEPTOS GENERALES. La fractura es la separación de un sólido bajo tensión en dos o más piezas. En general la fractura metálica puede clasificarse en dúctil y frágil, pero puede ser una mezcla de las dos. La fractura dúctil de un mental ocurre después de una intensa deformación plástica y se caracteriza por una lenta programación de la grieta. 4.2 MECANISMOS DE FRACTURA EN LA FALLA DE METALES. 4.2.1 Fundamentos de fractura. La fractura frágil, en contraste, usualmente se produce a lo largo de planos cristalográficos característicos denominados planos de fractura y tiene una rápida propagación de la grieta. El análisis de falla requiere una combinación de conocimientos técnicos, cuidadosa observación, labor detectivesca y sentido común. Para determinar la causa de falla es indispensable una compresión del mecanismo de fractura. Esta sección se concentra en identificar los mecanismos debido a los cuales los metales fallan al ser sujetos a un esfuerzo. Se verán tres mecanismo comunes de fractura: fallas dúctiles. Frágiles, por fatiga.

4.2.2 Fractura dúctil. La fractura dúctil normalmente ocurre de manera transgranular ( a través de los granos) en los metales con buena ductilidad y tenacidad. A menudo, en el componente que falla, se observará gran deformación, incluyendo estricción. Antes de la fractura final aparece una deformación. Por lo general las fracturas frágil son causadas por sobrecarga o por aplicar un esfuerzo muy elevado al material. En un sencillo ensayo, la fractura dúctil empieza con nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos en el centro de espécimen (figura 1). Se forman microhuecos cuando un esfuerzo elevado causa la separación del metal en los bordes de grano o en la interfase entre metal e inclusiones. Conforme aumenta el esfuerzo local, los microhuecos crecen y se agrupan formando cavidades mayores. Finalmente, el área de contacto metal-meta es demasiado pequeña para soportar la carga y ocurre la fractura. La deformación por deslizamiento también contribuye en la fractura dúctil de un metal. Se sabe que el deslizamiento ocurre cuado el esfuerzo cortante resultante llega al esfuerzo cortante resultante crítico; estos esfuerzos son más elevados cuando están en un ángulo de 45o en relación con el esfuerzo de tensión aplicando (ley de Schmid).

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Figura 1. cuando en un ensayo de tensión se esfuerza un material dúctil, se inicia una estricción, formándose huecos que empiezan cerca del centro de la barra, debido a nucleación en los borde de grano o en las inclusiones. Conforme continúa la deformación, se puede formar un labio de corte, produciéndose una fractura final en taza y cono. Estos dos aspectos de la fractura dúctil le dan a la falla características especiales. En secciones de metal gruesas, son de esperarse evidencias de estricción, además una porción importante de la superficie de fractura aplanada, ya que ahí primero empezaron los microhuecos a nucleares y un pequeño labio de corte, donde la superficie de fractura forma un ángulo de 45o con el esfuerzo aplicado. El labio de corte, indicando que ocurrió deslizamiento, le da a la fractura una apariencia de tasa y cono. La simple observación macroscópica de esta fractura puede ser suficiente para identificar el modo de fractura dúctil.

Figura 2. fractura de taza y cono observada cuando se rompe un material dúctil (en este caso un acero 1018 recocido) en una prueba de tensión. El diámetro original de la barra de prueba era de 0.505 plg. El examen de las superficie fracturada a alta ampliación, quizás utilizando un microscopio electrónico de barrido, revela una superficie rugosa (figura 3). Las rugosidades son rastros de microhuecos producidos durante la fractura. Normalmente, estos microhuecos son redondos o equiaxiales cuando la falla es producida por un esfuerzo a la tensión normal (figura 4 a). Sin embargo, sobre el labio de corte las rugosidades tienen forma oval o alargadas, apuntando hacia al origen de la fractura (figura 4 b). En una placa delgada se observa que la estricción es menos marcada y la totalidad de la superficie de fractura puede ser una cara de corte. El examen microscópico de la superficie de fractura muestra rugosidades alargadas en vez de equiaxiales, indicando una proporción más elevada de deslizamiento a 45o que en metales más gruesos.

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Figura 3. Durante la fractura dúctil se forman rugosidades. En el centro, donde crecen los microhuecos, se forman rugosidades equiaxiales. En el labio de corte se forman rugosidades alargadas, apuntando hacia el origen de la falla.

Figura 4. Microfotografía electrónica de barrido de un acero 1018 recocido que muestra una fractura dúctil en un ensayo de tensión. (a) Rugosidades equiaxiales en el centro plano de la copa y el cono y (b) rugosidades alargadas en el labio de corte (x

250).

tales on baja ductilidad y tenacidad.

efecto juegan un papel portante.

e la sobrecarga lo que causa la falla.

na concentración de sfuerzos.

, que ebiliten los bordes de grano.

1

4.2.3 Fractura frágil. La fractura frágil ocurre en mentales de alta resistencia mecánica o en mec Además, incluso metales normalmente dúctiles pueden fallar de manera frágil a bajas temperaturas, en secciones muy gruesas o a grandes tasa de deformación (como al impacto) o cuando los dim Frecuentemente se observan fallas frágiles cuando es el impacto en vez d En la fractura frágil se presenta poca o ninguna deformación plástica. Normalmente la iniciación de la grieta ocurre en los defectos pequeños, que causan ue En el metal la grieta se puede mover a una velocidad cercana a la del sonido. Normalmente, la grieta se propaga con mayor facilidad a lo largo de planos cristalográficos específicos, a menudo planos {100}, por agrietamiento. En algunos casos, sin embargo, la grieta puede tomar una trayectoria intergranular (a lo largo de los bordes de grano) particularmente cuando existan segregaciones o inclusionesd

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Figura 5. Microfotografía electrónica de escaneado de una superficie de fractura frágil en un acero templado 1010 (x 5000). Al observar las características de la superficie que falló se puede identificar la fractura frágil. Normalmente, la superficie de fractura es plana y perpendicular al esfuerzo aplicado en un ensayo de tensión. Si la falla ocurre por agrietamiento, cada grano fracturado es plano y de orientación distinta, lo que le da una apariencia cristalina o de azúcar cristalizada a la superficie de la fractura (figura 5). A veces alguien inexperto dirá que el metal falló porque estaba cristalizado. Normalmente, el metal era cristalino, debiéndose la apariencia de la superficie a las caras de las grietas. Otra característica común de la fractura es un patrón de chevron (figura 6), producido por diferentes frentes de grieta que se propagan en distintos niveles del material. Un patrón radiante de marcas superficiales o crestas, se va extendiendo desde el origen de la grieta (figura 7). El patrón de chevron se aprecia a simple vista, o con lente de aumento; así, se puede identificar

la naturaleza frágil de falla y el origen de la misma.

Figura 6. Patrón de chevron de un acero templado 4340, de 0.5 plg de diámetro. El acero falló de manera frágil debido a un impacto.

Figura 7. El patrón de chevron se forma al propagarse la grieta desde el origen hacia direcciones distintas. El patrón apunta hacia el inicio de la grieta. 4.2.4 Fractura por fatiga. Un metal falla por fatiga cuando se le aplica un esfuerzo alternante más elevado que el límite de resistencia a la fatiga. La fractura ocurre en un proceso de tres pasos que implica (1) la nucleación de una grieta, (2) una propagación lenta y cíclica de la grieta y (3) la falla catastrófica del metal.

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Cédula profesional: 1057705 Normalmente, los lugares de nucleación se encuentran sobre o cerca de la superficie, donde el esfuerzo es máximo y esto incluye defectos superficiales como ralladuras o picaduras, esquinas agudas debido a mal diseño o fabricación incorrecta, a inclusiones, a bordes de grano y a concentración de dislocaciones. Una vez nucleada, al grieta crece hacia regiones de esfuerzos menor. Debido a al concentración de esfuerzos en el extremo, la grieta se propaga un poco más en cada ciclo, hasta que se alcanza la capacidad de soporte de carga del metal restante.. La grieta entonces crece espontáneamente, por lo general de modo frágil. Las fallas de fatiga a menudo son frágiles de identificar. La superficie de fractura, particularmente cerca de su origen, es típicamente lisa. La superficie se va haciendo más rugosa o áspera conforme la grieta original aumenta de tamaño y puede presentar una apariencia fibrosa a lo largo de la propagación final de la grieta. Un examen microscópico y macroscópico revela una superficie de fractura que incluye un patrón de marcas de marea y estirado (figura 8). Las marcas de marea se forman durante el servicio cuando la carga cambia, o cuando la carga es intermitente, dando quizás tiempo para la oxidación dentro de la grieta. Las estrías, que es una escala mucho más fina, muestran la posición del extremo de la grieta después de cada ciclo. Las marcas de playa siempre sugieren una falla a la fatiga, aunque

la ausencia se tales marcas no descarta este tipo de falla.

Figura 8. Superficie de la fractura por fatiga. (a) A bajas ampliaciones, las marcas de marea de playa indican fatiga como el mecanismo de fractura. Las flechas muestran la dirección del crecimiento del frente de la grieta, cuyo origen está en la parte inferior de la fotografía. (b) A ampliaciones muy grandes, se observa un estirado muy cercano formado durante la fatiga (x 1000). 4.2.5 Termofluencia Efecto de la temperatura Conforme se incremento la temperatura del material, se reducen tanto la vida a fatiga como el esfuerzo límite para fatiga. Además, un cambio cíclico en la temperatura provoca falla por fatiga térmica; cuando se calienta el material de manera no uniforme, algunas partes de la estructura se dilatarán más que otras. Esta expansión no uniforme introduce un esfuerzo en el interior del material y, cuando posteriormente la estructura se enfría y se contrae, se producirán esfuerzos de signo opuesto.

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Cédula profesional: 1057705 Como consecuencia de los esfuerzos y las deformaciones inducidas térmicamente, puede ocurrir finalmente la falla por fatiga. La frecuencia con la cual se aplica el esfuerzo también tiene influencia sobre el comportamiento a fatiga. En particular, los esfuerzos de alta frecuencia pueden causar que se calienten los materiales poliméricos; a una temperatura mayor, los polímeros fallarán más rápido. Si se aplica un esfuerzo a un material que está a una temperatura elevada, éste puede estirarse y finalmente fallar, aun cuando el esfuerzo aplicado sea menor que el del esfuerzo de cedencia a dicha temperatura. La deformación plástica a alta temperatura se conoce como termofluencia. Para determinar el comportamiento de un material, se utiliza el ensayo de termo fluencia. en el cual se aplica un esfuerzo constante a una probeta calentada a alta temperatura. En cuanto se aplica el esfuerzo, la probeta se deforma elásticamente una pequeña cantidad ε0 (ver grafica) que depende del esfuerzo aplicado y del módulo de elasticidad del material a esa temperatura.

Grafica: Curva típica de termofluencia mostrando la deformación producida en función del tiempo para un sfuerzo y una temperatura constante. Ascenso de las dislocaciones: Las altas temperaturas permiten que las dislocaciones en el interior de un metal asciendan. En este caso, los átomos se mueven a uno y otro lado de la línea de dislocación debido al fenómeno de la difusión, haciendo que la dislocación se mueva en dirección perpendicular y no paralela al plano de deslizamiento (figura abajo). La dislocación se escapa entonces de las imperfecciones de red, continuando su deslizamiento y causando una deformación adicional de la pieza, incluso ante bajos esfuerzos aplicados. Figura: Las dislocaciones pueden ascender y alejarse de los obstáculos, cuando los átomos se apartan de la línea de dislocación para crear intersticios o para llenar vacancias (a) o cuando los átomos se fijan a la línea de dislocación creando vacancias o eliminando intersticios (b). Termofluencia y tiempo de ruptura: Durante el ensayo de termofluencia, la deformación o elongación se mide en función del tiempo y se grafica a fin de obtener la curva de

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Cédula profesional: 1057705 termofluencia (figura de grafica anterior). En la primera etapa de termofluencia de los metales, muchas dislocaciones ascienden venciendo obstáculos, se deslizan y contribuyen a la deformación. Finalmente, la rapidez a la cual las dislocaciones esquivan obstáculos es igual a la velocidad a la cual las dislocaciones son bloqueadas por otras imperfecciones. Esto lleva a una segunda etapa, de termofluencia en estado estable. La pendiente de la porción estable de la curva de termofluencia es la rapidez de termofluencia:

tiempondeformaciociatermofluendeRiguidez

∆∆

=

Finalmente, durante la tercera etapa de la termofluencia empieza el encuellamiento, el esfuerzo se incremento y la muestra se deforma a una rapidez acelerada, hasta que ocurre la falla. El tiempo que se requiere para que esto ocurra es el tiempo de ruptura. Un esfuerzo más alto o una, temperatura mayor reducen el tiempo de ruptura, incrementando la rapidez de termofluencia (figura de abajo). Figura: Efecto de la temperatura o del esfuerzo aplicado sobre la curva de termofluencia.

La influencia combinada del esfuerzo aplicado y de la temperatura sobre la rapidez de termofluencia y sobre el tiempo de ruptura (tr) sigue una relación.

)/(exp RTQCciatermofluendeRiguidez c−= σ Donde: R es la constante de los gases, T es la temperatura en grados Kelvin, y C, K, n, y m son constantes del material. Q, es la energía de activación para la termofluencia y Q, es la energía de activación para la ruptura. En particular, Qc está relacionada con energía de activación de autodifusión, cuando es importante el mecanismo de ascenso de las dislocaciones. En los materiales cerámicas cristalinos, son de particular importancia otros factores, como, el deslizamiento de bordes de grano y la nucleación de mícrogrietas. A menudo, en los borde de grano está presente un material no cristalino, es decir vítreo; la energía de activación que se requiere para que se deforme el vidrio es baja, lo que lleva a una gran rapidez de termofluencia en comparación con materiales cerámicas totalmente cristalinos. Por la misma razón, la termofluencia ocurre a gran rapidez en vidrios cerámicas y en polímeros amorfos. Ruptura por termofluencla y esfuerzo: A temperaturas elevadas, un metal sufre deformación plástica técnicamente inducida, aun cuando el esfuerzo aplicado esté por debajo del

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Cédula profesional: 1057705 esfuerzo de cedencia nominal. A menudo la fractura viene acompañada de una astricción, nucleación y coalescencia de huecos, y de deslizamiento de bordes de grano (figura de abajo). Las fallas por termofluencia se definen como una deformación o distorsión excesiva de la pieza de metal, incluso si no ha ocurrido fractura. Las fallas de ruptura por esfuerzo se definen como la fractura real de la pieza metálica.

Figura: Deslizamiento de los bordes de grano durante la termofluencia causando, (a) creación de huecos en una inclusión atrapada en un borde de grano y (b) creación de un hueco en un punto triple donde tres granos están en contacto. Normalmente, las fracturas por ruptura por esfuerzo dúctil incluyen astricción y presencia de muchas grietas que no tuvieron oportunidad de producir la fractura final. Además, los granos cerca de la superficie de la fractura tienden a estar alargados. Las fallas de ruptura por esfuerzo dúctil generalmente ocurren a altas tasas de termofluencia y a relativamente bajas temperaturas de exposición y tienen tiempos de ruptura cortos. Las fallas de ruptura por esfuerzo frágil por lo general muestran poca astricción y ocurren con más frecuencia a bajas tasas de termofluencia y a altas temperaturas.

Se observan granos equiaxiales cerca de la superficie de fractura. La falla frágil típicamente ocurre por formación de huecos en la intersección de tres bordes de grano y por la precipitación de huecos adicionales a lo largo de los bordes de grano mediante procesos de difusión. 4.2.6 Fractura por esfuerzo y corrosión. Las fracturas por es fuerzo y corro-sión: ocurren a esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de cedencia del metal, debido al ataque de un medio corrosivo. Se producen grietas finas y profundas por la corrosión, aunque el metal en su totalidad muestra poco ataque uniforme. Los esfuerzos pueden ya sea estar aplicados desde el exterior o tratarse de esfuerzos residuales almacenados. Las fallas por corrosión y esfuerzo generalmente se identifican mediante un examen de la microestructura del metal adyacente. Normalmente, se observa gran cantidad de ramificaciones de grietas a lo largo de los bordes de grano (figura en parte inferior). Se puede identificar el lugar donde se iniciaron grietas por la presencia de productos de la corrosión. Figura: Microfotografía de un metal cerca de una fractura de corrosión asistida por esfuerzo, mostrando gran cantidad de grietas intergranulares

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Cédula profesional: 1057705 formadas como resultado del proceso de corrosión (x 200). (De Metal Handbook, VoL 7, 8a. Ed., American Society for Metais, 1972.) 4.2.7 Ensayo de fractura por impacto. Cuando se somete un material a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidad de aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tener un comportamiento mas frágil comparado con el que se observa en el ensayo de tensión. El ensayo de impacto a menudo se utiliza para evaluar la fragilidad de un material bajo estas condiciones. Se han diseñado muchos procedimientos, incluyendo el ensayo Charpy y el ensayo Izod (Figura de abajo “a”). Este último generalmente se utiliza para materiales no metálicos. La probeta puede o no tener muesca; la que tiene muesca en V mide mejor la resistencia del material a la propagación de grietas, fisuras, fractura.

Figura. El enesayo de impacto: (a) los ensayos de Charpy e Izod y (b) dimensiones de probetas tipicas Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura h0, describe un arco y posteriormente Durante el ensayo, un péndulo pesado, que inicia su movimiento desde una altura h0, des-cribe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta; llega a una altura final h1, menor. Si se conocen las alturas inicial y final del péndulo, se puede calcular la diferencia en su energía potencial. Esta diferencia es la energía de impacto absorbida durante la falla o ruptura de la probeta. En el caso del ensayo Charpy, la energía por lo general se expresa en libra-pie (lb-pie) o en joules (J) donde 1 lb-pie = 1.356 J. Los resultados del ensayo Izod se expresan en lb-pie/plg ó J/m. La capacidad de un material para resistir cargas de impacto, a menudo se conoce como tenacidad del material. Temperatura de transición. La temperatura de transición es la temperatura a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Esta temperatura puede definirse como la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil, a una energía absorbida específica, o al tener ciertas características en la fractura. 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

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Cédula profesional: 1057705 determinada por el ambiente que rodea al material. No todos los materiales tienen una temperatura de transición bien definida (figura de abajo) Los metales CC tienen temperatura de transición, pero la mayoría de los CCC no la tienen. Los metales CCC absorben valores altos de energía durante las pruebas de impacto; esta energía disminuye gradualmente e incluso a veces se incremento conforme se reduce la temperatura. Figura: Resultados de pruebas Charpy con muesca en V para un acero a¡ carbono CC y para un acero inoxidable CCC. La estructura cristalina CCC generalmente absorbe más energía y no tiene temperatura de transición dúctil-frágil. Sensibilidad a las muescas: Las muescas causadas por un maquinado, fabricación o diseño defectuoso son concentradoras de esfuerzos y reducen la tenacidad de los materiales. La sensibilidad a las muescas de un material puede evaluarse comparando las energías absorbidas por probetas con y sin muescas. Las energías absorbidas son mucho menores en probetas con muesca si dicho material es sensible, a éstas. Relación con el diagrama esfuerzo-deformación. La energía necesaria para romper un material está relacionada con el área bajo la curva esfuerzo real-deformación real (grafica abajo). Aquellos metales con resistencia y ductilidad altas tienen buena tenacidad. Los materiales cerámicos

y muchos compuestos, por otra parte, poseen poca tenacidad, a pesar de su alta resistencia, ya que virtualmente no tienen ductilidad. Figura: El área debajo de la curva esfuerzo real-deformación real está relacionada con la energía de impacto. A pesar de que el material B tiene un límite elástico inferior, absorbe mas energía que el material A . Uso de las propiedades de impacto: La energía absorbida y la temperatura de transición son muy sensibles a las condiciones de carga. Por ejemplo, con una elevada rapidez en la aplicación de la energía a la muestra se reduce la energía absorbida y se incremento la temperatura de transición. El tamaño de las muestras también afecta los resultados; debido a que es más difícil que se deforme un material con mayor espesor, se requiere de energías más pequeñas para romperlos. Finalmente, la configuración de las muescas afecta el comportamiento; una grieta en la superficie permite la absorción de menos energía que una muesca en V en el material. Como a menudo no es posible predecir o controlar todas estas condiciones, el ensayo de impacto se utiliza más para comparación y selección de materiales.

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Cédula profesional: 1057705 4.2.8 Aplicaciones. Diseño de una cadena para malacate mediante un análisis de falla Una cadena utilizada para levantar cargas pesadas ha sufrido una falla. El examen del eslabón fracturado muestra una considerable deformación y astricción antes de la falla. Enliste algunas de las razones- posibles de la misma. SOLUCIÓN. Esta descripción sugiere que la cadena falló de modo dúctil debido a una simple sobrecarga de tensión. Dos factores pueden ser responsables de esta falla:

1. La carga excedió la capacidad de la cadena. De ahí que el esfuerzo debido a la carga excedió al esfuerzo de cedencia de la cadena, permitiendo la falla. La comparación de la carga con las especificaciones del fabricante indicarán que la cadena no era la adecuada para esta pesada carga. Éste es un error del usuario.

2. La cadena era de composición incorrecta o había recibido un tratamiento térmico inadecuado. En consecuencia, el esfuerzo de cedencia era inferior que el especificado por el fabricante y no pudo soportar la carga. Aquí se trata de error del fabricante.

Diseño de un eje automotriz mediante un análisis de fractura. Un ingeniero que investiga la causa de un accidente automotriz encuentra que la rueda derecha se separó de su eje, el cua1 está torcido. La superficie de fractura revela un patrón de

chevron, que apunta hacia la superficie del eje. Sugiera una causa posible para la fractura. SOLUCIÓN. La evidencia sugiere que el eje no se rompió antes del accidente. La deformación del eje significa que la rueda seguía sujeta al aplicarse la carga. El patrón de chevron indica que la rueda recibió un intenso impacto, que fue transmitido al eje, causando la falla. La evidencia preliminar sugiere que el conductor perdió control y se estrelló, haciendo que la fuerza del, rompiera el eje. Un examen posterior de la superficie de fractura, su microestructura, composición y propiedades pudieran verificar que el eje fue fabricado correctamente. Diseño de una tubería mediante un análisis de fallas. Una tubería de titanio utilizada para transportar material corrosivo a 400"C falló después de varios meses. ¿Cómo determinaría usted la causa de la falla? SOLUCIÓN. Dado que se requirió un cierto periodo a altas temperaturas antes que ocurriera la falla, primero se sospecharía un mecanismo de termofluencia o de corrosión por esfuerzo como causa de dicha falla. Sería aconsejable un examen microscópico del material cerca de la superficie de la fractura. Si se notan muchas grietas pequeñas ramificadas alejándose de la superficie, una fuerte posibilidad sería la corrosión por esfuerzo. Sin embargo, los granos

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Cédula profesional: 1057705 cerca de la superficie de la fractura están alargados, con muchos huecos entre granos; probablemente el mecanismo responsable fue la termofluencia. Diseño de un componente para un puente. La figura muestra el diagrama de un ensamble de barra con espiga articulado utilizado en un puente. La conexión está diseñada de manera que conforme cambia la temperatura ambiente, la expansión o contracción resultante del puente es absorbida mediante el giro de la espiga. En uno de estos casos, la espiga se agrietó, como se indica, y finalmente falló. También aparece una sección transversal de la espiga, incluyendo las ranuras y grietas que se crearon en ella. Determine la causa probable de la fractura y sugiera métodos de protección contra futuras fallas. SOLUCIÓN. La inspección general muestra que el puente acepta la expansión o contracción cuando las dos mitades de la viga se mueven de un lado a otro, abriendo o cerrando el espacio entre la unión. El ensamble de espiga y las barras mantienen juntas las dos mitades de la viga. En consecuencia, la viga y las barras giran alrededor de la espiga, conforme el puente se calienta o enfría. A fin de evitar un esfuerzo de torsión en las espigas, el ensamble deberá estar lubricado, para asegurar que tanto la viga como las barras giran libremente sobre la espiga. La inspección en el puente revela que la conexión está expuesta al medio ambiente. En particular, el agua en la

superficie del puente puede gotear a través de las placas de expansión y acumularse en la internase viga-barras-espiga. Con base a exámenes químicos y microscópicos, se observo que la espiga fue fabricada con un acero de relativamente bajo carbono y contiene una mezcla de ferrita y perlita. Las líneas de deslizamiento, una serie de líneas paralelas causadas por el movimiento de las dislocaciones, pueden observarse en la ferrita cerca a la superficie agrietada. En ramificaciones de la grieta que no se propagaron totalmente se observan productos de la corrosión. El examen visual revela que las grietas en la espiga se formaron en la unión entre viga, barras y espiga; las grietas que originaron la falla final se iniciaron en la base de estas ranuras. Sobre estas observaciones, se puede decidir que la espiga no podía girar con libertad, generando un esfuerzo de torsión cíclico en la espiga, y ésta no podía girar con libertad debido a la corrosión. Al acumularse humedad en la unión, apareció la corrosión galvánico (quizás consecuencia de una celda de concentración), eliminando átomos metálicos de la espiga y creando la ranura. Además, la corrosión dentro de la grieta produjo subproductos, que fijaron la espiga, impidiendo su rotación. Movimientos subsecuentes del puente introdujeron esfuerzos en la espiga, creando celdas de esfuerzo y grietas debido a la fatiga por esfuerzo y corrosión, o por corrosión y fatiga. El crecimiento de la grieta siguió reduciendo la sección transversal eficaz de la espiga, aumentando el

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Cédula profesional: 1057705 esfuerzo y finalmente se llegó a la falla. El proceso general se aceleró durante el invierno por el uso de sal para evitar la formación de hielo sobre el puente; las sales producen un electrolito que fomenta la corrosión galvánico. Se pueden pensar en varias modificaciones en el diseño de la conexión del puente. La espiga y otras porciones del ensamble se podrían producir con materiales más resistentes a la corrosión o de una resistencia mecánica más elevada, por ejemplo acero inoxidable. Sin embargo el costo de la construcción del puente con estos materiales sería prohibitivo. Se podría diseñar el ensamble para permitir un más fácil mantenimiento y lubricación, quizás reduciendo la tasa de corrosión, al excluir la humedad y minimizar esfuerzos al impedir que se fije la espiga, ya sea sobre las barras o sobre la viga. El ensamble podría volverse a diseñar para incluir juntas de hule u otros dispositivos que ayuden a excluir el medio ambiente. Además, se podrían utilizar técnicas no destructivas para ayudar en la pronta detección de corrosión y de grietas en el proceso, de manera que se pudieran remplazar espigas antes de que fallen. El uso de pruebas ultrasónicas, que se describirá en una sección posterior, pudiera ser un proceso mediante el cual se podrían detectar estos problemas. 4.2 ORIGEN Y PREVENCIÓN DE FALLAS POR FRACTURA EN LOS METALES. Es posible evitar fallas en los metales mediante varios procedimientos:

diseño de los componentes, selección de los materiales y de las técnicas de procesamiento apropiadas y tomando en consideración las condiciones de servicio. 4.3.1 Diseño. Los componentes deben diseñarse para (a) permitir que el material resista el esfuerzo máximo que se espera sea aplicado durante el servicio, (b) evitar elevaciones de esfuerzos que hagan que el material falle a cargas inferiores a las esperadas y (e) asegurar que el deterioro del material durante el servicio no cause fallas a cargas inferiores a las esperadas. Las fallas por termofluencia, por fatiga, por esfuerzo y por corrosión ocurren a esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de cedencia. El diseño del componente debe basarse en datos apropiados de termofluencia, fatiga, esfuerzo y corrosión y no en su esfuerzo de cedencia. 4.3.2 Selección de materiales. Un ingeniero tiene disponible una amplia variedad de materiales para cualquier aplicación, muchos de los cuales son capaces de resistir altos esfuerzos figura 1. La selección de un material se basa en su capacidad de servicio, así como en su costo y en el de su procesamiento. El ingeniero debe considerar el estado del material. Por ejemplo: aleaciones endurecidas por envejecimiento, deformadas en frío, templadas o revenidas pierden su resistencia a altas temperaturas. La figura 2, muestra los rangos de temperatura sobre los cuales pueden

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Cédula profesional: 1057705 operar varios grupos de aleaciones en función del esfuerzo aplicado. Figura 1. Comparación del rango disponible para muchos metales y aleaciones de importancia. Una amplia gama de propiedades es posible para cada sistema de aleaciones, dependiendo de la composición y del tratamiento. Figura 2. Graficas de esfuerzo a la ruptura para una vida útil de 1000 horas, mostrando el rango de temperaturas adecuadas para varias aleaciones 4.3.3 Procesamiento de los materiales. Todos los componentes terminados en algún momento pasan a través de algún tipo de procesamiento, fundición, conformado, maquinado, unido o tratamiento térmico, para producir forma, tamaño y propiedades adecuadas. Sin embargo, toda una

diversidad de fallas pueden ser introducidas. El ingeniero debe diseñar compensando las fallas, o debe detectar su presencia y rechazar el material o corregir la falla. La detección de fallas se analizará en la siguiente sección. La figura 3, ilustra algunas de las fallas típicas que pudieran introducirse en los metales. 4.3.4 Condiciones de servicio. El rendimiento de un material está influido por las condiciones de servicio, incluyendo tipo de carga, entorno y temperatura a la cual está expuesto el conjunto. Otra fuente de falla es el abuso del material durante el servicio. Este abuso incluye sobrecarga, por ejemplo, el uso de una cadena para elevar un depósito cuyo peso excede la capacidad de la misma. No deberá utilizarse un martillo de carpintero ordinario como palanca golpeando el martillo con otro instrumento metálico. Pueden desprenderse escamas de metal de la cara del martillo (que está

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Cédula profesional: 1057705 tratado térmicamente para tener una alta dureza) y causar lesiones. Un mantenimiento inadecuado, como una pobre lubricación de partes en movimiento, puede resultar en desgaste adhesivo, sobrecalentamiento y oxidación. En caso de sobrecalentamiento, la microestructura se modificará, reduciendo la resistencia y ductilidad del metal. Ejemplos: Diseño de una soldadura mediante un análisis de falla Un acero de aleación, que se suelda utilizando un electrodo que produce una atmósfera alta en hidrógeno, falló en la zona afectada por el calor cerca de la soldadura. ¿Qué factores pudieron haber contribuido a la falla? SOLUCIÓN Si se asume que la unión está diseñada para que resista los máximos esfuerzos, la falla proba-blemente ocurrió como resultado de faltas introducidas durante la soldadura. Dado que el acero falló en la zona afectada por el calor y no en la zona de fusión, las posibles causas podrían estar entre las siguientes: 1. Un crecimiento severo de grano

puede haber debilitado el metal cerca de la zona de fusión,

2. Dado que un acero de aleación tiene buena capacidad de endurecerse, se puede haber for-mado martensita durante el enfriamiento. Un tamaño grande de grano también incremento la

probabilidad de la formación de martensita.

3 . El hidrógeno disuelto en la zona de

fusión puede haberse difundido hacia la zona afectada por el calor, causando fragilidad por nitrógeno, o grietas debajo del cordón.

4. Debido a diferencias en

temperatura en el acero, se pueden acumular esfuerzos residuales en la soldadura. Los esfuerzos de tensión residuales disminuyen la capacidad local de carga de la soldadura.

5. Inclusiones alargadas en el acero

pudieran actuar como concentradores de esfuerzo, ini-ciando grietas.

Información adicional respecto al estado inicial del acero, a los parámetros de la soldadura y a la microestructura permitiría concretar la causa de la falla. Diseño de un cable de acero a través de un análisis de falla Un cable de acero, compuesto por muchos hilos pequeños, pasa sobre una polea de dos pulgadas de diámetro. Después de varios meses, el cable falla, dejando caer la carga. SOLUCIÓN El extenso periodo requerido antes de la falla sugiere que la culpable pudiera ser la fatiga. Cada vez que el cable de acero pasa sobre la polea, los hilos exteriores del acero experimentan un esfuerzo elevado. Éste puede exceder el límite de

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Cédula profesional: 1057705 resistencia a la fatiga. Después de pasar suficientes veces sobre la polea, los hilos empiezan a fallar por fatiga, la cual incrementa el esfuerzo de los hilos restantes, acelerando su falla, hasta que el cable se sobrecarga y se rompe. Una polea de mayor diámetro puede reducir el esfuerzo sobre las fibras hasta por debajo del límite de resistencia a la fatiga, de manera que el cable no falle. Diseño de un engrane mediante un análisis de falla Después de un accidente de helicóptero, se encuentra que los dientes de un engrane de la trasmisión están desgastados. El engrane, fabricado en acero aleado carburizado, se supone debe tener una dureza superficial de HRC 60. Sin embargo, la dureza medida en una porción de un diente aún intacto revela una dureza HRC 30. SOLUCIÓN Se sabe que la velocidad de desgaste incremento al reducirse la dureza. Por lo que con confianza se puede culpar de la falla al engrane blando. Sin embargo, se debe determinar aún por qué el engrane estaba así. Una explicación podría ser que el engrane no fue carburizado o no recibió tratamiento térmico. Un examen microscópico revelaría este hecho. Suponga que el examen muestra la presencia de una adecuada profundidad de cementación y una estructura martensítica sobrerrevenida. Este estado sugeriría que el engrane, originalmente fabricado co-rrectamente, se sobrecalentó durante

el uso, se ablandó y a continuación empezó a desgastarse. En este caso, la falla pudo haber sido causada por pérdida de aceite en la caja de engranajes, permitiendo el sobrecalentamiento del engrane. 4.3. DETECCIÓN DE MATERIALES POTENCIALMENTE DEFECTUOSOS. Introducción. Cuando se consideran millones de piezas metálicas que se fabrican y ponen en servicio, no es raro que algunas fallaran prematuramente. Simplemente desde el punto de vista estadístico, no es razonable, con la practica de la ingeniería, no esperar fallas, sin embargo, aunque el numero de fallas de un componente dado sea pequeño, son importantes porque pueden afectar el prestigio del fabricante en cuanto a confiabilidad. En cualquier análisis para la detección de fallas en piezas y materiales defectuosos es importante obtener tantos datos como sean posibles de el propio material que fallo, además de examinar las condiciones en el momento en que se produjo la falla, algunas preguntas que deben hacerse son: 1.- ¿Cuánto tiempo estuvo la pieza en funcionamiento? 2.- ¿Cuál era la naturaleza de los esfuerzos aplicados a la pieza en el momento en que se produjo la falla? 3.- ¿Estuvo la pieza sometida a una sobrecarga? 4.- ¿Se instalo adecuadamente la pieza? 5.- ¿Estuvo sometida a servicio excesivo?

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Cédula profesional: 1057705 6.- ¿Hubo algunos cambios en el ambiente? 7.- ¿Tuvo la pieza un mantenimiento adecuado? Después de estudiar la superficie fracturada se deben contestar las siguientes preguntas: 1.-¿Fue la fractura dúctil, frágil ó una combinación de las dos? 2.-¿Empezó la falla en la superficie o por debajo de elle? 3.-¿Empezó la falla en un punto o se origino en diversos puntos? 4.-¿Empezó la fisura o había estado creciendo por un tiempo largo? Las pruebas de laboratorio y de campo permiten evaluar los efectos del material, el diseño y las variables de fabricación sobre el comportamiento de la pieza en condiciones controladas. El procedimiento para investigar una falla abarca cuatro áreas como sigue: 1.- Observaciones iniciales.- Un estudio detallado visual del componente real que fallo debe hacerse tan pronto como sea posible, una ves que se detecta la falla, además se deben registrar todos los detalles por medio de muchas fotografías para revisión posterior, y hacer la interpretación de las marcas de deformación, de la apariencia de la fractura, de la deterioración, de los contaminantes y de otros factores. 2.- Datos informativos.- Reunir todos los datos disponibles referentes a las especificaciones y dibujos, diseño de componentes, fabricación, reparaciones, mantenimiento y utilización de servicio.

3.- Estudios de laboratorio.- Verificar que la composición química del material este dentro de los limites especificados y constatar las dimensiones y propiedades del componente. Se deben hacer los ensayos suplementarios que se necesiten; por ejemplo, dureza y determinación de microestructura para verificar el tratamiento térmico, pruebas no destructivas para examinar si existen defectos de procesamiento o fisuras, composición de productos de corrosión, un ensayo de flexión libre para verificar la ductilidad etc. A menudo el examen de una superficie de fractura con un microscopio binocular de baja resolución puede revelar el tipo y causa de la falla. 4.- Síntesis de la falla.- Estudio de todos los hechos y evidencias, tanto positivos como negativos, y respuestas a la preguntas típicas dadas previamente. Estudios extensivos de engranes carburizados y endurecidos para camiones de gran tonelaje, maquinas para herramienta, maquinas para minería, motores diesel etc. Mostraron que el 38% de las fallas se originaron por problemas de la superficie ( formación de pequeños agujeros, descascaramiento, trituración, y rayado ), un 24% de fatiga por flexión, un 15% por impacto y 23% por otras causas. De un análisis detallado de las fallas hecho por compañías de acero, fabricantes de automóviles y fabricantes de equipo eléctrico, casi el 50% de las fallas puede atribuirse a defectos en el diseño, siendo el resto distribuido

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Cédula profesional: 1057705 entre problemas de producción y de servicio. Modos de fractura. Las fracturas dúctiles .- Son el resultado de fuerzas cortantes que producen deformación plástica ( deslizamiento ó macla ) a lo largo de ciertos planos cristalográficos, en tanto que las fracturas frágiles se deben a fuerzas tensiles que producen. En la mayoría de las fracturas, ambos tipos están presentes en diversos grados. La identificación del mecanismo básico suele determinar el tipo de carga que inicio la fractura. De la misma manera, el conocimiento de la aplicación de la carga ayuda a determinar si una falla particular fue de naturaleza dúctil y frágil. Las fracturas frágiles ( clivaje ) aparecen brillantes y cristalinas. Cada cristal tiende a fracturarse en un plano de clivaje único, plano que varia solo ligeramente solo de un cristal al siguiente solo en el agregado. Las superficies de fracturas frágiles algunas veces tienen apariencias distintivas. Desde el origen de la fractura se forma un modelo característico de “ cheuron ó espigado” , el cual apunta al origen de la fractura. Esfuerzo y resistencia. La solución a los problemas de fallas resultantes de piezas sometidas a sobreesfuerzos depende de la determinación de dos factores: el esfuerzo sobre la pieza y la resistencia requerida para soportar ese esfuerzo, dependiendo del tipo de carga y de la geometría de la

pieza, puede haber esfuerzo simple axial o un sistema complejo de esfuerzos multiaxiales. El esfuerzo total puede incluir esfuerzos internos residuales originados en la fabricación o tratamiento térmico, así como esfuerzos debidos a cargas externas. Fracturas por fatiga. Las fallas por fatiga son los tipos más comunes de fractura en maquinas y probablemente constituyen el 90% de todas las fracturas. Tales fracturas se desarrollan después de un gran numero de aplicaciones de carga, generalmente a un nivel de esfuerzos inferior a la resistencia de cedencia del material. Como una falla por fatiga es progresiva, desarrollándose durante un largo tiempo , la superficie de la fractura generalmente muestra marcas de playa o concha de almeja características. Las fracturas por fatiga se inician en los esfuerzos cortantes mediante un mecanismo que implica deslizamiento y endurecimiento por trabajado, formando eventualmente discontinuidades microscópicas que se desarrollan en fisuras, una vez que se forma una fisura, su rapidez de crecimiento depende de la magnitud de esfuerzo, del gradiente de esfuerzo, del limite de resistencia del material, de la sensibilidad de la muesca y de la presencia o ausencia de imperfecciones e inclusiones estructurales.

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Cédula profesional: 1057705 Efecto de las concentraciones localizadas de esfuerzos. En piezas de maquinaria y estructurales, los mayores esfuerzos se presentan más a menudo en filetes, agujeros e irregularidades geométricas similares que concentran e incrementan el esfuerzo superficial. Estos se llaman concentraciones localizadas de esfuerzos. La mayoría de las concentraciones localizadas de esfuerzos quedan incluidas en uno de los siguientes grupos: 1.- Aquellas producidas por cambios en la geometría de una pieza, como agujeros, cajas de cuña, roscas, escalones o cambios en el diámetro de ejes y cabezas de tornillos etc. 2.- Discontinuidades de la superficie, como muescas, ralladuras, marcas de maquinado, formación de agujeros, corrosión etc. 3.- Defectos inherentes en el material, como inclusiones no metálicas, fisuras pequeñisimas etc. Efecto de los esfuerzos residuales. Los esfuerzos residuales son esfuerzos que existen en una parte, independiente de cualquier fuerza externa, casi toda operación de manufactura dará como resultado esfuerzos residuales en diversos grados. En general las tensiones residuales son benéficas cuando se oponen a la carga aplicada. El efecto de las tensiones residuales varia con la dureza del material y con la presencia de concentraciones de esfuerzos localizados.

Fracturas por flexión. La flexión es una de las causas comunes de fractura en piezas de maquinas y estructurales. La falla puede originarse por una aplicación única de carga mayor que la de la resistencia total de una pieza o deberse a una carga de inversión que da como resultado una fractura por fatiga de flexión. Fallas Torsionales. Las fallas torsionales son más comunes en ejes, incluyendo cigüeñales, barras de torsión y ejes de vehículos. La apariencia de una fractura por fatiga por torsión es completamente distinta de la producida por fatiga por combado. Las fallas por fatiga por torsión ocurren a lo largo de los planos de corte máximo a lo largo del plano de tensión máxima. El esfuerzo máximo de corte ocurre a lo largo del eje de la flecha y en ángulos rectos a ella. En fatiga torsional, las concentraciones de esfuerzos localizados son casi tan serias como lo son en fatiga por flexión. Los agujeros para aceite, filetes y ranuras en una flecha tienden a concentrar los esfuerzos y producir una fractura de tipo tensil. Otros tipos de fallas implican el daño superficial debido al desgaste y daño superficial debido a la corrosión.

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Cédula profesional: 1057705 Ensayos complementarios de laboratorio para la detección de materiales defectuosos. En la detección de materiales potencialmente defectuosos también se utilizan ensayos complementarios de laboratorio, los cuales nos dan resultados importantes, es decir las propiedades mecánicas del material, las cuales se utilizan para determinar que material es el más optimo para la aplicación que se requiere y en un determinado momento saber si ese material esta defectuoso o no. Dentro de los ensayos de laboratorio realizados a materiales para saber si estos son defectuosos o no se utilizan ensayos de prueba destructivo y no destructivos. Los ensayos de prueba destructivos son aquellos en que una vez realizado el ensayo en el material, se modifica permanentemente la naturaleza inicial del material, incluyendo propiedades físicas, propiedades químicas o incluso su estructura cristalina. Estos ensayos son: 1.- Ensayo de tensión. 2.- Ensayo de Flexión. 3.- Ensayo de dureza [ Brinell,( Rockwell A, B, C, D ,E ,F ), Vickers y Knoop ]. 4.- Ensayo de impacto. 5.- Ensayo de fatiga. 6.- Ensayo de termofluencia. Los métodos de prueba no destructivos se utilizan para determinar la calidad de un producto y detectar la presencia, ubicación y tamaño de cualquier falla sin causar

ningún daño al material. Estos ensayos son: 1.- Ensayo de dureza [ Brinell,( Rockwell A, B, C, D ,E ,F ), Vickers y Knoop ]. 2.- Prueba de sobrecarga. 3.- Radiografía. 4.- Pruebas ultrasónicas. 5.- Inspección con partículas magnéticas. 6.- Pruebas con corrientes de Eddy. 7.- Inspección por liquido penetrante. 8.- Termografia. 9.- Inspección por emisión acústica. Como se puede ver la prueba de dureza se encuentra en ambas listas de los ensayos, ya que puede ser considerada como prueba destructiva o no destructiva debido a que la huella que dejen en el material los penetradores para realizar la prueba son muy pequeñas y no causan mayor daño a el material ensayado. El conocimiento de cada tipo de falla es importante en la detección de materiales defectuosos para evitar o minimizar problemas futuros.

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD V. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS. OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. Aplicará los conocimientos obtenidos para los diferentes tipos de equipos que son utilizados para los ensayos no destructivos y así poder detectar las fallas de los materiales, para su selección. TEMAS: 5.1.CONCEPTOS GENERALES 5.2.RAYOS X 5.3 PARTICULAS MAGNETICAS 5.4.PARTICULAS FLOURECENTES 5.5.ULTRASONIDO 5.6.CORRIENTES PARASITAS

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD V 5.1. CONCEPTOS GENERALES Una prueba no destructiva es el examen de un objeto efectuado en cualquier forma que no impida su utilidad futura. Aunque en la mayoría de los casos , las pruebas no destructivas no dan una medición directa de las propiedades mecánicas , son muy valiosas para localizar defectos en los materiales que podrían afectar el funcionamiento de una pieza de una máquina cuando entra en servicio , dicha prueba se emplea para detectar materiales defectuosos antes de que las partes componentes sean formadas o maquinadas ; para detectar componentes defectuosas antes de ensamblar ; para medir el espesor de un metal u otros materiales; para determinar el nivel de liquido o el contenido de sólido en recipientes opacos ; para identificar y clasificar materiales ; y para descubrir defectos que pudieran desarrollarse durante el procesamiento o el uso. Las partes también pueden examinarse cuando están en servicio, lo que permitirá su remoción previa a la ocurrencia de una falla. Las pruebas no destructivas se utilizan para hacer productos mas confiables, seguros y económicos. Aumentar la confiabilidad mejora la imagen pública del fabricante, que conduce a mayores ventas y ganancias. Además de lo anterior, los fabricantes recurren a estas pruebas para mejorar y controlar los procesos de fabricación.

Antes de la Segunda Guerra Mundial , las pruebas no destructivas no eran imperiosas, debido a los grandes factores de seguridad introducidos en casi todos los productos que se fabricaban . En efecto , ocurrían fallas de los materiales estando en servicio, pero el papel de las imperfecciones de los materiales en tales fallas no estaba entonces totalmente reconocido ; por lo tanto poco esfuerzo concentrado se hacia para encontrarlas. Durante e inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial, la significancia de los imperfecciones en la vida útil de un producto adquirió mayor importancia . En el diseño de aviones , en la tecnología nuclear y en la exploración espacial , los altos riesgos y costos han impuesto que sea esencial una máxima confiabilidad. Al mismo tiempo, ha habido un desarrollo extensivo en todos los métodos de inspección, tanto en trabajos industriales como científicos . Hay cinco elementos básicos en cualquier prueba no destructiva. 1.- Fuente , una fuente que proporciona un medio de sondeo, es decir, algo que puede usarse con el fin reobtener información del artículo bajo prueba. 2.- Modificación, este medio de sondeo debe cambiar o ser modificado como resultado de las variaciones o discontinuidades dentro del objeto sometido a prueba. 3.- Detección , un detector que puede determinar los cambios en el medio de sondeo. 4.- Indicación , una forma de indicar o registrar las señales del detector.

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Cédula profesional: 1057705 5.- Interpretación , un método de interpretar estas indicaciones. 5.2.RADIOGRAFIA DE METALES (RAYOS X). La radiografía de metales se puede realizar mediante rayos X o rayos gamma Rayos electromagnéticos de longitud de onda corta capaces de atravesar espesores de metal relativamente grandes. Los rayos gamma se pueden obtener ya sea de un material radiactivo natural (como el radio) o de un isótopo radiactivo (como el cobalto 60) . La radiación gamma es más penetrante que los rayos X , pero su sensibilidad inferior ; limita su aplicación. No hay forma de que la fuente se pueda regular para examinar espesores variables o con contrastes, y generalmente requiere mucho más tiempo de exposición que el método de rayos X. Los rayos X se producen cuando la materia es bombardeada por un haz de electrones que se mueven rápidamente. Cuando los electrones se detienen de repente por la materia, parte de su energía cinética se convierte en energía de radiación o rayos X. Las condiciones esenciales para la generación de rayos X son: a) un filamento (cátodo) que proporciona la fuente de electrones que se dirigen hacia el objeto, b) un objetivo (ánodo ) localizado en la trayectoria de los electrones, c) una diferencia de voltaje entre el cátodo y el ánodo , con lo que se regulará la velocidad de los electrones que inciden sobre el objetivo, regulando la longitud de onda de rayos X producidos , y d) un medio de regular la corriente del tubo para controlar el número de

electrones que chocan contra le objetivo. Los requisitos a) y b) los proporciona generalmente el uso de los rayos X para examinar una placa soldada. Los rayos X son peligrosos y deben emplearse medidas de seguridad adecuadas para proteger al personal que lo maneja. Representación esquemática del uso de los rayos X para examinar una placa soldada. (Tomada del “Basic metallurgy”, vol. 2 American Society for Metals,Metals Park, Ohio, 1954.)

Una radiografía es una fotografía sombreada de un material más o menos transparente a la radiación. Los rayos X oscurecen la película , de modo que las regiones de menor densidad que permiten fácilmente la penetración de éstos aparecen oscuras en el negativo, comparadas con las regiones de mayor densidad que absorben más radiación . De este modo , un orificio o una fractura aparece como un área más oscura, en tanto que las inclusiones de cobre es una aleación de aluminio aparecen como áreas más claras Aunque la radiografía de metales se ha utilizado principalmente para revisar piezas fundidas y productos soldados, también puede usarse para medir el espesor de los materiales . La figura muestra una forma sencilla

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Cédula profesional: 1057705 de medir el espesor de un material por medio de radiación.

Medidor del espesor de un material por medio de radiación La radiación de la fuente se ve influida por el material sometido a prueba . Conforme el espesor aumenta , la intensidad de radiación que alcanza al detector disminuye . Si la respuesta del detector es calibrada con base con espesores conocidos, la lectura del detector se puede usar para indicar el espesor del material revisado. Con un circuito de retroalimentación adecuado, el detector puede emplearse para controlar el espesor entre límites predeterminados. 5.3 Inspección por partículas magnéticas (Magnaflux). Este es un método para detectar la presencia de fisuras, recubrimientos, rasgones, inclusiones y discontinuidades semejantes en materiales ferromagnéticos como el hierro y el acero. El método detectara discontinuidades de la superficie demasiado finas para apreciar a simple vista y también detectara discontinuidades ligeramente por debajo de la superficie. No es aplicable a materiales no magnéticos.

La inspección por partículas magnéticas puede realizarse en diversas formas. La pieza que va a inspeccionarse puede magnetizarse y luego cubrirse con finas partículas (polvo de hierro); esto se conoce como método residual. O bien, la magnetización y aplicación de las partículas puede hacerse simultáneamente lo cual se conoce como método continuo. Las partículas magnéticas pueden mantenerse en suspensión en un liquido que se vierte sobre la pieza, o la pieza puede sumergirse en la suspensión (método húmedo). En algunas aplicaciones, las partículas, en forma de polvo fino, se esparcen sobre la superficie de la pieza de trabajo (método seco). La presencia de una discontinuidad se revela por la formación y adherencia de un arreglo característico de las partículas sobre la discontinuidad en la superficie de la pieza de trabajo. Este arreglo recibe el nombre de indicación y adquiere la forma aproximada de la proyección superficial de la discontinuidad. El método Magnaglo, ideado por la Magnaflux Corporation, es una variante de la prueba Magnaflux. La suspensión vertida sobre la pieza de trabajo magnetizada contiene partículas magnéticas fluorescentes. Entonces, la pieza de trabajo se observa bajo luz negra, con lo cual las indicaciones destacan mas claramente.

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Fig. 1.31 Principio de la prueba Magnaflux Cuando las discontinuidades esta abierta a la superficie, el campo magnético e fuga hacia la superficie y forma pequeños polos norte y sur que atraen a las partículas magnéticas. Cuando pequeñas discontinuidades están bajo la superficie, alguna parte del campo aun podría desviarse a la superficie, pero la fuga es menor y se atraen menos partículas, con lo que la indicación obtenida es mucho mas débil. Si la discontinuidad esta muy lejos por debajo de la superficie no habrá ninguna fuga del campo magnético y, en consecuencia, no se obtendrá ninguna indicación. Es necesario emplear apropiadamente métodos de magnetización, para asegurar que el campo magnético formado este perpendicular a la discontinuidad y lograr la indicación mas clara. Como se muestra en la figura 1.32, para obtener una magnetización longitudinal, el campo magnético puede producirse en una dirección paralela a lo largo del eje mayor de la pieza de trabajo colocando la pieza en una bobina excitada por una corriente eléctrica , de modo que el eje mas largo de la pieza este paralelo al eje de la bobina. Entonces

la parte metálica se convierte en el núcleo de un electroimán y se magnetiza por inducción del campo magnético creado por la bobina. Cuando se tienen partes muy largas, se magnetizan parcialmente, moviendo la bobina a lo largo de la longitud de la pieza. En el caso de magnetización circular, también mostrada en la figura 1.32, fácilmente se produce un campo magnético transversal al eje mayor de la pieza de trabajo, pasando la corriente de magnetización a través de la pieza y recorriendo todo lo largo de su eje. La corriente directa, la corriente alterna y la corriente rectificada se emplean con fines de magnetización. La corriente directa es mas sensible que la alterna para detectar discontinuidades no abiertas a la superficie. La corriente alterna detectara discontinuidades abiertas a la superficie y se emplea cuando la detección este tipo de discontinuidad es el único fin de la prueba. Cuando la corriente alterna esta rectificada, proporciona un campo magnético mas penetrante. La sensibilidad del método de inspección por partículas magnéticas se ve afectada por muchos factores, incluyendo la concentración de la suspensión indicadora, el tiempo de contacto de la suspensión con la pieza, el tiempo permitido para que se formen las indicaciones, el tiempo que se mantiene activa la corriente magnetización y la intensidad de la corriente de magnetización. La figura 1.33 muestra algunos ejemplos de fisuras detectables por Magnaflux o Magnaglo.

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Fig. 1.32 Ilustración de dos clases de magnetización a)Magnetización longitudinal b) magnetización circular Todas las partes compuestas de la maquina que han sido magnetizadas para si inspección deben someterse a un proceso de desmagnetización. Si estas partes se ponen en servicio sin desmagnetización, atraerán limaduras, polvos metálicos, rebabas y otras partículas de acero que pueden rayar y por tanto dañar, los cojinetes y otras piezas de la maquina. La detección de partes que no han sido desmagnetizadas se logra, por lo general, manteniendo una brújula en el banco de montaje. 5.4 Inspección por penetración fluorescente (Zyglo) Éste es un método sensible no destructivo con el que se pueden detectar pequeñas discontinuidades como fisuras, contracciones y porosidades que afloren a la

superficie. Aunque este método puede aplicarse tanto a materiales magnéticos como a no magnéticos, se usa principalmente en materiales no magnéticos. Se puede recurrir a varias técnicas penetrantes para revisar cualquier material homogéneo que no sea poroso, como metales, vidrio, plástico y algunos materiales cerámicos. Las partes que van a probarse se tratan primero con un trazador o colorante.* Por lo general, los trazadores son líquidos ligeros, de apariencia aceitosa que se aplican a la prueba por inmersión, rociado o con una brocha, o de alguna otra manera conveniente. El trazador es absorbido dentro de las fisuras y otras discontinuidades por una fuerte acción capilar. Después que el trazador ha tenido tiempo de filtrarse, los residuos restantes sobre la superficie se limpian o se lavan. Esto permite al trazador permanecer en. todas las discontinuidades que afloran a la superficie A continuación, la pieza que se está revisando se trata con un polvo seco o una suspensión de polvo en un líquido. Este polvo o revelador actúa como una esponja que atrae al trazador fuera del defecto y aumenta el tamaño del área de indicación. á fin de que el proceso de inspección sea eficaz, el trazador debe ser observado fácilmente en el polvo revelador. Un método para facilitar la inspección es usar colores contrastantes para el trazador y el revelador. Una combinación muy común es utilizar un revelador blanco y un colorante rojo.

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Fig. 1.34 Pasos principales en el método de inspección por penetrante fluorescente Otro método consiste en usar un trazador fluorescente. La figura 1.34 muestra los pasos principales en la inspección por medio de un trazador fluorescente. Los pasos son exactamente los mismos que los descritos con anterioridad, excepto que el liquido penetrante contiene un material que emite luz visible cuando se expone a una radiación ultravioleta. Las lámparas que emiten luz ultravioleta se llaman lámparas negras, por que la luz visible que podrían emitir normalmente es detenida por un filtro, haciéndola aparecer negra o púrpura oscuro. Cuando la parte que va a ser revisada se observa bajo la luz negra, el defecto aparece como una marca fluorescente que brilla contra un fondo negro. La figura 1.35 muestra el cuerpo de una válvula de acero inoxidable no magnético al ser probado con un trazador fluorescente. La inspección por trazador fluorescente se emplea para localizar fisuras y contracciones en piezas fundidas, fisuras en la fabricación y reesmerilado de herramientas de carbono, fisuras y hoyos en estructuras, soldadas, fisuras en hojas de turbinas de vapor y de gas y

fisuras en aisladores cerámicos para bujías y aplicaciones electrónicas. 5.5 INSPECCION ULTRASONICA Un método muy antiguo es utilizar ondas de sonido para determinar defectos. Si una pieza de metal es golpeada con un martillo, producirá ciertas notas audibles, las cuales pueden alterar la resonancia y tono por la presencia de imperfecciones internas. Sin embargo, esta técnica de golpear con un martillo y escuchar el sonido correspondiente es útil solo par detectar grandes defectos. Un método más depurado consiste en utilizar ondas de sonido fuera de intervalo auditivo, con una frecuencia de 1 a 5 millones de Hz (ciclos por segundos) de aquí el término ultrasónico. El método ultrasónico es una prueba no destructiva, confiable y rápida que emplea ondas sonoras de alta frecuencia producidas electrónicamente que penetraran metales, líquidos y muchos materiales a velocidades de varios pies por segundos. Las ondas ultrasónicas para ensayos no destructivos generalmente las producen materiales piezoeléctricos, los cuales sufren un cambio de dimensión física cuando se someten a un campo eléctrico. Esta conversión de energía eléctrica a energía mecánica se conoce como efecto piezoeléctrico. Si se aplica un campo eléctrico alterno a un cristal piezoeléctrico, el cristal se expandera durante la primera mitad del ciclo y se contraera cuando el campo eléctrico se invierta.

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Cédula profesional: 1057705 Al variar la frecuencia del campo eléctrico alterno, se puede variar la frecuencia de vibración mecánica (onda sonora) producida en el cristal. El cuarzo es un transductor es un dispositivo que convierte una energía a otra. La figura 1.36 muestra dos métodos de prueba ultrasónicos comunes en el transmisor continua y el eco-pulsos. El primero utiliza un transductor en cada lado del objeto que se va a revisarse. Si al cristal transmisor se le aplica un pulso eléctrico de la frecuencia deseada, las ondas ultrasónicas producidas se desplazarán a través de la muestra hasta el otro lado. El transductor de recepción situado en el lado opuesto recibe las vibraciones y las convierte en una señal eléctrica que se puede amplificar y observar en el tubo de rayos catódicos de un osciloscopio, un medidor o algún otro indicador. Si una onda ultrasónica viaja a través de la muestra sin encontrar ninguna imperfección, la señal recibida será relativamente grande. Si hay imperfecciones en la trayectoria de la onda ultrasónica, parte de la energía se reflejara y la señal que recibirá el transductor de recepción se reducirá.

El método de eco-pulso utiliza solo un transductor que sirve como transmisor y como receptor. La grafica de un osciloscopio cuando se utiliza un método de eco-pulso seria semejante a la de la figura 1.37. Conforme la onda sonora penetra en el material sometido a prueba, parte de ella se refleja de vuelta al cristal, donde se convierte a un impulso eléctrico. Este impulso se amplia y se hace visible, apareciendo como una indicación o señal sobre la pantalla del osciloscopio. Cuando la onda sonora alcanza el otro lado del material, se refleja el regreso al cristal y se ve como otra señal sobre la pantalla hacia la derecha de la primera señal. Si hay imperfecciones entre las superficies frontal y posterior del material, se delatara sobre la pantalla como una tercera las dos indicaciones correspondientes a las superficies frontal y posterior. Como las indiaciones en la pantalla del osciloscopi miden en tiempo transcurrido entre la reflexión del puso desde las superficies frontal y posterior, la distancia entre indicaciones es una medida del espesor del material. Por tanto, la localización de un defecto puede determinarse con exactitud por la indicación que aparece sobre la pantalla.

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Cédula profesional: 1057705 5.6 INSPECCION POR CORRIENTES PARASITAS Las técnicas por corrientes parásitas se utilizan para inspeccionar eléctricamente materiales conductores en busca de defectos, irregularidades en estructura y variaciones en composición . En la prueba por corrientes parásitas, si una fuente de corriente alterna se conecta una bobina se produce un campo magnético variable. Cuando este campo se coloca cerca de una muestra a prueba , capaz de conducir una corriente eléctrica , inducirán en la muestra corrientes parásitas . A su vez, estas corrientes producirán un campo magnético propio. La unidad de detección medirá este nuevo campo magnético y convertirá la señal en un voltaje que puede leerse en un medidor o en un tubo de rayos catódicos. Propiedades como la dureza , la composición de la aleación , la pureza química y la condición de tratamiento térmico influyen en el campo magnético y se puede medir directamente con el uso de una sola bobina . Un empleo importante que se da a la prueba por corrientes parásitas es la inspección de materiales para detectar posibles variaciones con el tratamiento térmico o con posibles derivaciones en la composición química . Esta aplicación requiere el uso de 2 bobinas . Una pieza estándar se coloca en una bobina y la pieza a prueba en la otra bobina . La aceptación o rechazo de la pieza a prueba puede determinarse comparando las graficas de las dos piezas , que aparecen sobre la pantalla del osciloscopio .

La prueba por corrientes parásitas puede emplearse para detectar defectos superficiales y subsuperficiales, espesor de placas o tubos y espesor de capas

En general, las superficies uniformes y lisas, son más apropiadas para la prueba de pulso de mayor frecuencia; por tanto, permiten detectar defectos más pequeños. La transmisión adecuadade la onda últrasonica tiene gran influencia en la confiabilidad de los resultados de la prueba.. para partes de mayor tamaño, una pelicula de aceite asegurará un contacto adecuado entre la unidad de cristal de busqueda y la pieza apueba. Las partes más pequeñas pueden colocarse en un tanque conagua, aceiteo glicerina. La uniad de cristal de busqueda transmite ondas sonoras a través del medio y penetrarán en el material que se examina.un estrecho examen de la pantalla del osciloscopio de esta gráfica permitirá ver la presencia de tres señales. La señal de la izquierda indica el frente de la pieza, la de la derecha la parte posterior de la pieza y la señal más pequeña del centro indica una imperfección.

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Cédula profesional: 1057705 La inspección ultrasonica se utiliza para detectar y localizar defectos como cavidades de contracción, (rechupes), vaciós o fisuras internas, porosidad y grandes inclusiones no metálicas. El espesor de pared se puede medir en recipientes cerrados o en casos en que tal medición no puede hacerse de otra manera.

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD VI. ANALISIS Y PREVENCIÓN DE FALLAS OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD. AI término de este curso el alumno relacionara la falla o deterioro ocurrida en un material, con la estructura propiedades y la manera en que fue procesado el material. Analizara y identificara los diferentes tipos de fractura, así como las causas que lo provocaron y establecerá alternativas de soluciones para la prevención de fallas. TEMAS: 6.1.OBSERVACIONES INICIALES_______________________________101 6.1.1. Definiciones 6.1.2. Tipos de fracturas 6.1.3. Selección, prevención y limpieza de muestra 6.2.DATOS INFORMATIVOS DE LAS CAUSAS DE LA FALLA_________106 6.2.1. Defectos por diseño 6.2.2. Defectos en proceso de fabricación o de manufacturación 6.2.3 Daños durante la operación 6.3 E STUDIO DE LABORATORIO_______________________________109 6.3.1 Resultados de ensayo no destructivos 6.3.2. Resultados de ensayos destructivos 6.4. SINTESIS DEL ESTUDIO DE LA FALLA_______________________110 6.4.1. Análisis experimentales de esfuerzos 6.4.2. Análisis de datos y resultados 6.4 3 Prevención de fallas (modelos, simulaciones, etc.) 6.4.4. Condiciones de garantía

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Cédula profesional: 1057705 UNIDAD VI

ANÁLISIS Y PREVENCIÓN DE FALLAS. 6.1 OBSERVACIONES INICIALES 6.1.1 Definición. Fractura. La fractura es la separación de un sólido bajo tensión en dos o más piezas, en general la fractura metálica puede clasificarse en dúctil y frágil, pero puede ser una mezcla de las dos. La fractura dúctil de un metal ocurre después de una intensa deformación plástica y se caracteriza por una lenta propagación de la grieta, la fractura frágil en contraste usualmente se produce a lo largo de planos cristalograficos característicos denominados planos de fractura y tiene una rápida propagación de la grieta. Fractura. El final de la curva esfuerzo - deformación indica fractura, esta pudo estar precedida o no por alguna deformación plástica. Así nos referimos a fractura dúctil y fractura frágil y hablaremos de tenacidad como una medida de la cantidad de elongación y reducción en área o en energía de impacto, estas pueden determinarse cuantitativamente Fractura. Es la separación de un cuerpo sujeto a un esfuerzo, en dos o más partes, la fractura se clasifica en frágil y dúctil la fractura generalmente comprende la rápida propagación de una grieta con el mínimo de absorción de energía y de deformación plástica, en los

monocristales la superficie de fractura frágil muestra una apariencia granular, debida a los cambios en orientación de los planos de cibaje de un grano a otro. Al igual que con la deformación plástica, la diferencia entre la resistencia a la fractura teórica y la resistencia a la fractura real se debe a irregularidades estructurales, las fibras de vidrio recién estiradas tiene resistencias próximas a los valores teóricos, pero cualquier cosa que pueda causar irregularidades superficiales, como mellas o grietas, las debilita. Posiblemente existan microgrietas en el metal, debido a las condiciones previas de solidificación o trabajo, sin embargo aun un material inicialmente ileso puede desarrollar grietas en una escala atómica.Como se muestra en la figura el apilamiento de dislocaciones en una barra que puede ser una frontera de grano o una partícula incluida, podría resultar en una microgrieta, otro método seria el que tres dislocaciones unitarias se combinen en una sola dislocación, de la explicación anterior, es evidente que cualquier método que aumente la movilidad de las dislocaciones tendera a reducir la posibilidad de fractura frágil. La fractura dúctil ocurre después de una considerable deformación plástica previa a la falla , la falla de la mayoría de los materiales dúctiles policristalinos ocurre con una fractura copa y cono , la fractura empieza con la formación de cavidades en el centro de la región en forma de cuello , en la mayoría de los metales comerciales , estas cavidades

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Cédula profesional: 1057705 internas probablemente se forman alrededor de inclusiones no metálicas , esta creencia se sostiene por el hecho que los metales extremadamente puros son mucho mas dúctiles que los de pureza un poco menor , bajo un esfuerzo aplicado continuo , las cavidades se unen para formar una grieta en el centro de la probeta , la grieta avanza hacia la superficie de la probeta en una dirección perpendicular al esfuerzo aplicado , la culminación de la fractura ocurre rápidamente a lo largo de una Superficie que hace un ángulo de aproximadamente 45º con el eje tensil, la etapa final deja un labio circular sobre la mitad de la muestra y un bisel sobre la superficie de la otra mitad, de este modo una mitad de la muestra tiene la apariencia de una copa poco profunda y la otra mitad se asemeja a un cono con la parte superior aplanada que da lugar al termino fractura copa y cono. 6.1.2 Tipos de fractura. Fractura dúctil. La fractura dúctil de un metal ocurre bajo una intensa deformación plástica, por simplicidad consideremos la fractura dúctil de una barra redonda (0.50 pulg de diámetro) si se aplica una tensión a la muestra que exceda de su tensión máxima de fractura y se mantiene suficiente tiempo, la muestra pudiera fracturarse. Pueden reconocerse tres estados distintos en la fractura dúctil (1) la muestra forma un cuello y se forman cavidades dentro de la región de estrangulamiento. (2) las cavidades en el cuello se fusionan en una grieta en el centro de la muestra y se propaga hacia la

superficie de la muestra en una dirección perpendicular a la tensión aplicada. (3) cuando la grieta se acerca a la superficie, la dirección de la grieta cambia respecto del eje de tensión y resulta una fractura de cono y embudo, en las figuras se muestran grietas internas dentro de la región de estrangulamiento de una muestra deformada de cobre de alta pureza. Fractura frágil. Muchos metales y aleaciones fracturan de una forma frágil con muy poca deformación plástica. La fractura frágil usualmente se produce a lo largo de planos cristalograficos específicos denominados planos de fractura bajo una tensión normal al plano de fractura, muchos metales con estructura cristalina HCP comúnmente muestran fractura frágil debido a sus números limitados de planos de deslizamiento, un monocristal de zinc, por ejemplo, bajo una alta tensión normal a los planos (0001) fracturaran de forma frágil, muchos metales BCC como el hierro Y el molibdeno así como el tungsteno también fracturan de forma frágil a bajas temperaturas y grandes deformaciones. La mayoría de las fracturas frágiles en los metales policristalinos son trasgranulares es decir, la grieta se propaga a través de la matriz de los granos, sin embargo la fractura frágil puede ocurrir de forma intergranular si los limites de grano contiene una lamina frágil o si la región del limite de grano se ha vuelto frágil por la segregación de elementos perjudiciales.

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Cédula profesional: 1057705 Se cree que la fractura frágil en los metales tiene lugar en tres estados: 1.- La deformación plástica concentra las dislocaciones a lo largo de los planos de deslizamiento en obstáculos. 2.- La tensión de cizalla se acumula en lugares donde las dislocaciones se bloquean y como resultado sé nuclean microgrietas. 3.- Una posterior tensión propaga las microgrietas y la energía de deformación elástica almacenada puede contribuir a la propagación de las grietas. Temperaturas de transición. Muchos materiales presentan una transición frágil –dúctil y tienen una temperatura característica para el cambio, a bajas temperaturas se puede propagar una grieta antes de que ocurra deformación plástica ósea que el material absorbe poca energía. a temperaturas superiores el agrietamiento es precedido de una deformación que absorbe energía , esta discontinuidad en la absorción de energía es particularmente característica de metales con estructura cl , por lo tanto el diseñador deberá estar alerta al comportamiento de los aceros a bajas temperaturas . La temperatura de transición varia de velocidad con carga así un acero deformado lentamente puede fallar en forma dúctil mientras que fallaría en una forma frágil al impacto, debido a que no hay oportunidad para que ocurra deformación plástica, en los datos de la figura son pruebas de impacto, estos datos son para muestras de geometría normalizada, ya que también se encuentra que los

requerimientos de energía dependen de la distribución tridimensional de los esfuerzos en las vecindades de las grietas, a pesar de que la temperatura de transición exacta varia con la geometría al diseñar un barco que se va utilizar en las invernales aguas del Atlántico del norte, los arquitectos navales preferirían el acero No.2 de la siguiente gráfica en lugar del acero de la primera gráfica de otra manera, una vez iniciada una grieta, se Podría propagar continuamente hasta emerger al otro lado del barco, ha habido cierto numero de infortunadas catástrofes que sucedieron antes de que el metalurgista encontrara que los aceros de grano fino tienen una temperatura de transición menor que los aceros de grano grueso. 6.1.3 Selección , prevención y limpieza de muestras Fatiga existe muchos ejemplos de fallas eventuales de flechas sujetas a rotación en turbinas y otros equipos mecánicos, los cuales inicialmente habían trabajado de manera satisfactoria por periodos largos de tiempo, en la figura se muestra la fractura. Los esfuerzos que un material puede tolerar bajo carga cíclica son mucho menores que los soportados bajo carga estática, la resistencia a la tensión solo pueden utilizarse como una guía en el diseño de estructuras que estarán en servicio bajo cargas estáticas el numero de ciclos N que soportara un metal decrece al incrementar el esfuerzo E, la figura es una curva E-N típica para fracturar por fatiga, al diseñar para un numero ilimitado de cargas

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Cédula profesional: 1057705 cíclicas, es necesario restringir los esfuerzos a valores menores que los del limite de duración de esta curva. La figura muestra tres ejemplos de cargas cíclicas, los ejes de un tren están sujetos a ciclos sinuosidades, el rotor de un generador que se utiliza como u7nidad de máximos para entender las demandas pico de electricidad, es un ejemplo en el que se presentan ciclos lentos, este se arranca y se para hasta 1000 veces por año, introduciendo cada vez un ciclo de esfuerzo en la base del rotor y del árbol en la misma forma en el fuselaje de un avión se imponen esfuerzos durante la presuricen posterior a cada despegue, los cuales se eliminan al aterrizar.. Las grietas por fatiga siempre comienzan en la superficie donde (1)el doblamiento o la torsión causa los esfuerzos máximos y (2) las irregularidades de la superficie introducen concentraciones de esfuerzos como resultado el limite de duración es muy sensible al acabado superficial. Un examen cuidadoso de los pasos de iniciales en el desarrollo de las grietas, muestra que ocurre deslizamiento microscópico e irreversible dentro de los granos individuales, hay una reducción gradual de la ductilidad en las regiones de estos planos de deslizamiento, causando la formación de grietas microscópicas, esto puede pasar después de tan solo 10% o 20 % de la fatiga total, las grietas progresan con lentitud en los siguientes ciclos, finalmente habrán reducido el área de la sección

transversal lo suficientemente como para producir falla catastrófica. Cualquier factor en el diseño capaz de producir concentración de esfuerzos puede llevar a una falla prematura, en la figura se ve el acabado superficial es importante, las perforaciones o cualquier tipo de muescas son también criticas finalmente en el diseño se recomienda el uso generoso de recubrimientos. Deslizamiento contra maclaje. El deslizamiento y el maclaje difieren en: 1.- La cantidad de movimiento. En el deslizamiento, los atamos se mueven un numero entero de esparcimientos interatomicos , en tanto que en el maclaje los átomos se mueven cantidades fraccionarias , dependiendo de su distancia desde el plano de maclaje. 2.-La apariencia microscópica. El deslizamiento aparece como líneas delgadas, en tanto que el maclaje aparece como líneas o bandas anchas. 3.-La orientación. En el deslizamiento hay muy poco cambio en la orientación reticular y los escalones por pulido superficial no destruirá la evidencia del maclado , adecuadas soluciones de ataque , sensibles a las diferencias en orientación , revelan la región maclada. Deslizamiento, maclaje y fractura. La cantidad de deformación que puede ocurrir antes de la fractura esta determinada por los valores relativos de los esfuerzos necesarios para

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Cédula profesional: 1057705 deslizamiento, maclaje y clivaje , hay un valor critico de la componente del esfuerzo cortante para que se inicie el deslizamiento , valor que aumenta para las aleaciones y que disminuye con la temperatura y por deformaciones previas , así mismo hay un valor critico de la componente del esfuerzo cortante para que tenga lugar el maclaje , valor que depende de las deformaciones previas . También hay un esfuerzo critico normal para iniciar el clivaje , sobre un plano en particular no sensible a la deformación ni a la temperatura previas . Cuando se aplica un esfuerzo a un cristal el proceso que tiene lugar depende del esfuerzo critico excedido primero, si lo primero es alcanzarse es el esfuerzo critico de corte resuelto necesario para iniciar el deslizamiento o maclaje el cristal se deslizara o maclara y mostrara alguna ductilidad, sin embargo si ele esfuerzo critico normal se alcanza primero, el cristal se clivara a lo largo del plano característico con poca o ninguna deformación plástica. Material policristalino. El material comercial esta siempre formado de granos policristalinos esta sujeto a esfuerzos, el deslizamiento se halla más favorable situado respecto al esfuerzo aplicado, como se debe mantener el contacto en las fronteras de grano, podría necesitarse la acción de mas de un sistema de deslizamiento. La rotación hacia el eje de la tensión coloca otros granos, al principio menos favorablemente orientados, en una posición donde se pueden deformar, conforme avanzan la deformación y la

rotación, cada grano tiende a alargarse en la dirección de flujo. Después de cierta cantidad de deformación la mayoría de los granos tendrán un plano cristalino en particular en la dirección de deformación, el material muestra ahora una orientación preferente, lo que resulta en propiedades un poco distintas dependiendo de la dirección de medición. Un metal de grano fino es el que los granos están orientados al azar poseerá propiedades idénticas en todas direcciones, pero un metal con orientación de granos preferentemente tendrá propiedades direccionales, esto podrá significar algún problema, por ejemplo en el proceso de estiramiento de laminas metálicas la orientación preferente es también de primordial importancia en la manufactura de acero para instrumentos eléctricos ya que las propiedades magnéticas serán diferentes dependiendo de la dirección en que se use , si la deformación es severa , los granos pueden fragmentarse o quebrarse. No todo el trabajo hecho en la deformación se disipa en forma de calor, mas bien parte de el es almacenando en el cristal con un incremento en energía interna. Como los ejes de granos adyacentes en el cristal están orientados al azar, los planos de deslizamiento y los de maclaje deben de cambiar de dirección de grano en grano, esto significa que se realiza mas trabajo en las fronteras de grano y que existirá mas energía interna en esos puntos.

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Cédula profesional: 1057705 La figura muestra la microestructura de latón policristalino después de ser deformado ligeramente en un tornillo de banco. Nótese que las delgadas líneas de deslizamiento paralelas cambian de dirección en las fronteras de grano, el grano en la porción inferior de la fotografía es interesante ya que ilustra un deslizamiento y maclaje en el mismo grano, las líneas de deslizamiento que corren verticalmente y a la derecha se hacen horizontales cuando cruzan la banda de maclaje y luego recuperan su dirección original del otro lado. Como las líneas de deslizamiento tienen la misma dirección en cualquier lado de la banda de maclaje , esto significa que la deformación ocurre en el mismo grano. Cuando un cristal se deforma hay alguna distorsión de la estructura reticular la deformación es mayor a , esto se manifiesta con un incremento en resistencia para una deformación posterior . El material sufre endurecimiento por deformación o endurecimiento por trabajo, uno de los aspectos notorios de las deformación plástica es que el esfuerzo necesario para iniciar el deslizamiento es menor que el requerido para continuar la deformación en planos subsecuentes, independientemente de la deformación de la estructura reticular, apilamiento de dislocaciones en los planos de deslizamiento que se cortan incrementan la resistencia a ulterior deformación. En realidad los cristales suelen contener redes complejas de líneas de dislocación interconectadas , al igual que otros defectos e impurezas en la red cristalina , cuando las

dislocaciones se empiezan a mover sus extremos permanecen ligados a otras partes de la red o otros defectos , debido a que los extremos están anclados , los planos de deslizamiento activos nunca pueden liberarse de sus dislocaciones de deslizamiento , de hecho las dislocaciones en el plano se multiplican cuando el plano se desliza. Como la facilidad con que una dislocación se mueve de un plano a otro del plano de deslizamiento es indicación de la ductilidad del material, sugiere que los materiales pueden hacerse mas duros si se colocan varios obstáculos en el camino de las dislocaciones, como las dislocaciones se apilan en las fronteras de grano, los metales pueden de alguna manera ser endurecidos, reduciendo el tamaño de los granos. Una aleación introduce átomos extraños que distorsionan el cristal localmente alrededor de aquellos y estas distorsiones locales ofrecen resistencia al movimiento de una dislocación cercana, si los átomos de la aleación se reúnen en racimos. 6.2 DATOS INFORMATIVOS DE LAS CAUSAS DE LA FALLA. Introducción. Frecuentemente ocurren fallas. El origen de estas fallas se encuentran en un diseño inadecuado, en una mala selección de materiales, un mal procesamiento o en la aplicación inadecuada. Cuando se consideran los muchos millones de piezas metálicas que se fabrican y ponen en servicio, no es raro que algunas fallarán prematuramente.

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Cédula profesional: 1057705 Simplemente, desde el punto estadístico, no es razonable, con la práctica de la ingeniería, no esperar fallas; sin embargo, aunque el número de fallas de una componente dada sea pequeño, son importantes porque pueden afectar el prestigio del fabricante en cuanto a confiabilidad. 6.2.1 Defectos por diseño. as componentes deben ser diseñadas para a) permitir que el material resista al máximo esfuerzo que se espera 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 las cargas menores esperadas. Las fallas por termofluencia, fatiga o esfuerzo-corrosión ocurren bajo esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de fluencia. El diseño del componente debe estar basado en los datos apropiados de termofluencia. Fatiga o esfuerzo-corrosión, no en el esfuerzo de fluencia. Los diseñadores no deben introducir celdas galvánicas cuando las componentes son fabricadas, particularmente partiendo de materiales diferentes. Las concentraciones de esfuerzos producidos por muescas en el diseño, tales como entrantes agudas, deben evitase. Las esquinas muy acentuadas concentran los esfuerzos de modo que las grietas por fatiga o por corrosión puedan nuclear más fácilmente. Fallas debidas a consideraciones de diseño defectuoso o mala aplicación del material:

1. Falla dúctil (exceso de deformación, elástica o plástica y fractura por rasgadura o corte). 2. fractura frágil (debido a imperfecciones o concentración de esfuerzos localizada de intensidad crítica). 3. falla por fatiga (cargas cíclicas, deformación cíclica, calor cíclico, fatiga por corrosión, fatiga pro contacto durante el rodamiento y fatiga por rozamiento). 4. falla pro alta temperatura (fluencia, oxidación, fusión local y deformación). 5. fracturas estáticas demoradas (fragilización por hidrogeno, fragilización cáustica y lento crecimiento de imperfecciones estimuladas por el ambiente). 6. concentraciones de esfuerzos localizadas excesivamente severas, inherentes en el diseño. 7. inadecuado análisis de esfuerzos, o imposibilidad de efectuar un cálculo racional de esfuerzos en una pieza compleja. 8. error al diseñar con base en propiedades estáticas tensiles, en vez de las propiedades significativas del material que miden la resistencia del material a cada posible modo de falla. 6.2.2 Defectos en proceso de fabricación o de manufacturación. Todas las componentes con terminado son en algún momento sometido a algún tipo de procesamiento: moldeo, conformado, maquinado, unión o tratamiento térmico para producir la forma, el tamaño y las propiedades adecuadas. Sin embargo, puede introducirse una gran diversidad de defectos.

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Cédula profesional: 1057705 El ingeniero debe diseñar para compensar estos defectos, o bien detectar su presencia y rechazar el material o corregir la falla. La siguiente figura ilustra algunos defectos típicos que pueden ser introducidos en el material durante el procesamiento. Fallas debidas al procesamiento defectuoso: 1. imperfecciones debidas a composición defectuosa (inclusiones, impurezas que fragilicen la pieza y material equivocado). 2. defectos que se originan durante la manufactura de lingotes y piezas de fundición (segregación, interior defectuoso, porosidad, cavidades centrales por contracción durante la solidificación, e inclusiones no metálicas). 3. defectos debidos al trabajo (dobleces, costuras fisuras internas y discontinuas, grietas por fragilidad, deslaminación y exceso de deformación local). 4. irregularidades y errores debidos al maquinado, esmerilado o estampado (ranuras, quemaduras, rasgaduras, escamas, fisuras y fragilización). 5. defectos debidos a la a la soldadura (porosidad, acanaladuras, fisuras, tensión residual, falta de penetración, presencia de fisuras debajo de los puntos de soldadura y zona afectada por calor). 6. anormalidades debidas al tratamiento térmico (sobrecalentamiento, quemadura, presencia de fisuras por templado, crecimiento de grano, excesiva austenita retenida, descarburazación y precipitación). 7. imperfecciones debidas al endurecimiento superficial (carburos

intergranulares, núcleo suave y ciclos térmicos erróneos). 8. defectos debidos a los tratamientos superficiales (limpiado, electrodepositado, revestido, difusión química y fragilización por hidrogeno). 9. ensamble descuidado (mal acoplamiento de las piezas de acoplamiento, polvo o abrasivo atrapado, esfuerzo residual, ranuras o daño de piezas y causas semejantes). 10. fallas en la línea de separación en el forjado debido a deficientes propiedades transversales. 6.2.3 Daños durante la operación. En el comportamiento de un material influyen las condiciones de servicio, incluye el tipo de carga, el medio ambiente y la temperatura a la que esta expuesto. Otro origen de fallas es el uso inapropiado del material en servicio. Esto incluye la sobrecarga del material, por ejemplo, usar una cadena para levantar un tanque cuyo peso excede la capacidad de carga de la cadena. Un mantenimiento inadecuado, como la lubricación deficiente de las partes móviles, pueden conducir a un desgaste adhesivo, a un sobrecalentamiento y a la oxidación. En caso de sobrecalentamiento, la microestructura cambia y decrece la resistencia a la ductibilidad del metal. Fallas debidas al deterioro durante las condiciones de servicio: 1. condiciones de aplicación de cargas excesivas o imprevistas. 2. desgaste (erosión, daño superficial por fricción, aferramiento, rasuración y cavitación). 3. corrosión (incluyendo ataque químico, esfuerzo por corrosión,

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Cédula profesional: 1057705 fatiga por corrosión, deszincificación, grafitización de hierro fundido y contaminación por la atmósfera). 4. mantenimiento inadecuado o mal dirigido o reparación impropia (soldadura, esmerilado, agujeros por horadación con punzón, enderezamiento en frío, etc.). 5. desintegración debida a ataque químico o ataque por metales líquidos o electrodepositación a temperaturas elevadas. 6. daño por radiación (algunas veces se debe descontaminar para examinarse, lo cual puede destruir alguna evidencia vital de la causa de la falla), varia con el tiempo, la temperatura, el ambiente y la dosificación. 7. condiciones accidentales (temperaturas anormales de operación, vibración severa, vibraciones sónicas, colisiones por impacto o imprevistas, desgaste, choque térmico, etc.). 6.3 ESTUDIO DE LABORATORIO. 6.3.1 Resultados De Ensayos No Destructivos. Una prueba no destructiva es el examen de un objeto efectuado en cualquier forma que no impida su utilidad futura. Son muy valiosas para localizar defectos en los materiales que podrían afectar el funcionamiento de una pieza de una máquina cuando entra en servicio. Aunque hay en uso una gran variedad de pruebas no destructivas garantizadas, en esta sección solo se estudiarán los métodos más comunes y un método recientemente ideado. Los métodos de pruebas o

inspecciones no destructivas más comunes son: 1) Radiografía. Una radiografía es una fotografía sombreada de un material más o menos transparente a la radiación. Los rayos X oscurecen la película, de modo que las regiones de menor densidad que permiten fácilmente la penetración de éstos aparecen oscuras en el negativo, comparadas con las regiones de mayor densidad que absorben más radiación. De este modo, un orificio o una fractura aparecen como un área más oscura. 2) Inspección por partículas magnéticas. Este es un método para detectar la presencia de fisuras, recubrimientos, rasgones, inclusiones y discontinuidades semejantes en materiales ferromagnéticos como el hierro y el acero. El método detectara discontinuidades de la superficie demasiado finas para apreciarse a simple vista y también detectará discontinuidades por debajo de la superficie. No es aplicable a materiales no magnéticos. 3) Inspección por penetración fluorescente. Este es un método sensible no destructivo con el que se pueden detectar pequeñas discontinuidades como fisuras, contracciones y porosidades que afloren a la superficie. Aunque este método puede aplicarse tanto a materiales magnéticos como a no magnéticos, se usa principalmente en materiales no magnéticos.

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Cédula profesional: 1057705 Se puede recurrir a varias técnicas penetrantes para revisar cualquier material homogéneo que no sea poroso, como metales, vidrios, plásticos y algunos materiales cerámicos. 4) Inspección ultrasónica. Un método muy antiguo es utilizar ondas de sonido para determinar defectos. Si una pieza de metal es golpeada con un martillo, producirá ciertas notas audibles, las cuales pueden alterarse en resonancia y tono por la presencia de imperfecciones internas. Sin embargo, esta técnica de golpear con un martillo y escuchar el sonido correspondiente es útil solo para detectar grandes defectos. 5) Inspección por corrientes eléctricas parásitas. Se utilizan para inspeccionar eléctricamente materiales conductores en busca de defectos, irregularidades en estructura y variaciones en composición. 6.3.2. Resultado De Ensayos Destructivos. Se usan pruebas especiales para determinar las propiedades del producto final. Por ejemplo, los fabricantes de cadenas prueban su producto rutinariamente hasta la ruptura para determinar si la cadena puede soportar la carga prevista. De esta manera puede manifestarse la efectividad del proceso de manufactura.

1) prueba de tensión. Es realizada más frecuentemente para determinar ciertas propiedades mecánicas. Una muestra o probeta preparada específicamente se coloca en las cabezas de la máquina de prueba y se somete a una carga axial por medio de un sistema de carga de palanca, mecánico o hidráulico. 2) prueba de impacto. Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el área bajo el diagrama esfuerzo-deformación, la prueba de impacto indicará la tenacidad relativa. Se utilizan muestras tipo muescas. 3) Prueba de fatiga. Esta prueba es de tipo dinámico que determina el comportamiento relativo de los materiales cuando se les somete a cargas repetidas o fluctuantes. Procura simular las condiciones de esfuerzo desarrolladas en las partes de una máquina por la vibración que producen las cargas cíclicas. La magnitud del esfuerzo puede establecerse con la máquina y el tipo de esfuerzo. 6.4 SÍNTESIS DEL ESTUDIO DE LA FALLA. 6.4.1 Análisis Experimentales De Esfuerzos Esfuerzo La solución a los problemas de fallas resultantes de piezas sometidas a sobreesfuerzos depende de la determinación de dos factores:

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Cédula profesional: 1057705 El esfuerzo sobre la pieza y la resistencia requerida para soportar ese esfuerzo. Dependiendo el tipo de carga y la geometría de la pieza, puede haber esfuerzo simple axial o un sistema complejo de esfuerzos multiaxiales. El esfuerzo total puede incluir esfuerzos internos residuales originados en la fabricación o tratamiento térmico, así como esfuerzos debidos a cargas externas. Los esfuerzos básicos en una pieza son los normales (aquellos que son perpendiculares al plano de la sección transversal) y los de corte ( aquellos que están en el plano de la sección transversal). Los primeros tienden a producir separación en tanto que los segundos tienden a producir flujo plástico. Se destaco que el máximo esfuerzo cortante se presenta en un ángulo de 45° respecto al esfuerzo tensil que lo inicia. Cuando una pieza esta sometida, se presentara la cedencia cuando el esfuerzo cortante sea mayor que la resistencia a la cedencia por corte; las fracturas dúctiles o de corte se presentaran cuando la resistencia de corte sea vencida por el esfuerzo cortante; y las fracturas frágiles se presentaran cuando la resistencia tensil (cohesiva) sea excedida por el esfuerzo tensil. Los esfuerzos significativos se deben considerar cuando se investiga el modo especifico de falla; por ejemplo, si la falla se debe a una fractura por fatiga en la raíz de un diente de un engrane, el esfuerzo significativo seria el esfuerzo repetido de flexión en ese lugar. El esfuerzo de contacto que actúa sobre la cara del engrane no seria significativo en este caso.

Para una falla por formación de agujeros en la superficie o de tipo desgaste del diente del engrane, lo contrario seria cierto. Tipos de aplicación de cargas En muchos casos, el tipo de carga es un factor que contribuye a la falla. Hay esencialmente 5 tipos de cargas: axial, deflexión, torsional, corte directo y contacto. En la aplicación de carga axial, la carga se aplica coincidente con la línea central de la pieza y el esfuerzo es uniforme a través de la sección transversal, como en las barras de ensayo tensiles y cables de soporte. La aplicación de las cargas por flexión se produce por partes de fuerzas coincidentes con la línea central. A través de la sección transversal, el esfuerzo varia desde un máximo en las fibras mas exteriores hasta cero en el eje neutral, como en vigas y la raíz de los dientes del engrane. La aplicación de carga torsional implica la aplicación de un par de fuerzas en un plano normal a la línea centra. El esfuerzo cortante varia desde un máximo a la superficie hasta cero en el eje neutral. Algunos ejemplos de piezas sometidas a cargas aplicadas de corte actual sobre planos paralelos estrechamente espaciados y tiende a mover parte del material respecto al resto, similar a una acción de corte, como en remaches y tornillos. La distribución de esfuerzo cortante es uniforme a través de la sección transversal. Las cargas aplicadas por contacto son comprensivas perpendiculares a dos superficies, combinadas con fuerzas de deslizamiento entre la superficies. La distribución de esfuerzos varía con la profundidad y dirección de la fuerza.

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Cédula profesional: 1057705 Algunos ejemplo de aplicación de cargas por contacto son los cojinetes de rodillos y los dientes de engrane. Todos estos tipos de carga inducen esfuerzos normales y de corte, los cuales deben ser balanceados por la resistencia cohesiva y de corte del material. Es posible que haya fracturas por sobre carga cuando la carga aplicada alcance valores excesivos. Fracturas por fatiga. Las fallas por fatiga son los tipos mas comunes de fractura de maquinas y probablemente constituye el 90% de toda las fracturas. Tales fracturas se desarrollan después de un gran número de aplicaciones de carga, generalmente a un nivel de esfuerzos inferior a la resistencia de cedencia del material. Los esfuerzos por fatiga se desarrollan en tres formas principales: El diagrama superior revela el patrón de esfuerzo bajo la aplicación de una carga invertida, típica de un eje que rota bajo la aplicación de una carga de combado, donde se alterna los esfuerzos de tensión, de compresión o cortante de la misma magnitud. El diagrama de en medio ejemplifica la variación de esfuerzos bajo la aplicación de una carga unidireccional, donde la carga varia desde cero hasta un máximo ya sea en tensión, comprensión o corte, típica de un punzón o los dientes de un engrane.

Las fracturas por fatiga se inician por los esfuerzos cortantes mediante un mecanismo que implica deslizamiento y endurecimiento por trabajo, formando eventualmente discontinuidades microscópicas que se desarrollan en fisuras. Una vez que se forma una fisura, su rapidez de crecimiento depende de la magnitud de esfuerzo del gradiente esfuerzo el límite de resistencia de materia, de la sensibilidad de muesca y de la presencia o ausencia e imperfecciones e inclusiones estructurales. Efecto de las concentraciones localizadas de esfuerzos. Empieza de maquinaria estructurales, los mayores esfuerzos se presentan mas a menudo en filetes, agujeros e irregulares geométricas similares que concentra e incrementa el esfuerzo superficial. Estos se llaman concentraciones localizadas de esfuerzos. La mayoría de las concentraciones localizadas de esfuerzos quedan incluidas en uno de los siguientes grupos: Aquellas producidas por cambios en la geometría de una pieza, como agujeros, cajas de cuña, roscas, escalones a cambio de diámetro en ejes y cabezas de tornillos, etc. Discontinuidades de la superficie, como muescas, ralladuras, marcas de maquinado, formación de agujeros, corrosión, etc. Defectos inherentes en el material, como inclusiones no metálicas fisuras pequeñisimas, huecos, etc.

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Cédula profesional: 1057705 La concentraciones de esfuerzos primarios son generalmente de grupo, aunque las del segundo y tercer grupo pueden desempeñar papeles relacionados secundarios. Aun marcas ordinarias de herramienta actúan como muescas que tienen a concentrar esfuerzos, sobre todo la raíz de la muesca. Son especialmente dañinas cuando ocurre en una sección de discontinuidades, como filetes. Bajo la aplicación de una carga estática, el metal sometido a un gran esfuerzo cede plásticamente en la raíz de una muesca o en la orilla de un agujero, pasando así los esfuerzos altos a otras secciones hasta que ocurre la fractura; sin embargo, bajo fatiga o cargas repetidas, en que el esfuerzo es inferior al limite elástico, la cedencia se localiza mejor y una fisura puede empezar antes de que el patrón de esfuerzo cambie para eliminar la concentración de esfuerzos. En piezas giratorias de maquinas, el área final de ruptura no esta directamente opuesta al inicio de la fractura, si no que es ligeramente no paralela por el efecto de rotación. Determinación Del Mecanismo De Fractura En Las Fallas De Materiales El análisis de la falla requiere de una combinación de conocimientos técnicos. Observación meticulosa, labor detectivesca y sentido común. 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 más fácil la causa de la falla. El conocimiento de los mecanismos de fractura puede también revelar la causa de la falla. Fractura dúctil. La fractura por ductilidad, o dúctil, ocurre normalmente en forma trasngranular (a través de los granos) en los materiales que tienen ductilidad y la tenacidad satisfactorias. A menudo se observa una buena cantidad de deformación, inclusive con estricción, en la componente que falla. La deformación ocurre antes de la fractura final. Las fracturas dúctiles se deben normalmente a sobre cargas simples se deben normalmente a sobrecargas simples o ala aplicación de esfuerzo excesivo en el material. la fractura dúctil en una prueba de tensión simple se inicia con la rucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos en el centro de la muestra. Los micro poros se forman cuando un esfuerzo alto provoca la separación del metal en los límites de grano o interfiere entre el metal y las inclusiones. La deformación por deslizamiento contribuye también a la fractura dúctil de un metal. Se sabe que el deslizamiento ocurre cuando el esfuerzo cortante resultante alcanza el valor del esfuerzo cortante crítico y que los esfuerzos cortantes son mayores a un ángulo de 45° con él fuerzo de tensión aplicado (ley de Schmid).

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Cédula profesional: 1057705 Fractura frágil. La fractura por fragilidad, o frágil, ocurre en los metales de alta resistencia o en los de bajas ductilidad y tenacidad. Incluso, los metales fallan de modo frágil a bajas temperaturas, en secciones gruesas, con altas proporciones de deformación (como en un impacto). O cuando las rayaduras desempeñan un papel importante. Las fracturas frágiles se observan con frecuencia cuando la falla es causada por un impacto en lugar de una sobre carga. En la fractura frágil se presenta poca o ninguna deformación plástica el inicio de la grieta ocurre normalmente en pequeñas rayaduras que causan una concentración de esfuerzos. La fractura frágil puede identificarse observando las características de la superficie aplicando en una prueba de tracción. Si la falla ocurre por clivaje, cada grano fracturado es plano, orientado diferentemente, y proporciona una apariencia cristalina o de “azúcar cristalina” a la superficie de la fractura. Otra característica común de la fractura es el patrón galoneado, producida por frentes de grieta separados que se propagan en diferentes niveles en el material. Factura por fatiga. Un metal falla por fatiga cuando se aplica un esfuerzo alternante mayor que el límite de resistencia a la fatiga. La fractura ocurre en un proceso de tres pasos que comprende (a) la nucleación de una grieta, (b) la lenta propagación cíclica de la grieta, y (c) la falla catastrófica del metal. Las

grietas nuclean en los sitios de esfuerzo más alto y de menor resistencia local. Normalmente los lugares de nucleación están sobre o cerca de la superficie, donde el esfuerzo es máximo, e incluyen defectos superficiales como rayaduras o picaduras, esquinas agudas debidas a un diseño deficiente o a una impropia fabricación, inclusiones, límites de grano o concentración de dislocaciones. Las fallas por fatiga son a menudo fáciles de identificar. La superficie de la fractura, en particular cerca del origen, es normalmente tersa. La superficie se hace más áspera conforme crece la grieta y puede volverse finalmente fibrosa durante su fase final de propagación. Los exámenes microscópicos y macroscópicos revelan una superficie de fractura que incluye un patrón de marcas de playa y estrías. Las marcas de playa se forman normalmente cuando cambia la carga durante el servicio o cuando la carga es intermitente, quizá permitiendo que haya tiempo para la oxidación dentro de la grieta. Las estrías, que ocurren en una escala mucho más fina, pueden mostrar la posición de la punta de la grieta después de cada ciclo. La observación de las marcas de playa sugiere siempre una falla por fatiga; desafortunadamente la ausencia de marcas de playa no descarta la falla por fatiga.

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Cédula profesional: 1057705 Termofluencia y ruptura por esfuerzo. A temperaturas elevadas, un metal experimenta deformación plástica térmicamente inducida aun cuando el esfuerzo aplicado esté por debajo del punto de fluencia nominal. Las fallas por Termofluencia se define como la deformación o distorsión excesiva de las partes metálicas, incluso si no ha ocurrido la fractura. Las fallas por ruptura por esfuerzos son definidas como la fractura real de la parte metálica. Normalmente, las fracturas de ruptura por esfuerzo del tipo dúctil incluyen la estriación del metal durante la termofluencia 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 largarse. Las fallas de ruptura por esfuerzos dúctiles son generalmente trasngranulares y ocurren a velocidades de termofluencia altas, tiempos cortos de la ruptura y temperaturas relativamente bajas de exposición. Las fallas de ruptura por esfuerzo del tipo frágil son normalmente intergranulares, muestran poca estricción y ocurren más frecuentemente a velocidades bajas de termofluencia y temperaturas altas. Se observan granos equiaxiales cerca de la superficie de fractura. La falla frágil ocurre normalmente por la formación de huecos en la intersección de tres limites de grano y la precipitación de huecos adicionales a lo largo de los límites de grano, a través de los procesos de difusión.

Fracturas por esfuerzo y corrosión. Estas fracturas ocurren a esfuerzos muy por debajo del valor de fluencia del metal, debido al deterioro por un medio corrosivo. Las grietas por corrosión profundas y finas 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 corrosión se identifican a través de un examen microscópico del metal contiguo. Por lo común se observa una amplia ramificación de las grietas a lo largo de los límites de grano. La ubicación en donde se iniciaron las grietas puede identificarse por la presencia de un producto de la corrosión. ORIGEN Y PREVENCIÓN DE LAS FALLAS EN LOS METALES. Podemos prevenir las fallas en los metales a través de varios procedimientos – diseño de los componentes, selección de los materiales y técnicas de procesamiento adecuados, y consideración de las condiciones de servicio. Diseño: las componentes deben ser diseñadas para (a) permitir que el material resista el máximo esfuerzo que se espera 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.

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Cédula profesional: 1057705 Las fallas por termofluencia, fatiga o esfuerzo-corrosión ocurren bajo esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de fluencia. El diseño del componente debe estar basado en los datos apropiados de termofluencia, fatiga o esfuerzo-corrosion, no en el de esfuerzo a la fluencia. los diseñadores no deben introducir celdas galvánicas cuando las componentes son fabricada, particularmente partiendo de materiales diferentes. Las concentraciones de esfuerzos producidos por muescas en el diseño, tales como entrantes agudas, deben evitarse. Las esquinas muy acentuadas concentran los esfuerzos de modo que las grietas por fatiga o por corrosión puedan nuclear más fácilmente. Selección de los materiales: en ingeniería se dispone de una gran diversidad de materiales para cualquier utilización siendo muchos de ellos capaces de soportar la aplicación de esfuerzos elevados. La selección de un material está basado tanto en la capacidad de servicio del material como en el costo del material y de su procesamiento. El ingeniero debe de considerar la condición del material. Procesamiento de los materiales: Todas las componentes con terminado son en algún momento sometidas a algún tipo de procesamiento – modelo, conformado, maquinado, unión o tratamiento térmico para producir la forma, el tamaño y las propiedades adecuadas sin embargo, puede

entroducirse una gran diversidad de defectos. El ingeniero debe diseñar 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 las condiciones de servicio, incluyendo el tipo de carga, el medio ambiente y la temperatura a la que esta expuesto. Otro origen de la fallas es el uso inapropiado del material en servicio. Esto incluye la sobrecarga del material.

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ÍNDICE GENERAL.

Tema: PáginaUNIDAD I - NORMATIVIDAD. 4 1.1.ANTECEDENTES 5 1.2.DEFINICIÓN DE PROPIEDADES MECÁNICAS 7 1.3.FINALIDAD 8 1.4.CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ENSAYOS 9 1.5.NORMAS Y ESPECIFICACIONES 15 UNIDAD II - COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS METALES. 26 2.1.CONCEPTO DE ESFUERZO Y DEFORMACIÓN 27 2.2.DEFORMACIÓN ELÁSTICA (LEY DE HOOKE) 28 2.3.DEFORMACIÓN PLÁSTICA DE MONOCRISTALES Y POLICRISTALES

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2.4.EFECTO DE VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Y TIEMPO 36 2.6.PROBLEMAS 37 UNIDAD III - EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES Y SU CONTROL.

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3.1.DUREZA 43 3.1.1.Principios y Objetivos 3.1.2. Equipos y materiales de prueba 3.1.3. Procedimientos y rnétodos de prueba 3.1.4. Conversiones de dureza 3.1.5. Aplicaciones. 3.2.TENSIÓN 45 3.2.1. Introducción. 3.2.2. Interpretación del diagrama esfuerzo – deformación. 3 2.3. Procedimientos y métodos de prueba 3.2.4. Determinación de propiedades 3 2.5. Aplicaciones y problemas 3.3.Compresión 46 3.3.1. Introducción 3.3.2. Compresión de materiales dúctiles 3.3.3. Compresión de materiales frágiles 3.3.4. Discusión de resultados 3.3.5. Aplicaciones

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Tema: Página3.4.FLEXION 49 3.4.1.Principios y objetivos 3.4.2.Determinación de propiedades 3.4 3.Extensometría eléctrica 3.4.4. Aplicaciones y problemas 3.5.IMPACTO 50 3.5.1.Principios y objetivos 3 5.2.Clasificación de pruebas de impacto 3 5.3. Formas de fractura 3.5.4. Equipos y materiales de pruebo 3.5.5. Curva de energía de fractura vs. temperatura 3.6.TORSIÓN 56 3.6.1. Principios y objetivos 3.6.2. Curva de torsión 3.6.3. Interpretación y uso de resultados 3.6.4. Relación entre el módulo de elasticidad y módulo de rigidez 3.7.TERMOFLUENCIA 57 3.7.1. Principios y objetivos 3.7.2. Procedimientos y método de prueba 3.7.3. Curva de termo fluencia (deformación - tiempo y esfuerzo - temperatura)

3.7.4. Interpretación y uso de resultados 3.8.TENACIDAD 63 3.8.1. Principios y objetivos 3.8.2. Concentración de esfuerzos 3.8.3. Criterio de la energía de Griftith 3.8.4. Tenacidad de fractura 3.8.5. Interpretación de resultados 3.9.FATIGA 65 3.9.1. Fundamentos generales 3.9.2. Procedimientos y métodos de prueba 3.9.3. Tensiones cíclicas 3.9.4. Iniciación de propagación de la grieta 3.9.5. Factores que afectan a la vida a fatiga 3.9.6 Influencia del medio 3.9.7. Análisis, interpretación y uso de resultados 3.10. DESGASTE 66 3.10.1. Principios y objetivos 3.10.2. Superficies sólidas 3.10 3. Contaminantes 3.10.4. Interpretación de resultados y aplicaciones

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Cédula profesional: 1057705 TEMA: Página

UNIDAD IV - FRACTURA: MECANICA DE LA FRACTURA Y FRACTOGRAFIA.

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4.1.CONCEPTOS GENERALES 70 4.2.MECANISMOS DE FRACTURA EN LA FALLA DE METALES 70 4.2.1 Fundamentos de fractura 4.2.2. Fractura dúctil 4 2.3. Fractura frágil 4.2.4. Fractura por fatiga 4.2.5 Termofluencia y ruptura por esfuerzo 4.2.6. Fracturas por esfuerzo y corrosión 4.2.7. Ensayos de fractura por impacto 4.2.8. Aplicaciones ; 4.3.ORIGEN Y PREVENCIÓN DE LAS FALLAS POR FRACTURA EN LOS METALES

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4 3.1. Diseño 4.3 2. Selección de los materiales 4.3.3. Procesamiento de los materiales 4.3 4. Condiciones de servicio 4.4.DETECCIÓN DE MATERIALES POTENCIALMENTE DEFECTUOSOS

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UNIDAD V - ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS. 90 5.1.CONCEPTOS GENERALES 91 5.2.RAYOS X 92 5.3 PARTICULAS MAGNETICAS 93 5.4.PARTICULAS FLOURECENTES 95 5.5.ULTRASONIDO 96 5.6.CORRIENTES PARASITAS 98 UNIDAD VI - ANALISIS Y PREVENCIÓN DE FALLAS OBJETIVOS PARTICULARES DE LA UNIDAD.

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6.1.OBSERVACIONES INICIALES 101 6.1.1. Definiciones 6.1.2. Tipos de fracturas 6.1.3. Selección, prevención y limpieza de muestra 6.2.DATOS INFORMATIVOS DE LAS CAUSAS DE LA FALLA 106 6.2.1. Defectos por diseño 6.2.2. Defectos en proceso de fabricación o de manufacturación 6.2.3 Daños durante la operación 6.3.ESTUDIO DE LABORATORIO 109 6.3.1 Resultados de ensayo no destructivos 6.3.2. Resultados de ensayos destructivos

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TEMA: Página6.4. SINTESIS DEL ESTUDIO DE LA FALLA 110 6.4.1. Análisis experimentales de esfuerzos 6.4.2. Análisis de datos y resultados 6.4 3 Prevención de fallas (modelos, simulaciones, etc.) 6.4.4. Condiciones de garantía INDICE GENERAL 117 BIBLIOGRAFIA 120 NORMA DGN 2001

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BIBLIOGRAFIA:

INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA. Sydney Avner Editorial Mc. Graw Hill. 1992. MATERIALES PARA INGENIERIA. Van Vlack, Laurence H. Editorial CECSA 1981. CIENCIA E INGENIERIA DE L.OS MATERIALES. Donald R. Askeland. Editorial International Thomson , 2000 MATERIALES DE INGENIERIA Y SUS APLICACIONES Flinn. Richard Edítorial Mc Graw Hill. 1989. CIENCIA DE MATERIALES, SELECCIÓN Y DISEÑO Pat L. Mangonon Editorial Prentice may, 2201 FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERIA DE MATERIALES William F. Smith Ed. Mc Graw - Hill HANDBOOK OF MATERIALS SELETION FOR ENGINEERING APPLICATIONS T. Murria Editorial Marcel Derker, Inc. AND INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCIE AND ENGENIERING Walls/Courtney/wulff Editorial Wiley



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