Materiales

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE

FACULTAD DE AGROINDUSTRIAS

DEFORMACIONES

γ

ZONA Ielastico

σ1

ESFUERZOSZONA IIplastico

ε1

MAQUINA UNIVERSAL

PROBETA EN COMPRESION

PROBETA EN TRACCION

PISTON

DIAL DE CARGA

PROFESOR : ING. ENRIQUE ANIBAL BURLLI

ING. DARDO BARRERA EDICIÓN 2002

Universidad Nacional del Nordeste CONOCIMIENTO DE MATERIALES Facultad de Agroindustrias Ing. Enrique Burlli

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... APROBADO POR RESOLUCIÓN N° 174/91 – C.D.

CONOCIMIENTO DE MATERIALES PROGRAMA ANALÍTICO

TEMA 1 : DEFORMACIONES. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES. RELACION ENTRE TENSIONES Y DEFORMACIONES. DIAGRAMAS. COEFICIENTE DE SEGURIDAD. TENSIONES ADMISIBLES. ENSAYOS DE MADERA. GENERALIDADES. HUMEDAD. PESO ESPECIFICO. COMPRESIÓN. PODER CALORÍFICO DE UN COMBUSTIBLE. DETONACIÓN. NUMERO OCTANO. VISCOSIDAD. TRATAMIENTO PRE-METALURGICO. HORNOS SIEMENS-MARTIN. TRATAMIENTO TERMICO. RECOCIDO. REVENIDO. TEMPLE. TEMA 2 : ENSAYOS DE MATERIALES. MAQUINAS DE ENSAYO. ENSAYOS ESTATICOS Y DINAMICOS. FATIGAS. CONCEPTO. CURVAS DE WOHLER. DIAGRAMA DE FATIGA. EFECTOS QUE VARIAN LA FATIGA. DETERMINACIÓN TIEMPO DE FRAGUADO. PROBETAS NUMERO CETANO. NUMERO CETENO. INDICE DIESEL. CENTROS SIDERURGICOS ARGENTINOS. LEY DE GIBBS. ALEACIONES LIVIANAS. TEMA 3 : ENSAYOS ESTATICOS. DEFORMACIONES PLASTICAS. DIAGRAMA DE DEFORMACIONES. ENSAYOS DE CHOQUE POR FLEXION. CHORPY-ISOD. PROBETAS. MAQUINA DE ENSAYO. ENSAYO DE MADERA. FLEXION. TRACCIÓN. DUREZA. MODULO DE ELASTICIDAD. HORNOS DE CUBILOTE. GENERALIDADES. FUNDICIÓN. BLANCA-GRIS Y MALEABLES Y ESPECIALES. TEMA 4 : ENSAYO DE TRACCIÓN. DIAGRAMA. CONCEPTO Y DIAGRAMA DE ENSAYO. TENSIONES VERDADERAS. ENSAYO DE MORTEROS. GRANULOMETRIA. ENSAYO DE HORMIGONES. PUNTO DE CONGELACIÓN Y ESCURRIMIENTO. PUNTO DE INFLAMACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES. OBTENCIÓN DE ARRABIO. ALTOS HORNOS. MODERNOS DE CARBON VEGETAL, COKE Y ELÉCTRICOS. TEMA 5 : ENSAYO DE TENSIÓN. COMPRESIÓN DE FUNDICIONES Y ACEROS. ENSAYO DE GRASAS. TIPOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS ENSAYOS. FABRICACIÓN DE ACEROS SÓLIDOS, LIQUIDOS Y PASTOSOS. CONVERTIDORES. BESSENER-THOMAS. DIAGRAMA Fe-C. TEMA 6 : ENSAYO DE DUREZA BRINELL. ROCKWELL Y VICKERS. MICRODUREZA. RESISTENCIA. DIAGRAMA DE EQUILIBRIOS DE ALEACIONES BINARIAS. DIAGRAMA DE ESTRUCTURA DE LA ALEACIÓN Fe-C. HORNO ELECTRICO. GENERALIDADES. CRISOLES.

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BIBLIOGRAFIA 1. ARQ. M. F. PASMAN, MATERIALES DE CONSTRUCCION, CESARINI HNOS, 1975 2. H. E. DAVIS, G. E. TROXELL, C. T. WISKOCIL, ENSAYE E INSPECCION DE LOS

MATERIALES EN INGENIERIA , CONTINENTAL S.A., 1970

3. G. FROMENT, MADERAS DE CONSTRUCCIÓN, LERU S.R.L., 1954

4. C. CHAUSSIN, G. HILLY, METALURGIA TOMO II, URMO S.A., 1975

5. F. SCHLEICHER, MANUAL DEL INGENIERO CONSTRUCTOR, LABOR S.A., 1955 6. AARÓN HELFGOT, ENSAYO DE LOS MATERIALES, KAPELUSZ, 1979

7. P. STIOPIN, RESISTENCIA DE MATERIALES, MIR, 1968

8. APUNTES UNIVERSIDAD DE LA PLATA

9. APUNTES UNIVERSIDAD DE CORDOBA

10. APUNTES ING. MOLINA, CATEDRA CONOCIMIENTO DE MATERIALES, UNIVERSIDAD

DE AGROINDUSTRIAS


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INDICE

Aceros Obtenidos al Estado Pastoso, 59 Aceros Obtenidos al Estado Sólido, 61 Agua de Constitución , 14 Agua de Saturación , 14 Agua Libre, 14 Aleaciones Binarias al Estado Liq. y Sólido, 76 Aleaciones Livianas, 31 Alotropía, 28 Altos Hornos a Carbón de Leña, 53 Altos Hornos de Coque, 53 Altos Hornos Eléctricos (Hornos Gronwar), 54 Aparato de Ensayo Rockwell, 74 Aplicación de la Ley de las Fases, 29 Características procedimiento elect., 81 Cargas Dinámicas, 6 Cargas Estáticas, 6 Cargas Oscilantes, 23 Cargas Pulsatorias, 23 Cargas, 6 Caso de un Metal Puro: (N=1), 29 Caso de una Aleación Binaria: (N=2), 30 Cementacion Carburante, 61 Cementacion Oxidante, 61 Clasificación de las Fundiciones, 41 Clasificación de los Ensayos, 22 Clasificación de los Materiales, 5 Coeficiente de Seguridad, 12 Combustibles, 52 Compresión de Aceros, 56 Compresión de Hormigones, 49 Compresión en Maderas, 14 Convertidores, 63 Coque, 53 Cribado, 17 Crisol, Hornos Heroult, 82 Cuerpos Deformables (Sólidos Deformables), 6 Curva Fuerza - Deformación de un Acero, 43 Curvas de Enfriamiento de Aleaciones, 75 Curvas de Enfriamiento de Metales Puros, 75 Curvas de Enfriamiento del Hierro, 66 Deformación , 8 Deformaciones Plásticas, 32 Determ. del Tiempo de Frague del Cemento, 26 Determinación de la Humedad, 14 Detonación, 15 Diag de Eq. de las Sol. Sólidas, 77 Diag. de Eq. Parcialmente Miscibles, 80 Diag. de Eq. Que No Forman Sol. Sólida, 78 Diagrama de Equilibrio Hierro – Carbono, 66, 67 Diagrama de fatiga, 25 Dúctil , 9 Dureza Brinell (Norma Iram Nº 105), 70 Dureza Rockwell (Norma Iram Nº 105), 72 Dureza Vickers, 75 Dureza, 70

Efectos que Varían la Resistencia de Fatiga, 26 Ensayo de Corte en maderas, 39 Ensayo de Fatiga – Curva de Wohler, 24 Ensayo de Materiales Ensayo de Morteros, 48 Ensayos Científicos, 22 Ensayos de Choque, 34 Ensayos de Compresión en maderas, 38 Ensayos de Control, 22 Ensayos de Dureza, 70 Ensayos de Grasas: Mobilometro S.I.L., 58 Ensayos de Maderas, 37 Ensayos de Tracción en maderas, 38 Ensayos Destructivos, 22 Ensayos Dinámicos, 22 Ensayos Estáticos, 22 Ensayos Estáticos, 32 Ensayos No Destructivos, 22 Ensayos Tecnológicos, 22 Esfuerzo de Fluencia o Punto Cedente, 11 Esfuerzo de Rotura, 11 Esfuerzo Ultimo, 11 Esfuerzos de Compresión, 8 Esfuerzos de Corte , 8 Esfuerzos de Flexión , 8 Esfuerzos de Torsión, 8 Esfuerzos de Tracción, 8 Esfuerzos Normales, 8 Esfuerzos Tangenciales, 8 Esfuerzos Unitarios , 8 Esfuerzos, 7 Estricción, 44 Eutéctica, 30 Fabricación de Aceros al Estado Liquido, 63 Fabricación de los Aceros, 59 Fases, 28 Fatiga, 22 Forjas Catalanas, 59 Forma de Indi car El N° Brinell, 72 Forma de Indicar El N° Rockwell, 74 Forma de Indicar El N° Vickers, 75 Fraguado, 26 Fundentes, 15 General. Sobre Diag. de Equil. de Aleac., 75 Granulometría, 50 Hornos de Coque, 53 Hornos de Cubilotes, 40 Hornos Eléctricos Sin Cuba, 55 Hornos Eléctricos, 54, 81 Hornos Siemens – Martín (Afin. Del Arrabio), 18 Hornos Siemens Fijos, 19 Hulla, 15 Importancia del N° de Penetración, 58 Índice Diesel, 27 Ley de Hooke, 11

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Ley de Las Fases - Ley de Gibbs, 28 Machaqueo, 16 Maderas Maleable, 9 Máquinas de Ensayo de Choque, 34 Máquinas de Ensayo, 32 Método de Charpy, 36 Método de Fremont, 35 Método de Yzod, 37 Microdureza, 75 Módulo de Elast. de La Flexión en maderas, 40 Molienda, 16 Numero Cetano, 27 Numero Ceteno, 27 Numero Octano, 15 Obtención de Arrabio, 52 Obtención de Esponjas Ferrosas, 60 Peso Especifico Aparente Maderas, 14 Peso Especifico Real Maderas, 14 Poder Calorífico, 15 Por Afinado de las Fundiciones, 63 Por Afino de la Fundición, 60 Principio de Tresca, 47 Probetas para Compresión, 58 Procedimiento Bessemer, 63 Procedimiento Thomas Básico, 66 Procedimientos de Separación, 17 Pudelado, 60 Rango Elástico o Zona Elástica, 11 Rango Plástico o Zona Plástica , 11 Recocido, 21 Recuperadores, 20 Relación entre Tensión y Deformación, 6 Relación Esfuerzo – Deformación, 10 Resiliencia, Rechazo o Elasticidad, 10 Resistencia a la Flexión en maderas, 38 Revenido, 21 Solera Ácida , 20 Solera Básica , 20 Solera Neutra, 20 Soleras, 20 Temple, 21 Tenacidad, 10 Tensión Admisible , 12 Tipo de Ensayo, 22 Tipos hornos eléctricos, 81 Tracción de Morteros, 48 Tracción, 42 Tratamientos Pre-Metalúrgicos, 16 Tratamientos Térmicos Preliminares, 17 Tratamientos Térmicos, 20 Triangulo de Feret, 51 Valores de Choque o Resiliencia, 37 Viscosidad, 16


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BOLILLA Nº 01 OBJETO : El conocimiento de los materiales tiene por objeto conocer las propiedades inherentes a cada uno, la utilidad actual y posible de ellos, sus condiciones como aislante de humedad, sonido, temperatura, resistencia a los agentes atmosféricos, al fuego, posibilidad de aumentar las condiciones de las estructuras resistentes, etc. En todas las naciones se efectúan estudios y ensayos de los materiales susceptibles de ser aptos para la construcción de edificios y maquinas. En un principio se comenzaron con los estudios físicos, fijándose normas para que sus valores sean comparables para el examen de los aglomerantes, maderas, piedras y metales. Luego se añadieron los estudios químicos y luego los microscópicos, que permitieron evolucionar la metalurgia al poderse seguir el proceso de las modificaciones en el interior de los metales. Los estudios y ensayos efectuados permiten como primera medida, economizar los materiales al establecer el justo limite de su capacidad de trabajo y segundo extender las posibilidades de uso en obras más grandes y complejas cumpliendo con las exigencias de menor peso, mejor calidad y mayor rendimiento. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES Una primera clasificación seria: NATURALES : son los que se extraen directamente de la naturaleza, no necesitando para su empleo mas que darle la forma adecuada, como ser piedras y maderas, o separándolas de otras a las cuales están ligadas como el hierro. ARTIFICIALES : Son aquellos que se preparan con productos diversos al estado pulverulentos o pastosos y se endurecen por procesos químicos. De lo dicho se desprende que existen dos clases de piedras: Naturales y Artificiales. Las piedras NATURALES se encuentran en la naturaleza formando las rocas, constituidas por la asociación de minerales de composición, estructura y origen diversos, que en forma de masas independientes integran la corteza terrestre. Las rocas pueden ser SIMPLES y COMPUESTAS, según estén constituidas por minerales iguales, como por ejemplo las hullas, algunas calizas, etc. o distintos, como por ejemplo los granitos. Por su origen las rocas se clasifican en ERUPTIVAS, SEDIMENTARIAS y METAMORFICAS. ERUPTIVAS : Se han formado al enfriarse el magma pastoso terrestre, consolidándose en el interior las llamadas de profundidad o PLUTONICAS, y en el exterior las VOLCÁNICAS. Sus caracteres son de:

1. origen ígneo 2. cristalinas (casi siempre) 3. macizas 4. no poseen fósiles

Los ejemplos más importante de las plutónicas son el granito, la diorita, etc. De las volcánicas el porfido, el basalto y la traquita. SEDIMENTARIAS : Son las que tienen su origen en la destrucción de rocas preexistentes por acción del viento o el agua, y acumulación posterior de sus materiales, siendo, pues, de origen secundario. Se presentan por capas o estratos generalmente horizontales, con frecuencia plegados y estrujados por acción posterior a su formación. sus caracteres son:

1. origen acuoso 2. dispuestos en lechos 3. poseen fósiles

Los ejemplos principales son las brechas, areniscas, yeso, caliza y margas. METAMORFICAS : Son las que experimentan cambios dentro de la corteza terrestre debido a las grandes presiones y elevadas temperaturas, por lo cual su carácter primitivo sé a modificado de tal manera que son indeterminables. Sus caracteres son:

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1. Estado cristalino 2. Estructura laminar en escamas o foliadas 3. pueden poseer fósiles

Los principales ejemplos son las gneiss, pizarra micacea, cuarcitas, mármoles. CLASIFICACION DE LOS MATERIALES SEGÚN SU PROPIEDAD MECANICAS Según la naturaleza y magnitud de las deformaciones que experimenten los materiales bajo la acción de fuerzas exteriores, sin tener en cuenta el valor de la tensión que las produce, se dividen en dos grupos: Frágiles y Dúctiles (esfuerzos de tracción), Maleables o tenaces (esfuerzos de compresión).

RELACION ENTRE TENSIÓN Y DEFORMACIÓN CONSIDERACIONES Debemos tener en cuenta las relaciones entre las cargas exteriores aplicadas y sus efectos en el interior de los cuerpos, además no se supone que los cuerpos son idealmente rígidos como en estática, sino que las deformaciones por pequeñas que sean tienen gran interés, esta materia comprende los métodos analíticos para determinar la resistencia, la rigidez y la estabilidad de los diversos medios soportadores de carga. CARGAS: Fuerzas que actúan sobre los cuerpos. Según su efecto sobre los cuerpos existen varios tipos de cargas. CARGAS ESTATICAS: Son las cargas cuya magnitud o punto de aplicación no varia o lo hace muy lentamente. 1.- Carga Puntual o Concentrada (carga aplicada en un solo punto)

2.- Carga Uniformemente Distribuida (carga iguales aplicadas en puntos uno al lado del otro)

3.- Carga Uniformemente variada (carga similar a la anterior, pero sus magnitudes son distintas)

Se denomina carga AXIAL cuando la carga esta aplicada en el centro de la sección transversal de la pieza y en dirección al eje de ensayo. CARGAS DINAMICAS: Las cargas que varían su magnitud o punto de aplicación con el tiempo (cargas de impacto por ejemplo). Cuerpos Deformables (Sólidos Deformables): Todo cuerpo está constituido por una serie de partículas pequeñas entre las cuales actúan fuerzas (internas), estas fuerzas se oponen a los cambios de forma del cuerpo cuando sobre él actúan fuerzas exteriores (P), si un sistema de fuerzas exteriores se aplican a un cuerpo o un sólido sus partículas se desplazan relativamente entre sí, y estos desplazamientos continúan hasta que se establece el equilibrio entre fuerzas exteriores y fuerzas interiores (RI, RII). La existencia de las fuerzas interiores pueden justificarse gráficamente sin entrar al estudio de la estructura atómica del material, realizando cortes hipotéticos en un cuerpo, sobre cargas


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compatibles con su resistencia (Fig. 1), al analizar que fuerzas o sistemas de fuerzas debemos aplicar para que las partes no se desplacen. En efecto, si tenemos en cuenta que cuando los cortes supuestos no se realizan subsisten en el interior del material las mismas condiciones, el equilibrio deberá ser mantenido por las fuerzas interiores en cuyo caso comprobamos además el esfuerzo producido por el cuerpo, el que es posible medir con los valores y unidades de las fuerzas que lo originan. La condición de equilibrio queda entonces expresada por:

FUERZA EXTERIOR O CARGA = FUERZA INTERIOR = ESFUERZO

FIGURA 1 FIGURA 2

Si suponemos que las cargas aplicadas son perpendiculares a la sección transversal y se reparten uniformemente (igual intensidad en todos los puntos), el esfuerzo total sobre una sección podrá ser considerada igual a la resultante de las fuerzas interiores que actúan sobre la misma (RI, RII). Si esta sección es transversal, el esfuerzo total será normal (Fig. 1), en cambio, si presenta una determinada inclinación, (Fig. 2), la resultante interna (RI, RII), para su estudio, en sus componentes normales (PN) y tangenciales (PT), siendo por lo tanto posible hablar de ESFUERZOS NORMALES Y ESFUERZOS TANGENCIALES. Esfuerzos: El término fundamental para el estudio de la resistencia de los materiales es el llamado esfuerzo unitario, sabemos que el calculo de las fuerzas externas en una sección de un miembro debe ser determinada por los conocimientos de la estática. Si bien la clasificación anterior permite agrupar los esfuerzos en normales y tangenciales, su individualización se obtiene analizando el efecto que producen en las secciones transversales. Podemos así distinguir 5 tipos de esfuerzos simples o puros: TRACCIÓN, COMPRESIÓN, FLEXION, TORSIÓN y CORTE.

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TORSION

FLEXION

COMPRESIONTRACCION

ESFUERZOS NORMALES: Son los producidos por cargas o pares de cargas que tienden a trasladar (separar o acercar) a las secciones transversales en un determinado sentido. Pertenecen a esta clasificación los esfuerzos de tracción, compresión y flexión. TRACCIÓN Y COMPRESIÓN: Se obtienen cuando las fuerzas exteriores, de igual magnitud, dirección, pero de sentido contrario, tienden a estirar (tracción) o aplastar (compresión) según el eje en el que actúa. FLEXION: Tiene lugar cuando se producen pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan el giro de las secciones transversales con respectos a las inmediatas. En este caso las cargas no actúan normalmente a las secciones transversales como en tracción y compresión, pero el flexionamiento provoca, en el sentido del eje longitudinal (eje neutro), efectos interiores similares a los de aquellos esfuerzos, imaginemos que tomamos un borrador de goma con ambas manos y presionamos con los pulgares por el medio del mismo, veremos que en la parte superior del mismo se “arruga” (compresión), y en la parte inferior se estira (tracción). ESFUERZOS TANGENCIALES: Se denomina esfuerzos tangenciales o deslizamiento a los generados por pares o cargas que actuando en el plano de las secciones transversales, tienden a producir sus giros (TORSIÓN) o deslizamiento (CORTE). TORSIÓN: Se origina por efecto de pares de fuerzas que actúan sobre los ejes de las secciones transversales, produciendo el giro de las mismas en sus planos. CORTE: Las fuerzas actúan normales al eje del cuerpo, desplazando entre sí las secciones intermedias. En las estructuras o mecanismos generalmente actúan simultáneamente dos o más esfuerzos simples descriptos, obteniéndose los esfuerzos compuestos: FLEXO-TORSION, TRACCIÓN-COMPRESION, etc. ESFUERZOS UNITARIOS: Puede ser definido como la fuerza interna por la unidad de área de una sección de unión. Hay dos tipos de esfuerzos. Esfuerzos normales los cuales actúan en perpendicular a las secciones en estudio y pueden ser de tensión o compresión dependiendo de sus tendencias a alargar o acortar el material sobre el cual actúa. La resistencia de materiales estudia a los sólidos como cuerpos deformables que ofrecen gran resistencia a la deformación y desea hallar: a.- El estado de tensión del sólido b.- Determinar cuales son las fuerzas internas con el objeto de analizar si el sólido puede o no resistir las cargas externas, o conocidas las cargas externas determinar las dimensiones que debe tener el cuerpo para resistirlas. c.- El estado de deformación infinitesimal para determinar los desplazamientos de los cuerpos para saber si son balanceados y para resolver problemas hiperestáticos. Deformación: Un cuerpo sólido sometido a un cambio de temperatura o a cargas externas se deforma. Deformación Uniforme: Cambio de longitud entre la longitud inicial (Lo) y la final (Lt).


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Lo

∆ L

P

Lt > Lo El cuerpo se alargoLo > Lt El cuerpo se acorto

A = seccion transversal probeta

Lt

Si a una barra recta de sección transversal constante le aplicamos una carga de tracción o compresión, experimenta (a medida que la carga aumenta), un alargamiento (tracción) o acortamiento (compresión), cuya magnitud depende de la naturaleza y dimensiones del material, esta deformación se la denomina (∆l), que resulta de la diferencia entre la longitud inicial y la longitud al momento cualquiera que posee la pieza. Para determinar el numero representativo de la deformación, se indica por unidad de longitud (todas las dimensiones con una misma unidad de medida, que dará por resultado un numero adimensional), obteniendo la deformación unitaria o especifica (εε).

encionalamm

mm

lo

lolt

lo

ldim==

−=

∆=ε

Cuando la sección transversal varia o el material presenta características diferentes en la misma, la deformación unitaria representa un valor medio y se deberá determinar el alargamiento o acortamiento producido en una longitud elemental.

lo

l∆∂=∂ε

Si el esfuerzo es tangencial o de corte, la deformación que se produce varia corrientemente de un lado a otro, puede expresarse como una deformación angular. Si tenemos un cuerpo elemental en el que actúan las fuerzas cortantes únicamente sobre la cara BC. Por la cara AD se generan esfuerzos cortantes opuestos además supondremos que la altura l esta constituida por placas superpuestas de pequeño espesor, estas se deslizaran entre sí lo que nos indica que el deslizamiento total o deformación total estará dada por el segmento BB’, el que por unidad de longitud será igual a la tg del ángulo de deslizamiento. Deformación unitaria por deslizamiento = BB’ = tg γ

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γ

De acuerdo a la magnitud del esfuerzo y a la naturaleza del material, las deformaciones especificas o angulares pueden ser transitorias o elásticas cuando desaparecen al cesar la carga que las originan, y permanentes o plásticas en caso contrario. Cuando un material se rompe en su periodo elástico con muy poca deformación plástica, resulta frágil y su fractura se produce en forma brusca, tal como ocurre en la fundición, aceros resistentes, hormigones. Cuando presenta deformación plástica resulta Dúctil, Maleable o Tenaz (aceros blandos). Dúctil: cuando la deformación plástica se origina por esfuerzos de tracción (el material es alargado o estirado). Maleable: cuando los esfuerzos son de compresión (aplastamiento). Desde el punto de vista tecnológico la ductilidad es la propiedad de los materiales de permitir ser transformados en alambres o hilos (trefilado) y la maleabilidad la de dejarse extender hasta adoptar la forma de planchuelas o chapas (martillado y laminado). Si tenemos en cuenta el trabajo absorbido por el material en su proceso de deformación hasta la rotura, el mismo será tanto mayor cuanto mayor sea su resistencia y capacidad de deformación plástica, obteniéndose lo que se conoce como: Tenacidad: o propiedad de absorber energía que impide en muchos caso la fractura de los elementos expuestos a cargas de choque o impactos. Resilencia, Rechazo o Elasticidad: característica de comportarse como un resorte, cuando la carga aplicada no excede del periodo elástico del material, la carga acumulada es devuelta por el mismo al cesar aquella. Relación Esfuerzo - Deformación: En este caso trabajaremos con el diagrama del ensayo de tracción de un acero, siendo este el diagrama más característico, ya que se puede observar todos los puntos interesentes que ocurren dentro de este tipo de diagrama.

DIAGRAMA TENSIÓN-DEFORMACIÓN DEL ACERO


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ESFUERZOS

DEFORMACIONES

ZONA Ielastico

ZONA IIplastico

σ 1

ε1

γ

En la figura se representa el diagrama típico de acero común. En la figura se observa que los esfuerzos unitarios y las deformaciones unitarias son proporcionales desde (O) hasta el punto (A), al continuar cargando se puede observar otro punto interesante (B), en el cual las deformaciones ya no son proporcionales a los esfuerzos, pero el material continua con deformaciones elásticas, esto significa que si dejamos de realizar el ensayo de tracción, y descargamos la probeta, el material recupera su longitud inicial, más allá del punto (B) la deformación aumenta rápidamente en relación con el esfuerzo (C-D) (periodo de fluencia), continuando el ensayo luego de (D) el esfuerzo y la deformación crecen sin ningún tipo de proporción hasta llegar al punto (E) luego de dicho punto el esfuerzo unitario disminuye y la deformación unitaria crece hasta la rotura del material (F). Los puntos característicos son: A = límite de elasticidad o proporcionalidad. B = límite de elasticidad práctica. C = límite inicial de fluencia. D = límite final de fluencia. E = carga máxima. F = rotura de la probeta. Zona Ι = período elástico. Zona ΙΙ = período plástico. Podemos definir estos puntos como: Rango Elástico o Zona Elástica: Zona dónde es válida la Ley de Hooke en cualquier punto de esta zona el material se deforma bajo la acción del esfuerzo y al retirar el esfuerzo el material recupera sus dimensiones originales sin que quede ninguna deformación (desde 0 hasta A). Rango Plástico o Zona Plástica: Es la zona donde los esfuerzos no son proporcionales a las deformaciones, un material cargado que se encuentre en esta zona al retirar el esfuerzo queda con una deformación permanente. Esfuerzo de Fluencia o Punto Cedente: En este punto el material desarrolla un marcado incremento de la deformación sin aumentar el esfuerzo. En la figura el punto cedente esta

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determinado por las ordenadas de (C y D), dentro de este periodo de fluencia podemos obtener dos nuevos puntos interesantes que seria el punto de fluencia máxima que en este caso coincide con el inicio de fluencia (C) (puede resultar otro punto dentro de este tramo), y el punto de fluencia mínimo (C1). Esfuerzo Ultimo: Es el mayor esfuerzo basado en el área original de la probeta, que puede desarrollar un material así que es la máxima ordenada de un diagrama Esfuerzo / deformación. En la figura el esfuerzo último esta determinado por la ordenada del punto E. Esfuerzo de Rotura: Es el esfuerzo en un material basado en el área original en el instante en que se rompe. Es la última ordenada del diagrama representado por el punto F.

LEY DE HOOKE Consideremos una barra prismática cargada en su extremo tal como indica la figura fig. 1 Bajo la acción de esta carga la barra se alarga una cierta cantidad ÄL. Cuando la carga disminuye, el alargamiento de la barra también disminuye, y el extremo cargado vuelve hacia arriba. Si al retirar la carga el cuerpo recupera su forma primitiva, se dice que el mismo es perfectamente elástico, (es el caso que estudiaremos en esta bolilla) Si, por el contrario, al descargarlo la deformación no desaparece por completo, se trata de un cuerpo parcialmente elástico (estudiado en bolilla 3). Si esta barra fuera de acero el diagrama obtenido seria el ya visto, y se podrá ver que entre ciertos límites el alargamiento de la barra es proporcional a la fuerza extensora (Hooke, 1678). Como la fuerza P se distribuye uniformemente en toda el área A de la sección de la barra, la fuerza por unidad de superficie será:

A

P=σ

se denomina Tensión y se expresa corrientemente en kg/cm2 o en t/cm2 (carga sobre

superficie) A su vez, el cociente entre el alargamiento y la longitud inicial constituye el alargamiento por unidad de longitud:

l

l∆=ε

Se observa que en el diagrama hay una zona donde las deformaciones son proporcionales a las tensiones (0 a A), esto significa que a un determinado esfuerzo le corresponde una determinada deformación. La Ley de Hooke expresa esta proporcionalidad de la siguiente manera: Si obtenemos la tangente de γ

γεσε

σγ TgTg ×=⇒= 1

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Ahora si a tg γ la denominamos E (coeficiente de proporcionalidad) nos quedaría que:

E×= εσ 1 El coeficiente de proporcionalidad E es una constante elástica del material llamada Módulo de Elasticidad y se expresa en kg/cm2 o en t/cm2. En esta zona, si descargamos el material, este retorna a su longitud inicial (esto significa que toda la deformación fue elástica), debemos tener en cuenta que el recupero de la deformación en el diagrama es coincidente con la recta O-A.


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También debemos tener en cuenta que si bien el punto A, es el limite de proporcionalidad, no es el punto donde comienza la zona plástica, ya que existe otro punto muy próximo al punto A (denominado B), en el cual las deformaciones no son proporcionales a los esfuerzos, pero si son elásticas, por lo tanto el punto B seria el limite elástico real. A partir de B comienza la zona plástica que la estudiaremos en la bolilla 3. COEFICIENTE DE SEGURIDAD La adopción del Coeficiente de Seguridad se realiza según el tipo de material, del modo de actuar la carga sobre el cuerpo, ya sea constante, variable o alternada, como también la exactitud del calculo, cuanto menos exacto es, el coeficiente de seguridad debe ser mayor. En todos los casos el coeficiente de seguridad es mayor que 1, ya que la intención al adoptar este coeficiente es trabajar lejos de los limites de tensión adoptado.

coeficiente de seguridad υ >1 TENSIÓN ADMISIBLE Para tensiones inferiores al límite de proporcionalidad, el material puede considerarse perfectamente elástico; por encima de este límite, parte de la deformación se conserva al descargar la barra. Es decir se presentan deformaciones permanentes. Para que la estructura esté siempre en condiciones elásticas y no exista la posibilidad de deformaciones permanentes, la tensión de trabajo o tensión admisible debe adoptarse por debajo del límite de proporcionalidad. Se toma como tensión admisible del material, la tensión de fluencia dividida por un coeficiente de seguridad. Materiales Dúctiles:

υ

σσ

fluenciaadm =

Materiales Frágiles:

υ

σσ

roturaadm =

Por ejemplo en el caso del acero de dureza natural ADN 420, tomando un coeficiente de seguridad = 1,75, la tensión admisible será:

)/(240075.1

)/(420075.1

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cmkgcmkgFluencia

adm ===σ

σ

El módulo de elasticidad de estos aceros es E = 2100000 kg/cm2 Para el caso de estructuras conformadas por perfiles laminados o tubos estructurales, la tensión de fluencia es de 2400 kg/cm2, y el coeficiente de seguridad es 1.6

)/(15006.1

2cmkgFluenciaadm ==

σσ

Para los materiales frágiles, como la fundición, hormigón, se toma la Resistencia de Rotura, por la dificultad de hallar la tensión de fluencia.

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MADERAS GENERALIDADES Las condiciones climatologicas, el suelo y la altitud son factores que fijan una determinada especie, es así que en las regiones frías solo pueden encontrarse árboles de madera blanda y de colores pálidos (pinos), en cambio ambientes cálidos predominan las pesadas, duras y de colores oscuros (quebracho, algarrobo). En un corte transversal se puede observar la parte central, conocida como duramen o corazón, representa el soporte o estructura de la planta al estar constituida por la madera perfecta cuyo tejidos han dejado de cumplir toda función activa (conducción de savia), la zona media o albura es la encargada de transportar hacia la copa y por medio de sus vasos el jugo vegetal formando por esta causa la parte más húmeda de madera joven o imperfecta, y por ultimo la corteza.

MEDULA

DURAMENALBURA

celulas de cambio

CORTEZA Externa (epiderma) Interna (endoderma)

Se puede dar una primera clasificación por la propiedad mecánica de dureza, denominándose blandas a todas aquellas de tejido flojos, pocos densos y que pertenecen a especies de crecimiento rápido, y duras a las de tejidos fijos y compactos. Otra característica es el color, las duras presentan colores oscuros, llegando en algunos casos al negro, para ir variando hasta el blanco en maderas livianas y blandas. Otra clasificación es teniendo en cuenta sus pesos específicos, para lo cual es necesario hacer notar que por ser un material heterogéneo y de porosidad relativa elevada, debe distinguirse entre el peso especifico de la madera propiamente dicha o real y el aparente, que resulta de relacionar el peso con la unidad de volumen de la misma al estado natural. La humedad es uno de los agentes que inciden sobre sus características físicas y mecánicas, provocando variaciones en el volumen y en la resistencia. Es por eso que las maderas recién aserradas deben ser sometidas a un proceso de secado, natural o artificial, para disminuir la humedad, para lograr mayor resistencia. Con este procedimiento la madera se considera seca cuando el porcentaje de humedad varia entre el 10 % y 20%. DETERMINACIÓN DE LA HUMEDAD Cuando se considera la humedad debemos distinguir entre: AGUA LIBRE: la que puede alojarse en los vasos y poros de las mismas, esta aparece cuando las paredes de las células están saturadas; es la primera en evaporarse, esta humedad puede variar entre grandes limites por depender de la porosidad de la especie. AGUA DE SATURACIÓN: la que es capaz de absorber las fibras o tejidos, pueden eliminarse íntegramente colocando la madera en una estufa de circulación de aire a temperaturas de 100 - 110 °C, la saturación se alcanza entre el 25 y el 30 % AGUA DE CONSTITUCIÓN: Forma parte integrante de la materia leñosa y que no puede eliminarse sino por destrucción de la madera mediante fuego; esta humedad no es considerada para los ensayos. El porcentaje de agua se calcula colocando las muestras o probetas, previamente pesadas, en estufas de temperaturas variables entre 100 y los 105°C, hasta que la muestra tenga un peso constante, para lo cual se verifica el peso de la madera periódicamente hasta obtener 2 o más pesadas iguales.


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pn = peso de la probeta a la humedad H% po = peso constante o de la madera seca

humedad porcentual 100%)( ×−

=po

popnh

La importancia que tiene esta determinación se pone en manifiesto por las comprobaciones practicas de que la resistencia a la compresión disminuye entre el 4% y 6% por cada 1% de aumento de humedad. En ensayos de tracción axial y flexión realizados sobre probetas con un 40 % de humedad, la resistencia disminuya a la mitad y a las 2/3 partes respectivamente. La humedad normal es del 15 %. PESO ESPECIFICO REAL Es el que se obtiene de relacionar el peso de un trozo de madera con su volumen, en este caso la humedad interfiere mucho, debido a que a mayor cantidad de agua mayor será el peso de un mismo volumen del material, entonces debe tomarse el 0 % de humedad. PESO ESPECIFICO APARENTE Es el que se obtiene de relacionar el peso de un trozo de madera con su volumen, en este caso el peso y el volumen se obtienen de muestras con un mismo grado de humedad, este valor es extraordinariamente variable, ya que depende no solamente de la estructura del material, sino también del grado de humedad de la muestra que influye sobre el peso y sobre el volumen. Para los ensayos se normalizo, que el % de humedad debe ser del 15 %. COMPRESIÓN El ensayo de compresión es el más común y puede realizarse según la dirección de las fibras o en forma transversal a ellas, siendo la primera la más importante debido a que se obtienen resultados uniformes y más exactos. El ensayo se realiza en prensas de 4 tn como mínimo, las probetas no deben presentar defectos y no presentar fibras torcidas. La resistencia determinada con probetas cúbicas es algo superior a la obtenida con la probeta prismática de igual base, por la mayor influencia que en las cúbicas ejerce el rozamiento en las secciones medias. Una vez colocada la probeta entre los platos de compresión de la maquina, se pone en cero el registrador de esfuerzos y se comienza la aplicación gradual y uniforme de la carga hasta la rotura o suspensión del ensayo. La resistencia de la madera disminuye con el aumento de la humedad entre ciertos limites, los que corresponden al estado de completa sequedad (0%) y al de saturación de las fibras (30%), pasado el cual los valores permanecen mas o menos constantes.

PLACA DE ACERO

5

5

515

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COMBUSTIBLES Es toda sustancia capaz, al combinarse químicamente con el oxigeno (oxidación), de constituir una fuente calorífica de aplicación practica. La combustión es una combinación de un elemento combustible con el oxigeno, por lo tanto es una oxidación. Cualquier elemento capaz de combinarse con el oxigeno produce cierta cantidad de calor la cual no es mas que la energía desarrollada. Cuando el combustible contiene compuesto del carbono es combustible orgánico. Cuando contiene un elemento simple, como el Si, Mg, S, F, es inorgánico. HULLA: Carbones fósiles que arden con llamas mas o menos larga desprendiendo humo muy grasiento, se denominan a este carbón BITUMINOSO. Este carbón se convierte en antracita que arde casi sin llamas, sin humo ni olor. Se dice una hulla coquiza fácilmente cuando al entrar en combustión se reblandece y suelda entre si los trozos que la forman. Los carbones fósiles denominados hullas secas no coquizan en pequeño grado. Una hulla que contiene elevado % de oxigeno no es coquizable. FUNDENTES: Son cuerpos que se agregan al mineral que debe tratarse en el alto horno para provocar la separación de la ganga. A altas temperaturas el fundente se combina dando lugar a cuerpos compuestos de más fácil fusión que antes. PODER CALORÍFICO: Se entiende por poder calorífico de un combustible al calor desprendido durante la combustión completa de 1 Kg del mismo si es sólido o liquido o de 1 m3 si es gaseoso. DETONACIÓN : Es el incremento súbito de energía causado por el aumento de la presión de compresión de un motor que eleva la temperatura de la mezcla aire-combustible y produce la auto ignición. La detonación produce un choque audible llamado pistoneo que perjudica al motor. La detonación se mide en números octanos. NUMERO OCTANO: Es una prueba de calidad efectuada directamente en el servicio. El N° octano de una gasolina indica su relativa tendencia a pistonear bajo condiciones especificas de operación en un motor de laboratorio. Esta tendencia se determina por medio de comparaciones con combustibles de composición y rendimientos conocidos. Al iso-octano puro se le ha asignado el grado 100, porque no pistonea en la mayoría de los motores de automóviles. Al heptano normal de pureza similar se le ha asignado arbitrariamente el grado 0, debido a que pistonea en casi todos los motores de automóviles. El N° octano es una prueba en servicio real de al calidad del combustible para motores. Es una de las más importantes que se usan regularmente en la producción de las gasolinas modernas de alta calidad. Ha ayudado tanto a los fabricantes de motores como a los refinadores de petróleo haciendo posible la fabricación económica de motores de automóviles de alta velocidad con relaciones de compresión altas como de 9 a 1. El N° octano es el % en volumen, de iso-octano que conforma una mezcla de iso-octano y heptano normal que puede equipararse con el combustible desconocido en su tendencia a detonar. VISCOSIDAD : La viscosidad de un liquido es la medida de su fricción interna, o sea su resistencia a fluir. Se dice que un liquido tiene baja viscosidad si fluye libremente como sucede con el agua y tiene alta viscosidad cuando fluye lentamente. Técnicamente la viscosidad se define como la fuerza


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necesaria para mover una superficie plana de 1 cm2 sobre otra superficie plana con una velocidad de 1 cm/seg, cuando las dos superficies planas están separadas por una capa liquida de 1 cm de espesor. Esta fuerza se denomina POISE o unidad de viscosidad absoluta o dinámica. La viscosidad cinemática es la razón de la viscosidad absoluta de un liquido y la densidad del mismo a la temperatura a la cual se mide la viscosidad. La unidad de la viscosidad es el STOKE. La viscosidad en stokes multiplicada por la densidad a la temperatura de la prueba es igual a la viscosidad en POISES. La industria petrolera toma como medida de la viscosidad el lapso de tiempo necesario para que una cantidad determinada de aceite fluya por un tubo capilar calibrado. Estas medidas se toman usando diversos instrumentos llamados viscosímetros. Uno de ellos es el SAYBOLT UNIVERSAL, esta compuesto de un tanque o baño que contiene un cilindro vertical con un orificio pequeño en el fondo del cilindro que contiene un tapón o corcho, contiene aceite que se va a probar. El tanque exterior es un baño de agua u otro liquido, para mantener el aceite a una determinada temperatura. Una vez que se halla llenado el cilindro con aceite, este se calienta a la temperatura deseada (100, 130, 210° F). Al quitar el tapón de corcho, el aceite fluye del cilindro a través del orificio y se deposita en un matraz aforado de 60 cm3. El tiempo en segundos que tarda el aceite en llenar los 60 cm3 es la viscosidad a la temperatura de la prueba. La viscosidad se expresa en segundos universales saybolt.

TRATAMIENTOS PRE-METALURGICOS El material se extrae de la mina en forma de bloque mas o menos grandes y en general deben reducirse a un grado de finura adecuado, estos procedimientos son: MACHAQUEO: Tiene por objeto transformar los bloques de mineral en trozos de 5 a 10 cm de diámetro, generalmente se hace en dos a tres etapas. pueden ser: Machacadoras de mandíbulas: que posee una mandíbula fija y otra móvil, animada de un movimiento de vaivén, que choca sobre la primera produciendo el machacado. MOLIENDA: Completa la acción del machaqueo, reduciendo el mineral a polvo con partículas del orden de 1 mm. Molino de cilindros: Esta formado por dos cilindros o rodillos del mismo diámetro y que giran en sentido contrario, pudiéndose variar la separación entre los mismos para regular el diámetro de polvo a obtener.

Molino de bolas: Estos molinos pulverizan los materiales previamente machacados por aplastamiento, consta de un recipiente cilíndrico giratorio con paletas, con bolas de acero de 1 kg de peso en su interior, que al ir girando el tambor las bolas caen sobre los bloques de mineral pulverizándolas, posee un tamiz en la periferia que permite salir al polvo de acuerdo al tamaño deseado CRIBADO: o tamizado consiste en clasificar los trozos según su tamaño. Un método es un cilindro con las paredes perforadas cuyos orificios van de menor a mayor, por donde se produce el tamizado a medida que el cilindro gira.

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RODILLOS

LARGUEROS

Otro método seria por criba vibrante, que comprende dos o tres tamices superpuestos de mayor tamaño a menor con un movimiento vibratorio. Con estos procedimientos obtenemos lo que se denomina GANGA. PROCEDIMIENTOS DE SEPARACIÓN: Estos tratamientos tienen por objeto separar de la ganga el elemento rico del mineral. Un método seria por flotación este consiste en introducir el mineral en líquidos densos contenidos en un tambor que gira, las fracciones ligeras quedan en suspensión y las fracciones pesadas van al fondo y son recogidas por cangilones (paletas con forma de tirabuzón, fijas a las paredes del tambor) que las trasladan a un canal de arrastre. TRATAMIENTOS TERMICOS PRELIMINARES: Este tratamiento tiene por objeto operar una transformación química dando un producto intermedio más apropiado para la elaboración del metal en el tratamiento metalúrgico propiamente dicho. Dos son los tratamientos más importantes 1.- Calcinación de los carbonatos: hornos de cuba, este horno de eje vertical recibe las materias a tratar por su parte superior denominada tragante y los productos de la operación salen por la parte inferior. La calefacción se obtiene cargando por el tragante un combustible sólido en capas alternadas con el material a tratar, y por la parte inferior del horno se inyecta aire, la temperatura no debe superar los 400 °C para que no se fluidifique el material. 2.- Tostación de los sulfuros: Consiste esencialmente en someter el material a la acción oxidante del aire a alta temperatura. Se utilizan hornos largos y rotativos de eje prácticamente horizontal, con toberas en la periferia del horno para ingresar el aire, el giro del horno es lento.

PRODUCTO TOSTADO

TOBERASALIMENTACION

Daremos hora una idea del tratamiento siderúrgico, siendo este la metalurgia de las aleaciones a base de hierro. Comprende dos fases distintas: 1.- OBTENCIÓN DEL ARRABIO: Se parte de un oxido de hierro natural u obtenido por calcinación de un carbonato o por tostación de la pirita de hierro. Este oxido se reduce en el alto horno, la alta temperatura necesaria para la separación de la ganga favorece otras reacciones (en particular la cementacion) que incorporan diversas impurezas al hierro, así se obtiene un producto muy impuro llamado ARRABIO que contiene un 94 % de hierro.


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2.- AFINO DEL ARRABIO: Consiste esencialmente en la eliminación por oxidación de la mayor parte de carbono y otras impurezas del arrabio, obteniéndose los aceros ordinarios.

HORNOS SIEMENS – MARTÍN (Afinado del arrabio) Martín consiguió transformar la fundición utilizando un horno de reverbero. El proceso esta basado en el principio de la descarburación de la fundición, mediante chatarra de Fe y acero en retazos que constituye un desperdicio de las industrias que utilizan estos materiales. Como el Fe y el acero son aleaciones, producen una mezcla de menor carburación, la que al estado liquido se homogeniza dando lugar a un acero cuyo porcentaje de C puede hacerse variar a voluntad, con solo aumentar o disminuir ciertas cargas que se agregan al baño metálico. Este procedimiento solo fue posible emplearlo en gran escala, cuando se aplica el horno inventado por Siemens, el cual permite obtener temperaturas elevadísimas, uniformes y constantes, en todo el recinto donde esta alojada la solera, o sea el lugar donde se produce la fusión del metal. A este recinto se lo llama laboratorio. Con el procedimiento Martín se ha hecho indispensable la utilización de hornos Siemens, por lo que el procedimiento se conoce como Siemens – Martín. El horno funciona de la siguiente manera : Se hace pasar los productos de la combustión antes de ir a la chimenea por grandes pilas de ladrillos u otros materiales capaces de absorber bien el calor. Este calor almacenado puede utilizarse para calentar el aire u otros elementos gaseosos destinados a quemarse, haciéndolos atravesar las pilas de ladrillos para que absorban el calor con que se consigue aumentar la temperatura en el lugar donde se produce la combustión. Con este horno se obtiene una temperatura que oscila entre los 1800 y 2000 °C, y tiene la característica que el revestimiento de la solera interviene en largas reacciones que se producen. La fabricación del acero por este método permitió utilizar las coladas y recortes procedentes de las acerias, convertidores, así como toda clase de chatarras y desechos de metales ferrosos. Estas coladas y recortes pasaron luego a ser el elemento principal de carga en este procedimiento. El revestimiento de la solera del horno juega un papel importante. No se trata de reducir él % de C solamente, sino la de eliminar los elementos nocivos, tales como S y P. La eliminación del S requiere que la escoria sea indispensablemente básica y que además exista una alta temperatura. La eliminación del P requiere el empleo de la cal en el baño donde se realiza el afinado. La cal destruirá rápidamente un revestimiento ácido o silícico, por lo cual, solamente se emplea con revestimiento básico. En el caso que el S y el P no existan, el revestimiento puede ser ácido. Es decir puede utilizarse tres revestimientos :

a) Afinado sobre solera ácida. b) Afinado sobre solera básica. c) Afinado sobre solera neutra.

Los hornos de solera ácida son empleados preferentemente para fabricación de piezas moldeadas, especialmente en acero puro. La naturaleza silicosa de las cargas y las reacciones que se producen, favorecen la obtención de un acero exento de sopladuras. Los hornos a solera básica son igualmente empleados para el colado de piezas, pero su destino más importante es suministrar materia prima para los talleres de laminación. Presentan las siguientes ventajas :

1. Es posible utilizar materiales ferrosos más impuros. 2. las reacciones y oxidaciones de los elementos contenidos en el baño se realizan mas

rápidamente y como consecuencia de esto, la operación invierte menor tiempo. 3. El consumo de combustible por Tn de acero obtenido es más bajo y por lo tanto de mayor

rendimiento económico. El acero presenta gran maleabilidad en caliente.

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HORNOS SIEMENS FIJOS Pueden observarse dos partes principales; la solera y las cámaras recuperadoras, y otras partes accesorias. La Fig. representa el funcionamiento del horno, las cámaras R2 y R4 más pequeñas conducen el gas proveniente del gasógeno en forma alternada según la posición de la válvula inversa. Las cámaras R1 y R3 conducen aire en forma alternada. Por R2 entra gas, por R1 entra aire, por R3 y R4 salen gases de combustión. Invertidas las válvulas, entra gas por R4, aire por R3 y salen los gases de combustión por R1 y R2. En ambos casos los gases de la combustión se dirigen a la chimenea después de ceder su calor a las cámaras recuperadoras por donde circulan, en cambio, en las otras dos, tanto el gas como el aire absorben el calor de las cámaras y entran calientes en el laboratorio donde la mezcla se inflama con mayor facilidad. Las cámaras son recintos en los cuales están apilados ladrillos refractarios, por lo general huecos, dispuestos modo tal que forman conductos verticales en zig – zag. por esta causa los humos calientes ceden su calor a una masa de ladrillos, durante determinado tiempo, mientras se mantiene la circulación. La inversión de la corriente gaseosa, la regulación del paso de gas y aire, así como la salida de los humos, se realiza mediante un juego de válvulas de inversión. La capacidad de los hornos Siemens – Martín es variable de acuerdo con la importancia que asume la fabricación de acero en la aceria donde esta instalado, por ejemplo :

1. Hornos de hasta 5 Tn, destinados a la fusión de aceros destinados a piezas moldeadas. 2. Hornos de 6 a 20 Tn, destinados a la fusión de aceros que moldeados en lingotes sirven

para el forjado de grandes piezas o bien para el colado de gran tamaño. 3. Hornos de 30 a 50 Tn, y aun más, destinados a suministrar por colado en lingoteras, acero

que posteriormente se lamina para darle forma y secciones comerciales. 4. Hornos de 6 a 20 Tn, destinados a la fusión de aceros que moldeados en lingotes sirven

para el forjado de grandes piezas o bien para el colado de gran tamaño.

A = Entrada de aire G = Entrada gas L = Laboratorio H = Chimenea R1, R2, R3, R4 = Cámaras recuperadoras


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DIMENSIONES SOLERAS: Debe tener la capacidad para contener la carga que en ella se deposita, las escorias que se forman y las adiciones que deben agregarse en el transcurso de cada operación. La capacidad debe ser mayor en el procedimiento básico por cuanto es mayor el volumen de la escoria formada. Tiene forma rectangular con ángulos redondeados. SOLERA ACIDA: Encima de las chapas de fundición se coloca una capa de ladrillos refractarios silicoso puesto de canto. Sobre los ladrillos se coloca un mortero formado por cuarzo puro, de algunos mm de diámetro mezclado con un 2 % a 5 % de arcilla refractaria para asegurar la unión de las partes. Cada capa es apisonada fuertemente a mano o con fundición, estos últimos se calientan para evitar su adherencia al apisonar. El secado se hace primero suavemente y en forma indirecta, mediante fuego exterior, cuyos humos se hacen entrar en el laboratorio, haciendo así evaporar el agua contenida en el mortero de revestimiento. SOLERA BASICA: Se forma con una capa de ladrillos manganesiferos, recubiertos por un mortero de magnesia y dolomita mezclada con alquitrán. La dolomita del mortero se pulveriza hasta un espesor de grano de 4 a 5 cm previo calentamiento inicial e intermedio entre capa y capa.

SOLERA NEUTRA: Se forma con pequeños bloques de ferrocarbono, llenando las juntas con trozos menudos de material, mezclados con cal y magnesia. RECUPERADORES : Son cámaras de ladrillos, colocadas lo mas cerca posible del horno para aprovechar el máximo calor recuperable. Los ladrillos son refractarios para que puedan resistir la acción de los gases de la combustión y el oxigeno a altas temperaturas. Estos ladrillos se construyen a base de Si o de alumina. TRATAMIENTOS TERMICOS El calentamiento y enfriamiento a temperatura y tiempos controlados se denomina TRATAMIENTO TERMICO, tiene por objeto la regeneración o modificación de la estructura cristalina, el acrecentamiento o variación de algunas de sus características físico – mecánicas en forma total. El tratamiento térmico consiste por lo tanto, en variar la velocidad de enfriamiento para poder obtener así estructuras cristalográficas con determinadas propiedades. El tratamiento térmico consiste en:

1. Calentar el metal o la aleación metálica dentro de determinadas temperaturas, alcanzando así determinadas propiedades existentes solo a esas temperaturas.

2. Enfriar, de determinada manera, ya sea casi instantáneamente, ya sea lento o muy lento, interrumpiendo este enfriamiento una o más veces si fuera necesario y luego enfriándolo hasta temperatura ambiente.

A = Ducha agua D = Aceite de linaza B = Baño agua a 20 °C E = Plomo fundido

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C = Mercurio

TIEMPO

D

E

CB

A

TEMPERATURA (°C)

+ resilencia

+ resistencia

RECOCIDO Es una operación térmica que consiste en calentar un metal a una temperatura por debajo de su punto de fusión (815 – 870 °C) y luego enfriarlo lentamente, para provocar en dicho metal propiedades que posee a temperatura normal (perlitica) y que pudo haber perdido a consecuencia del trabajo mecánico o por tratamiento térmico. El recocido produce la destrucción de las tensiones internas. La temperatura de recocido hace al metal más maleable (dúctil y blando), hace desaparecer las tensiones existentes. Además hace más homogéneo al metal: se presta para mejorar las propiedades de las piezas obtenidas por colado favoreciendo la formación de un equilibrio químico y estructural. TEMPLE Se calienta el material hasta los 780 – 880 °C y se enfría rápidamente, esto permite la formación de MARTENCITA que produce la dureza, esto depende de la aleación, del agente enfriador y rapidez con que se obre. REVENIDO Luego del temple se calienta el material a una temperatura mayor de 721 °C (en gral. 100° - 350 °C en aceros puros), y se enfría lentamente, esto se hace para convertir el acero de alta resistencia. Destruye la fragilidad del temple y las tensiones que en el se producen.


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BOLILLA Nº 02 Ensayo de materiales: Clasificación de los ensayos: El ensayo de los materiales abarca un panorama muy amplio, porque sus objeto puede consistir en efectuar tanto el estudio, como el control de los materiales, si se destruye o no la probeta, y la velocidad del ensayo, por lo tanto daremos las siguientes clasificación:

• Una primer clasificación de acuerdo a: ESTUDIO O CONTROL DEL MATERIAL

1. ENSAYOS CIENTÍFICOS: Es el ensayo que se realiza para conocer el material, por ejemplo la determinación de su Modulo de Elasticidad, que serviría luego para los cálculos de resistencia, deformación, etc.

2. ENSAYOS TECNOLÓGICOS: Este ensayo tiene por objeto prever el comportamiento de un material, de un elemento estructural, ante el uso al que serán destinado.

3. ENSAYOS DE CONTROL: Es un ensayo de comparación o un ensayo con fines de selección, mediante este ensayo se establece un orden de preferencia de una serie de productos destinados a un mismo fin.

• Una segunda clasificación seria de acuerdo al ESTADO FINAL DE LA PROBETA.

1. ENSAYOS DESTRUCTIVOS: Son todos aquellos ensayos en que el cuerpo de prueba (ya sea esta una probeta, una pieza de maquina o una estructura) se somete a cargas crecientes hasta alcanzar un estado limite tal que tanto puede significar la rotura del material o su agotamiento, que dejaría al mismo imposibilitado de utilizarlo posteriormente (la mayoría de los que veremos).

2. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS: En este ensayo, se trata de obtener la mayor cantidad de información, sin impedir que los mismos puedan seguir desempeñándose en el ámbito que le compete y con las mismas condiciones de seguridad (ensayos de dureza, ensayos de resistencia estructural del hormigón, utilizando el Esclerómetro o por ultrasonido).

• Una tercer clasificación seria de acuerdo a la VELOCIDAD DEL ENSAYO:

1. Estáticos: aplicación lenta y progresiva de la carga, la rotura se lleva a cabo en el lapso de algunos minutos.

También dentro de este ensayo se puede presentar que el ensayo deba durar horas, días o meses estaríamos en presencia de un ensayo ESTATICO DE LARGA DURACIÓN.

2. Dinámicos: cargas dinámicas, donde la rotura del material es en cuestión de segundos o instantánea.

• Una ultima clasificación de acuerdo al TIPO DE ENSAYO:

1. Tracción: metales, plásticos, morteros, madera y tierra. 2. Compresión: metales, hormigón, plásticos y madera. 3. Flexión: metales y maderas. 4. Torsión: metales y hormigón. 5. Corte: metales, maderas y tierras. 6. Fatiga: metales, plásticos.

FATIGA

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Si sometemos a una pieza metálica a esfuerzos variables y repetidos un gran numero de veces, se podrá observar que la pieza se rompe bruscamente y sin que sufra deformaciones permanentes; y con una carga inferior a la que soportaría en un estado estático; ESTO ES FATIGA. Actualmente se admite que la rotura por fatiga es una fractura progresiva, que se inicia en un punto o zona de fuerte concentración de tensiones, cuyo origen obedece a irregularidades superficiales, a cambios bruscos de forma, a la existencia de fisuras internas miscrocopicas, defectos propios del material, tales como porosidades, escorias, impurezas. TIPOS DE TENSIONES EN LA SOLICITACIÓN POR FATIGA Distinguimos dos tipos fundamentales de solicitaciones. CARGAS OSCILANTES: Los valores extremos son de signos contrarios. CARGAS PULSATORIAS: La tensión varia entre dos valores extremos sin cambio de signo. Cada uno de ellos admite un caso particular que nos conduce a los 4 tipos de cargas (2 en cada tipo de carga). CARGAS OSCILANTES

σa

σa

σ 1

σ 2

σ m = 0

σ 1

σ m

σ 2

t

+ σ

− σ− σ

+ σ

+

−−

+

t

1°) SIMETRICO O PURO 2°) ASIMETRICO

Ciclo alternado asimétrico: tensiones distinto signo y valor.

Alternos: 1º) simétrico o puro: ( )2

21 σσσ

−+=m como σ1 = –σ2 ⇒ σ m = 0

∧ σa = σ1 – (–σ2) = σ1 + σ2

2º) asimétrico: ( )2

21 σσσ

−+=m ∧ σa = σ1 + σ2

Siendo: σ m = Tensión media σ a = Amplitud CARGAS PULSATORIAS:


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σ 1

t

σ

σ 2 = 0

σ m

t

σ

σ m

σ1

σ2

σa

3°) INTERMITENTE 4°) ASIMETRICO

3º) Intermitente: 2

1σσ =m ∧ σa = σ1

puede ser (+) o (–), pero siempre un solo signo, su valor va desde 0 a un valor determinado.

4º) Asimétrico: 2

21 σσσ

+=m ∧ σa = σ1 – σ2

ENSAYO DE FATIGA – CURVA DE WOHLER: Se usan probetas a las cuales se las someten a solicitaciones simples, que producen tensiones dinámicas, las que se repiten entre dos límites hasta llegar a la rotura. A la probeta (ver figura), que se lo toma con las mordazas, se le imprime un movimiento de rotación por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida. La probeta queda sometida a una flexión alternada, ya que la cual se invierte cada 180º por el giro de la probeta. Produciéndose sobre las secciones transversales tracción y compresión en forma alternada simétrica. Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe.

PROBETA

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MAQUINA ENSAYO FATIGA

Estudiando el caso de flexión rotativa se comprueba que al aplicar a la probeta un peso que origine un esfuerzo ligeramente inferior al de rotura por tracción y esto acontece en pocos giros o ciclos, repitiendo la experiencia sobre probetas iguales, del mismo material y bajo las mismas condiciones, pero con disminuciones progresivas de la carga, las fracturas se producen al cabo de un Nº cada vez mayor hasta llegar a un peso en que los esfuerzos toman valores tales que la rotura tiene lugar para varios millones de ciclos, que se pueden considerar infinitas. A este valor del esfuerzo, bajo el cual el material no se rompe al aumentar indefinidamente los ciclos, se lo denomina LIMITE DE DURACION O RESISTENCIA DE FATIGA por lo tanto definiremos. RESISTENCIA A LA FATIGA: Es la máxima amplitud (σa) que superpuesta en ambos sentidos a la tensión media (σm) estática, actuando un numero ilimitado de reiteraciones no provoca la rotura a la probeta ni una deformación plástica superior a la admisible. Límite convencional mayor a 2x106 = el material no se rompe. Al Nº mínimo de ciclos, bajo el cual el material no rompe se lo llama “ Nº límite de solicitaciones o ciclos ” y corresponde al límite de fatiga o duración. Con los datos de cada uno de los ensayos, los cuales trasladaremos a un eje de coordenadas, indicando la σmax y el N° de ciclos a la que fallo, obtendremos diferentes puntos por los cuales trazaremos en forma compensada una curva, obteniendo así la CURVA DE WOHLER. La curva de Wohler, no da la exactitud de las propiedades mecánicas del material, pero sí indica la resistencia en tiempos u horas de vida que tendrá el metal cuando se lo somete a esfuerzos superiores que al de la resistencia de fatiga que posee.

N=N° DE CICLOS

σF

σ MAX

CURVA DE WOHLER

Resistencia a la fatiga

La curva es asintotica paralela al N° de ciclos, a medida que disminuye el esfuerzo

σ est.

Cuando el N° de ciclos del ensayo es igual a cero, estamos indicando la tensión estática (σest), ya que no hay giro de la probeta, por lo tanto es la tensión de flexión.

DIAGRAMA DE FATIGA Cada curva de Wohler representa los ensayos de fatiga realizados con una misma tensión media y diferentes amplitudes. Por lo tanto constituye solo la representación parcial de un ensayo de


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fatiga. Otras condiciones de ensayo dan lugar a otras tantas curvas de Wohler, que corresponden a distintas zonas de solicitación. Resulta así de interés trazar un solo diagrama que reúna las relaciones entre las tensiones medias, las amplitudes y las tensiones máximas y mínimas, así como las condición limite de la resistencia estática. Sobre un sistema de coordenadas ortogonales, con igual escala, se toma sobre el eje de las abscisas las tensiones medias y sobre el de ordenadas las tensiones máximas (σ1) y mínimas (σ2), medidas a partir de una línea trazada a 45° a partir del punto 0 de coordenadas, que me indicaría la tensión media (σm). Al mismo tiempo, dicha recta divide en partes iguales a la tensión de amplitud (σa). Para la construcción practica de este diagrama (siempre basándonos en la curva de Wohler), en cada punto de la línea a 45° que corresponde a un ensayo de Wohler en que las tensiones medias (σm) es constante para cada curva, se ubica hacia arriba y hacia abajo el valor del limite de fatiga σF obtenidos en ese ensayo, luego de varias proyecciones de los distintos ensayos, unidos entre si estos punto, proporcionan las dos curvas limites del diagrama de SMITH (σ1, σ2). Los puntos ubicados dentro de la entre ambas curvas (zona rayada), corresponden a ensayos de fatiga en que la probeta no rompen; todos aquellos puntos ubicados fuera de esas curvas representan a probetas que rompen por fatiga. Donde ambas curvas se cortan, punto D, σa = 0, por lo que se tiene la tensión de rotura estática (σR) -que seria el que se obtiene en el ensayo de tracción-. Pero para fines prácticos no es aconsejable trabajar con este limite de tensión, por lo que se adopta como limite el limite de fluencia (σe). Para ello se marca σe en ordenadas y se traza una horizontal, donde dicha horizontal corta la curva (punto A) se proyecta ese punto a la curva inferior (punto B), se continua la horizontal hasta cortar a la línea a 45° y obtenemos el punto C, por ultimo unimos el punto C con B, quedando así delimitado el diagrama con respecto a la tensión de fluencia. En este diagrama quedan reflejados todos los tipos de cargas que hemos definido al inicio de este tema.

+ σ ( tracc)

−σ (comp)

Tipo

1

Tipo 2 Tipo 4

Tipo

3

σ eσ R

σ1

σ 2

σa

σ m

σ (tracc)

CA

B

D

Efectos que varían la resistencia de fatiga: a. Efecto del tratamiento térmico: los valores de la fatiga varían con la composición del metal,

estructura del grano y tratamiento térmico. Con este se comprobó que los aceros de aleaciones y de alto porcentaje de C mejoran su resistencia a las tensiones repetidas en hasta un 22% al ser tratadas térmicamente.

b. Terminado de las superficies: es muy importante, así las que están pulidas al máximo, presentan mayor vida que las de pulido corriente y estas ofrecen mayor resistencia que las

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torneadas. Por trabajar en el torno, la resistencia de fatiga disminuye como consecuencia del arranque de viruta que afecta a la superficie del metal.

c. Efectos de la entalladura: las experiencias de Moore y Kommers demuestran que la fatiga disminuye un 65% cuando se efectúa en el centro de la probeta una entalladura en V con un ángulo de 30º. Así la relación entre la resistencia obtenida sobre una probeta lisa con la de la probeta entallada permite determinar un coeficiente de forma Kf que dependerá del material y forma de la ranura.

Kf = entalladaprobetalasobrefatigadetensión

lisaprobetalasobrefatigadetensión

d. Efecto de la corrosión: si la probeta es atacada por un agente corrosivo (agua dulce o salada)

la resistencia experimenta una disminución. e. Efecto del trabajo previo. f. Efecto de la frecuencia y del tamaño de la pieza. g. Efecto del método de ensayo.

Determinación del tiempo de fraguado del cemento: Fraguado: proceso químico que tiene lugar cuando el agua se combina con el cemento. El tiempo de fraguado se puede dividir en 2 períodos: inicial: tiempo que trascurre desde el momento en que se agrega el agua, hasta que la pasta dejo de ser fluida. Final: fraguado propiamente dicho, se obtiene cuando el material adquiere cierta dureza. Cementos de Para determinar los tiempos es necesario, llenar el molde del aparato de Vicat con una pasta de consistencia normal, fijándose como comienzo del fraguado al tiempo que transcurre desde el momento en que se agrega agua al cemento hasta que la aguja de 13 mm de diámetro, y de peso total de 300 gramos, atraviese el molde que contiene la pasta o bien se detenga a 0,5 mm de su escala. El tiempo final se tomará desde el instante que deja de cumplirse lo anterior hasta que la aguja penetre en la pasta 1 mm (el período termina en el momento en que la aguja deje restos apenas visibles). Los tiempos de fraguado se ven afectados por la cantidad de agua de la mezcla, por su temperatura y por la humedad.

SOPORTE PARA SONDA DE TETMAJER O VICAT

Preparación de las probetas: Se debe homogeneizar el cemento y separar los agregados según su granulometría, para mezclarlos en el pastón de prueba.

Fraguado rápido: período inicial en no menos de 2 minutos y final en no más ............................de 3 horas.

Fraguado lento o normal: tiempo inicial no menos de 45 minutos ni mayor de ..........................................3 horas y el final no pase de 10 horas.


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La resistencia del hormigón resulta del promedio de 3 ensayos, por lo que se deben preparar 4 o 5 probetas del mismo material. El pastón se obtiene mezclando cemento y agregados (en un recipiente limpio e impermeable) hasta la obtención de un color uniforme, luego se vierte el agua estipulada. La probeta se prepara colocando en los moldes 3 capas de material de volúmenes aproximados, las que se apisonan con una varilla de punta redonda. Una vez apisonadas y alisada la capa superior, se tapa el molde para evitar la evaporación del agua y luego de 3 o 4 horas se efectúa el encabezado de la probeta (agregado de una capa de mortero de cemento sobre su superficie). El terminado del mortero debe ser del menor espesor posible y no debe desprenderse, ni rajarse durante el ensayo. INDICE DIESEL Es igual al producto del punto de anilina del combustible, por su densidad expresada en grados API, dividido por 100, siendo el punto de anilina la mínima temperatura a la que son totalmente miscibles volúmenes iguales de anilina e hidrocarburo. En los combustibles ordinarios el índice diesel varia entre 35 y 75. Expresa la facilidad de inflamación. Nº cetano: Medida de la calidad de ignición de los combustibles para motores diesel. El Nº cetano es igual al porcentaje de cetano (hidrocarburo líquido) en una muestra de referencia de calidad de ignición igual al de la muestra que se ensaya. Nº ceteno: Medida de la calidad de ignición de los combustibles de motores diesel. No es utilizado pues ha sido reemplazado por el N° Cetano.

1 unidad ceteno = 0,875 unidad de cetano

Ley de las fases - Ley de Gibbs:

Alotropía: propiedad en virtud de la cual un elemento puede existir en 2 o más formas con distintas propiedades (estado cristalino, peso específico, propiedad magnéticas). Las propiedad de los elementos experimentan variaciones bruscas a determinadas Temperaturas, llamadas temperaturas críticas y la presencia de sustancias extrañas pueden influir mucho sobre la temperatura en que se verifican esas discontinuidades. Ley de las fases: El equilibrio químico de una mezcla de un numero cualquiera de elementos o sistemas químicos, depende de un cierto numero de factores independientes cuya variación puede dar lugar a cambios de estado o de constitución. Se consideran como factores independientes, la presión y la temperatura. En metalurgia y en estudios metalograficos los efectos de la presión se consideran despreciables; por lo tanto, tenemos como único factor independiente, la temperatura. Haciendo variar cualquiera de estos factores, variaran las condiciones de equilibrio del sistema. (Se dice que un sistema esta en equilibrio, cuando todas sus variaciones o modificaciones internas han cesado). Si se hiciera variar uno de los factores mencionados, se producen reacciones en el interior del sistema, hasta alcanzar el nuevo estado de equilibrio. Por ejemplo si se hace una mezcla de agua y sal, el agua disolverá una cierta y determinada cantidad de sal y el resto de la sal quedara en estado sólido dentro del agua. El sistema entonces estará en equilibrio. Si se hace variar la temperatura de la mezcla, se producirá una nueva disolución o precipitación de sal (según la temperatura aumente o disminuya) hasta que la mezcla alcance un nuevo estado de equilibrio.

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En este ejemplo podemos considerar la temperatura como una variable independiente, y la cantidad de sal disuelta para que la mezcla se encuentre en equilibrio, como una variable dependiente de la primera. FASES: Se llama fase de un sistema la parte de dicho sistema diferenciable físicamente y separable por medios mecánicos; se puede decir que fase es toda parte homogénea, de un conjunto heterogéneo. Así un sistema homogéneo, esta constituido por una sola fase; en cambio otro heterogéneo esta formado de varias fases. El ejemplo anterior de agua y sal es un sistema con dos fases; la sal sólida y la solución de agua – sal. Otro ejemplo seria. El agua liquida, el hielo y el vapor de agua, son las tres fases en que puede presentarse la sustancia agua. A 0 grado y presión ordinaria se puede conseguir un sistema a dos fases, formado por agua liquida y hielo. GIBBS ha dado la expresión matemática de la ley de las fases, la cual permite fijar el grado de libertad de un sistema, es decir, el numero de factores independientes que se pueden variar arbitrariamente, sin que el equilibrio del sistema varíe (el numero de fases se altere). La ley de las fases se representa por la ecuación:

ϕ−+= )1(nv donde: v = representa los grados de libertad del sistema. n = El numero de compuestos independientes. ϕ = El numero de fases. Se llama compuestos independientes los cuerpos en que se puede hacer variar arbitrariamente la masa, sin cambiar la definición del sistema. Cabe aclarar que la expresión de la ley de las fases, escrita mas arriba, se encuentra ya simplificada en lo que a los factores de equilibrio se refiere, pues en la expresión general de dicha ley:

ϕ−+= )( pnv

se ha sustituido a p (números de factores de equilibrio) por el numero 1, al considerar únicamente como tales a la temperatura, despreciando a la presión y a todos los demás factores de menor importancia (campo magnético, fuerzas capilares, etc) Cuando v<0: el equilibrio del sistema es imposible, tal seria el caso de un cuerpo bajo los tres estados (sólido, liquido y gaseoso), el equilibrio no es posible para cualquier temperatura. Cuando v=0: el equilibrio subsiste a una sola temperatura que seria la del punto de fusión o de transformación. El sistema que esta en equilibrio para esa temperatura es también perfectamente definido (INVARIANTE). Cuando v>0: el equilibrio subsiste a muchas temperaturas, pero para que el sistema sea definido es necesario conocer además de la temperatura, la proporción de un constituyente en n-1 fases o la proporción de n-1 constituyentes en una fase. Cuando v = 1 (MONOVARIANTE) Cuando v = 2 (BIVARIANTE) APLICACIÓN DE LA LEY DE LAS FASES: Caso de un metal puro: (n=1) Si consideramos una sola fase, metal sólido por ejemplo: ϕ= 1 luego aplicando la ley:

1111 =−+=v >0 El equilibrio subsiste a varias temperaturas.


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(puntos A-P en liquido y puntos F-B en sólido) Considerando dos fases: Metal sólido y liquido simultáneamente ϕ=2 resulta

0211 =−+=v El equilibrio subsiste a una sola temperatura, que es la fusión del metal (Puntos P – F). Si las fases fueran tres: ϕ=3 se tiene

1311 −=−+=v <0 El equilibrio es imposible.

Temp. de fusion = T

F

P SOLIDO

tiempo

LIQUIDO

T°

L=1+1-1=1 (univariante)

L = 1+1-2=0 (invariante)

L=1+1-1=1 (univariante)

A

B

CURVA ENFRIAMIENTO METAL PURO

Caso de una aleación binaria: (n=2) Si consideramos tres fases estas pueden subsistir a una sola temperatura, pues resulta v=0. El sistema no admite ningún grado de libertad para la variable independiente. Por ejemplo la aleación Bismuto – Estaño, a una temperatura fija (143 °C) puede subsistir en tres fases simultáneamente: bismuto sólido, estaño sólido y una mezcla liquida de estaño y bismuto; si se varia la temperatura se rompe el equilibrio. Si suponemos el caso de dos fases (aleación liquida y aleación sólida) ϕ=2, entonces v=1; tendremos un grado de libertad, es decir, que podemos variar la temperatura entre ciertos limites, subsistiendo siempre las dos fases: liquida y sólida. Se entenderá mejor pensando en el ejemplo agua y sal, en el cual deseamos que subsistan simultáneamente las dos fases, es decir, agua con sal disuelta (fase liquida) y sal sólida (fase sólida). Tenemos n=2, ϕ=2, resultando v=1. Podemos por lo tanto variar la temperatura del conjunto dentro de ciertos limites, y las dos fases siempre subsistirán, pero para cada temperatura se producirá una concentración única y definida de la sal en el agua. (E) Eutéctica: mezcla cristalina que funde a una temperatura menor a la de sus componentes. Los metales constituyentes son parcialmente miscibles al estado sólido. Realizamos el análisis aplicando la regla de las fases.

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A

T°

Q'Q

T

T'P'

FF'

E

P

N

N'M'

M

B C D

S'

sol. solida

sol. solida univariante

I - aleacion liquida

K

III - sol. y liq.II - sol. y liq.

%C

sol. solida

Ι) La región delimitada por QEQ´ (zona Ι) hay una sola fase; la fase líquida; el sistema es bi-variante, la temperatura y la concentración varían sin que se varíe el equilibrio, es decir sin que se solidifique.

v = 2 + 1 – 1 = 2

Para una aleación K, cuando alcanza el punto F, el líquido comienza a solidificarse y hay 2 fases (1 sólida y otra líquida) ⇒ el sistema es UNIVARIANTE.

v = 2 + 1 – 2 = 1

Si desciende la temperatura de T a T´, la fase líquida varía de F a F´ y la solución en equilibrio con aquella de P a P´. En (ΙΙ) y (ΙΙΙ), las aleaciones forman un sistema UNIVARIANTE por lo tanto al variar la temperatura se origina una modificación de la concentración y viceversa. En el punto E “ eutéctico “ coexisten 3 fases (2 sólidas y 1 líquida) el sistema no tiene ningún grado de libertad.

v = 2 + 1 – 3 = 0

En las zonas de AQSB y DQ´S´C el sistema tiene 2 grados de libertad y existen solo una fase sólida.

v = 2+1-1=2

En la zona BSS´C están presentes 2 fases (solución Q y otra Q´) el sistema es UNIVARIANTE.

v = 2+1-2=1

Aleaciones livianas: (de gran dureza, pero peso liviano) Se llaman así a las aleaciones de aluminio (Al). Tienen gran importancia en la construcción. Estas aleaciones se fabrican por fusión en hornos de crisol o en hornos a inducción de baja frecuencia, pueden laminarse. Ejemplos: Aleaciones con hasta 12% de Cu para pistones. Aleaciones con hasta 10% y 13% de Si para fundir piezas de formas complicadas. Aleaciones con Mg para piezas laminadas y perfiles. Aleaciones con Zn para piezas de poca importancia.


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BOLILLA Nº 03

ENSAYOS ESTÁTICOS Máquinas de ensayo : las máquinas empleadas para los ensayos de tracción de barras y perfiles son del tipo “universal” y pueden adoptarse a experimentos de compresión, flexión, corte y torsión. Las más utilizadas: Amsler 50 tn, Riehle de 12,5 tn y Mohr-Federhlf de 200 tn. Estás máquinas constan de:

• Prensa hidráulica. • Bomba de aceite con inyección regulada. • Dinamómetro (instrumento para medir fuerzas o potencias), registrador de carga y

diagrama.

MAQUINA UNIVERSAL

PROBETA EN COMPRESION

PROBETA EN TRACCION

PISTON

DIAL DE CARGA

DEFORMACIONES PLASTICAS Continuando el estudio que se inicio en la bolilla 1, en Relación Esfuerzo-Deformación, seguiremos con el grafico de Esfuerzo-Deformación del acero para conocer ahora la ZONA PLASTICA, y sus características.

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DEFORMACIONES

ZONA IIplastico

ZONA Ielastico

ESFUERZOS

F MAX

∆ LMAX A = límite de elasticidad o proporcionalidad. B = límite de elasticidad práctica. C = límite inicial de fluencia. D = límite final. E = carga máxima. F = rotura de la probeta. Zona Ι = período elástico. (Estudiado en bolilla 1) Zona ΙΙ = período plástico. (Estudiaremos este caso) 1 = Zona elástica. La deformación es proporcional a la carga y desaparecen al cesar dicha carga. 2 = zona de alargamiento permanente. El tramo AB se confunde con la recta inicial, en B se obtiene la máx. tensión hasta la cual el alargamiento permanente es tan pequeño que se lo puede considerar prácticamente elástico. 3 = zona de fluencia. 4 = zona de alargamiento homogénea después de D en toda la probeta, por efecto de deformación hay un endurecimiento, acritud hasta E, donde adquiere la carga máxima. 5 = zona de estricción, la acritud subsiste pero hay una disminución de secciones transversales y la carga disminuye hasta la rotura. Tramo CD: el material fluye o cede sin que aumentara la Tensión hasta D, pasando D con ayuda.

• El límite teórico de elasticidad: se determina con un extensómetro, que mide la deformación en la zona de rotura; se somete a la rotura con sucesivos esfuerzos crecientes y entre 2 estados de cargas se descargo verificando si se produjeron alargamientos permanentes. “ La mayor tensión que se alcanzo es el límite”.

• El límite aparente de elasticidad: se establece determinando el límite de fluencia: 1)directamente en el diagrama, la tensión que corresponde al límite de fluencia; 2) observando si la aguja de la máquina sufre algún retroceso o se detiene (en la práctica).

Durante el ensayo de tracción, si se descarga la probeta, luego de alcanzar la zona plástica (A), pero antes de producirse la ruptura, la curva σ − ε cambia de forma. La longitud de la probeta tiende a recuperarse (RE), pero no alcanza la longitud inicial, quedando con una longitud mayor,


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que se denomina deformación permanente (DP). A nivel gráfico, la curva se devuelve con la pendiente de la zona elástica.

σ

0 ε

A

DESCARGA

CARGA

DP RE

DT

Finalmente, si la curva σ - ε del material no presenta claramente dónde termina la zona elástica y comienza la zona plástica, se define como punto de fluencia al correspondiente a una deformación permanente del 0,2%. La Figura ilustra lo anterior, mostrando el diagrama de esfuerzo contra deformación para cobre policristalino.

Región elástica y región plástica inicial que muestra el límite de fluencia para una deformación permanente de 0,2%.

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Para determinar el limite de proporcionalidad trazamos una recta acompañando la recta inicial del diagrama, en el punto donde dicha recta se separa del diagrama seria el limite de proporcionalidad, que seria el limite de la zona elástica y donde comenzaría la zona plástica, luego marcamos sobre el eje de ε el 0,2 % de deformación (en función a la longitud inicial de la probeta) y trazamos otra recta paralela a la de proporcionalidad, al cortar el diagrama estamos en el punto de fluencia buscado.

ENSAYOS DE CHOQUE La mayoría de los ensayos no me indican la fragilidad del material, o sea de romperse cuando son sometidos a choques bruscos, como en la actualidad se esta utilizando el material al máximo, reduciendo en lo posible las dimensiones de las piezas, muchas de ellas perfectamente calculadas al esfuerzo estático, se romperían por efecto de la brusca variación de los esfuerzos. Por lo tanto se debe conocer la forma de responder el material a este efecto. Esta propiedad del material se denomina RESILIENCIA, que seria la ausencia de fragilidad. Máquinas de ensayo de choque: Se agrupan en: pendulares, de cabeza giratoria, y de impacto vertical.

• Pendulares: impacto con una masa o martillo oscilante. Las más conocidas: Charpy, Izod y Oxford en la cual el péndulo y la masa son suspendidos por medio de alambres para evitar la pérdida de energía debido a la fricción y vibraciones; lo que sucede en las 2 anteriores a esta.

• De cabeza giratoria: Guillery, está compuesta por una rueda con el dispositivo de impacto, la energía de choque se mide según un dispositivo hidráulico.

• De impacto vertical: Fremont y Turmer estas producen la rotura por medio de una masa

que rompe a la probeta por flexión o compresión.

ENSAYOS DE FLEXION POR CHOQUE: Los elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de carga sufren rotura instantánea al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad. Por lo tanto los ensayos de choque me determinan la capacidad del material de absorber esa carga de impacto (resistencia al choque) y además comprueba si una máquina o estructura fallara


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por fragilidad bajo condiciones de trabajos; en especial si hay concentraciones de tensiones, por cambios bruscos en la sección, o maquinados incorrectos.

METODO DE FREMONT: Consta de una cuchilla (C) con masa (M) de 10 – 15 kg con una caída de 4 m, la cuchilla de un largo tal que rompa la muestra sin que la masa (M) toque la plataforma (P); Luego de rota la probeta, la masa (M) continua su caída golpeando la plataforma, deformando los resortes R, dicha deformación se indica en el dial, dándome la fuerza residual, que por diferencia con la inicial me indica la fuerza de rotura.

MAQUINA DE FREMONT

M

C

10 - 15 kg

R

P

DIAL

PROBETA

8 x 10

MÉTODO DE CHARPY: La probeta es como la indicada en la figura, la maquina es pendular con un peso W, le damos un ángulo de lanzamiento α y se suelta dicho peso para que golpee la probeta, rompiéndola, el peso continua su recorrido marcándome un nuevo ángulo β, con estos ángulos podemos obtener las energía antes del golpe y luego del mismo, que por diferencia de estas energías obtenemos la energía necesaria para romper la probeta.

W β

a'

a

L

PROBETAW

160

2

13

diam 4mm 30x30 mm

MORDAZA

PROBETA

b

o

W = peso del martillo L = distancia del centro de oscilación α = ángulo inicial β = ángulo después fractura

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1. altura caída martillo = αcosLLab −= energía del martillo antes del golpe:

)cos1(.)cos(1 αα −=−= LWLLWW

2. altura martillo luego del golpe = βcos' LLba −= energía después del golpe:

)cos1(.2 β−= LWW

3. energía absorbida por el golpe:

)cos(cos.21 αβ −=⇒−= LWWfWWWf Se debe tener en cuenta la energía desperdiciada por rozamiento durante el ensayo, para ello debemos hacer trabajar el péndulo sin probeta, obteniendo α y β de rozamiento, obteniendo:

)cos(cos. αβ −= LWWfr Que se descontara del Wf del ensayo. FLEXIÓN POR CHOQUE DE BARRAS EMPOTRADAS (METODO DE YZOD): 1º) La probeta se coloca en voladizo, en posición vertical, sujeta por la mesa de apoyo. La entalladura queda en el plano de las mordazas. El martillo golpea a 22 mm. 2º) Cuando tengo probetas circulares, la ventaja es que puedo colocar la energía de rotura sobre las caras o generatrices opuestas y a distintas profundidades de la muestra, las máquinas más usadas son las del tipo pendular (Amster).

MAZA PENDULAR

MORDAZA

PROBETA

PROBETA

VALORES DE CHOQUE O RESILENCIA (ρ )ρ )

===

2)2(sec

)(

cm

Kgm

cmcion

KgmTabajo

S

τρ

S = sección deducida la entalladura


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ENSAYOS DE MADERAS Los ensayos de maderas son variados y varios de los casos de forma perpendicular a la fibra y/o transversal a la misma, esto se debe a las diferentes formas que se hace trabajar a las piezas de madera, por ejemplo en esta cabriada tenemos varios ejemplos de las distintas solicitaciones que trabajan.

TRACCION // A LA FIBRA

COMPRESION // A LA FIBRA

COMPRESION PERP. A LA FIBRA CIZALLAMIENTO // A LA FIBRA

COMPRESION PERP. A LA FIBRA

RESISTENCIA A LA FLEXION: Este es el ensayo más importante. Se realiza en forma perpendicular a las fibras, ya que la mayoría de las piezas a utilizar en estructuras trabajarían de esta forma por la manera de cortar los árboles, ya que las piezas solicitadas a flexión normalmente son largas, esto implica que las cortarían a lo largo del tronco. La probeta es de sección cuadrada de 5 x 5 cm y 75 cm de largo, los apoyos se ubican a 2,5 cm de los bordes, quedando una luz de 70 cm; de modo que se comporte como una viga simplemente apoyada, el peso P se aplica en el centro de esta luz, se da una carga inicial de 5 a 10 kg, para fijar la probeta en sus apoyos, que con el objeto de permitir el libre desplazamiento de la probeta son de forma de rodillos. y luego se aumenta la carga en 50 kg y de allí en forma progresiva se va aumentando la carga hasta la rotura, a medida que se va aplicando la carga se va anotando su flecha (deformación), en el grafico al principio va dando una recta, hasta el momento en que la probeta empieza a ceder (es el periodo elástico) en el cual en el grafico da una curva y luego sobreviene la rotura.

70 cm

CARGA

5 x 5 cm

ENSAYOS DE TRACCIÓN: Este ensayo se efectúa en sentido paralelo a la fibra, se utiliza la maquina universal, de este ensayo queda la desventaja del aplastamiento o cortadura que experimenta el material al ser tomado por la mordaza o sistema de sujeción de la maquina de ensayo, que provoca generalmente la rotura fuera de la zona calibrada (1/3 medio de la probeta). Con el objeto de eliminar este inconveniente, las probetas se construyen con extremos muy ensanchados con respecto a la parte calibrada (como el de la figura).

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Bajo esfuerzos de tracción axial, las fibras de las maderas actúan en mejores condiciones que en los casos de compresión. Las deformaciones que experimenta la madera sometidas a cargas paralelas son muy pequeñas, sobreviniendo la rotura en forma instantánea al destruirse algunas de las fibras de una sección, que será la de fractura, presentándose esta en forma astillada.

ENSAYOS DE COMPRESIÓN: La resistencia a la compresión se determina sobre probetas cúbicas de 5 cm de lado en el sentido paralelo a las fibras, y en sentido perpendicular a las mismas. Sentido perpendicular a las fibras:

PLACA DE ACERO

5

5

5

15

Sentido Paralelo: En la figuras se ven distintas formas de fallas en las probetas.

ENSAYO DE CORTE: El ensayo de la madera al corte, se realiza en el sentido perpendicular a las fibras y en el sentido paralela a las mismas, por una maquina que sujeta la probeta sin producir flexión. El corte de la probeta puede hacerse en una sola sección, a modo de tijera, o en dos secciones diferentes, en que la distancia entre los apoyos debe ser exactamente el espesor de la pieza superior que producirá el corte.


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5

1.9

5

6.25 5

CARGA

PLANO DE CORTE

PROBETA

HERRAMIENTA PARA CORTE

Dureza: Estos ensayos me dan las características físico-mecánicas de la madera; de modo que las puedo clasificar en duras, semi-duras, blandas y muy blandas. Métodos: Brinell: determina la relación entre la carga aplicada a una bolilla de acero y la superficie de penetración que experimenta el material. El diámetro de la bolilla = 10 mm; carga 100 a 500 Kg. Janka: mide la dureza por la carga que requiere un penetrador esférico de 11,21 mm de diámetro., Para introducirse hasta su sección media o sea obtener una flecha igual a su radio. Módulo de elasticidad de la flexión: Uno de los objetos del ensayo de flexión, es el de determinar el modulo de elasticidad longitudinal de la madera, al emplearse la probeta sometida a una carga concentrada aplicada en su punto medio, la determinación de la flecha se realiza mediante la siguiente ecuación de la elástica.

IElp

f..

.481 3

= ⇒ para una sección rectangular 12. 3hb

I =

remplazando nos queda:

3

3

...

.41

hbflP

E =

Las cargas y las flechas deben tomarse en el período elástico.

Hornos de cubilotes: Es un horno a eje vertical, denominado horno de cuba, en el cual se coloca por capas alternadas el combustible y el metal a fundir, por la parte inferior se inyecta aire a presión por medio de toberas para activar la combustión Esta formado por una envoltura cilíndrica de chapa de acero dulce (remachado o soldado eléctricamente). Esta envoltura esta revestida interiormente con mampostería refractaria para protegerla de las altas temperatura. Consta de las siguientes partes: 1. Parte de sostén: por lo general, son columnas metálicas o tubos que sostienen el cubilete. (4

columnas).

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2. Cámara de viento: a la cual llega el aire proveniente de un ventilador y se reparte en el espacio anular para penetrar en el horno, pasando por las toberas, dispuestas en una o dos filas paralelas.

3. Boca de carga: por la cual se introducen los materiales. 4. Plataforma: donde se colocan los materiales que llegan a ella por medio de montacargas. 5. Chimenea: se encuentra en la parte más alta para la evacuación de los humos, defendida en

la parte superior por un sombrerete y telas metálicas para evitar la salida de las chispas.

BOCA DE CARGA

CHIMENEA

PLATAFORMA DE CARGA

ESCORIADERO

CANAL DE COLADA

ENTRADA AIRE

CRISOL

SOSTEN

CINTURON DE AIRE

INTERIOR DEL HORNO

TOBERA

MIRILLA

BOQUILLA

TIMPA

PORTAVIENTO

TOBERAS

Las cargas se componen de tres elementos. fundición, coque y fundente Su funcionamiento es el siguiente, denominaremos solera al fondo del cubilote, formada por un revestimiento refractario, sobre una puerta a bisagra que la sostiene, la capacidad del metal liquido que puede acumularse, esta dada por el volumen formado desde el fondo hasta un escurridero denominado ESCORIADERO que permanece siempre abierto y por el cual salen las escorias liquidas que sobrenadan. El volumen formado desde el fondo hasta la 1° fila de toberas, se denomina CRISOL. En esta zona cuela el metal liquido que se acumula, la salida de la escoria ya es un indicio del nivel de la fundición, la salida del metal por el escoriadero indica que el crisol esta colmado y que es necesario efectuar una sangría. La sangría se hace por el canal de colada. Este canal esta ligeramente inclinado para facilitar la salida del metal liquido. El metal sale por un agujero cerrado por un tapón de arcilla cuando el horno esta en funcionamiento. Por encima del escoriadero se encuentran las toberas, a través de las cuales circula el aire a la presión indispensable para mantener la combustión. Las toberas se comunican con las cajas de viento o cámaras de aire. La Zona de fusión esta compuesta por tres partes

1. Zona de fusión propiamente dicha. 2. Zona de combustión 3. Zona de colada

En la zona de fusión la temperatura es tan elevada que la fundición al entrar en ella funde gota a gota, la atraviesa y se acumula en el fondo del crisol. El cubilote se carga previamente con cierta cantidad de combustible, (carga de encendido), hasta alcanzar a llenar el crisol y la zona de las toberas. Las cargas se completan luego con combustible, fundente, chatarra de fundición y lingotes de arrabio. Realizado el encendido y luego de calentado todo el horno se completa la carga, recién después de activar la combustión mediante el aire a presión proveniente de las toberas.


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El combustible de encendido que se consume es reemplazado por las cargas nuevas, las capas de coque, dilatándose se traban contra las paredes del cubilote máxime cuando existe una disminución del diámetro en las zonas de las toberas. Alcanzado el estado de fusión mediante una activación de la entrada de aire por las toberas el metal cuela y se acumula en el crisol, las escorias sobrenadan y salen por el escoriadero. Para retirar el metal fundido se rompe el tapón de arcilla que cierra el agujero de sangría, se recoge el metal con la cuchara y se vuelve a taponarse con nuevos tapones.

Clasificación de las fundiciones: Son aleaciones de Fe y C. El origen de la fundición es el arrabio, fundición de 1º fusión entonces se clasifican en: A. Fundición de altos hornos: arrabio obtenido de los minerales de Fe directamente. B. Fundición de 2º fusión: es la que ha sido refundida una o más veces en un horno de cubilete,

para obtener piezas de fundición y coladas en moldes. C. Fundición especial: uno o varios elementos aleatorios. La clasificación es basándose en el aspecto o color de la superficie es:

• Fundición blanca: es basándose en el tenor de Mg. • Fundición gris: es basándose en el tenor de Si.

D. Fundición maleable: aumenta el grado de tenacidad y resistencia a la rotura, con un sensible

grado de deformación y es relativamente fácil de obtener. Tipos:

• Maleable blanco: más rica en C; se hacen piezas de 3 a 4 mm de espesor. • Maleable negra: más pobre en C; se hacen piezas de 4 a 5 mm hasta 30 a 40 mm de

espesor y aun mayores.

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BOLILLA Nº 04

TRACCION Cuando a un cuerpo le aplicamos cargas normales, uniformemente repartidas, sobre sus secciones transversales tiende a producirse el alargamiento. Con este ensayo se puede verificar el comportamiento de los metales: Se determina su tenacidad, resistencia, dureza, etc. Podemos obtener: límite de elasticidad, carga máxima, resistencia estática y con estos valores hallamos la σ adm o de trabajo.

Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la Figura.

La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída.

Tener en cuenta que la grafica durante el ensayo se indica en ordenadas (Y) fuerzas en kg y en abscisas (X) alargamientos en mm.

P P


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γ

F1

∆ 1 DEFORMACIONES

ZONA IIplastico

ZONA Ielastico

ROTURA

FUERZA

Fmax

Ff

Fe

gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero.

Curva Fuerza - Deformación de un Acero.

La curva tiene una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial.

Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:

F = K (L - Lo)

F= fuerza K= cte del resorte

L= longitud bajo carga Lo= longitud inicial

Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - Lo) y se define que ha comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el punto de fluencia y la fuerza que lo produjo la designamos como:

F = Ff

Una vez pasado el punto de fluencia la deformación durante el ensayo seria DT, si en ese instante suspendemos el ensayo, y retiramos la carga, la probeta tratara de recuperar su longitud inicial, pero como ya estamos dentro del periodo plástico, esta se recuperara en parte, retrocediendo la

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deformación en el diagrama en forma paralela al tramo de proporcionalidad (OA) e indicándome que quedara una deformación permanente (DP), y se recuperara algo en su longitud, ya que aun parte de la probeta se comporta elásticamente (RE).

Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F = Fmáx. Entre F = Ff y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida a lo largo de toda su longitud. En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello (ESTRICCION).

La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.

Estricción: reducción de la sección de un cuerpo cuando está sometido a una tracción suficiente.

forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la ruptura.

Considerando una probeta cilíndrica: Ao = πDo2/4 (SUPERFICIE TRANSVERSAL)

probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales necesarias.

Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El alargamiento final Lf y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .


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Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA y porcentaje de alargamiento entre marcas %∆L:

% RA= Ao-Af x 100/Ao

% ∆L= Lf-Lo x 100/Lo

Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin romperse. La fragilidad se define como la negación de la ductilidad. Un material poco dúctil es frágil. La Figura permite visualizar estos dos conceptos gráficamente.

El área bajo la curva fuerza - desplazamiento (F versus ∆L) representa la energía disipada durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor energía, el material es más tenaz.

Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta. Dado que el ensayo arriba descrito será únicamente valido, para un determinado material y una determinada probeta, pues es evidente que la carga máxima alcanzada dependerá de la sección o sea del diámetro de la probeta y los alargamientos dependerán de su longitud inicial. Para obtener valores independientes del tipo de la probeta y que solamente dependan del material es decir, coeficientes que nos indiquen características propias del material (que es el fin que se persigue en los ensayos), será necesario referir los esfuerzos producidos a la sección unitaria de la probeta y los alargamientos a la longitud unitaria, quedando transformado el diagrama obtenido de los ensayos por lo tanto: A partir de los valores obtenidos en el gráfico del ensayo Fuerza – Deformación (F – ∆∆L), con F en kg y ∆∆L en mm, a partir de aquí, si dividimos F por la superficie transversal de la probeta (en cm2) obtenemos σ (σ ( dado en kg/cm2), indicada en ordenada; también dividimos

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∆∆L por la longitud inicial L obtenemos un numero adimensional (sin unidades) que es ε ε indicada en abscisa, , y de esta forma hicimos un cambio de escala en la misma grafica (se mantiene la misma forma de la curva), ya que dividimos ambos valores por constantes de dimensión de la probeta y obtenemos la curva Esfuerzo - Deformación (σσ - ε)ε ) . El esfuerzo σσ , que tiene unidades de fuerza por área, ha sido definido anteriormente, la deformación es adimensional:

2sec cmkg

cionF

==σ encionalamm

mm

L

LoLdim==

−=ε

ejemplo del gráfico Esfuerzo-Deformación de un acero.

En la zona elástica se cumple:

σ = E.ε

E: Módulo de Elasticidad = 2,1. 10 (Kg / cm2)

Pero, σ = F/Ao y ε = L-Lo/L

Finalmente la "constante de resorte"

K = EAo/Ao

En los siguientes ejemplos de curvas σ − ε se puede observar las características de cada material: el hule muestra una gran ductilidad al alcanzar una gran deformación ante cargas pequeñas; el yeso y el carburo de tungsteno muestran poca ductilidad, ambos no tienen una zona plástica; se rompen con valores bajos de elongación: son materiales frágiles. La única diferencia entre ellos es la resistencia que alcanzan.


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Los diagramas esfuerzo-deformación de diversos materiales varían ampliamente y diferentes ensayos de tensión con el mismo material pueden producir resultados diferentes de acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga. Sin embargo, es posible distinguir algunas características comunes a los diagramas de varios grupos de materiales y dividirlos en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles, conceptos definidos anteriormente. PRINCIPIO DE TRESCA: Como se vio en la bolilla 3, lo que ocurre cuando se descarga la probeta luego de entrar en la zona plástica, este principio explica que ocurre cuando se procede a cargar nuevamente la probeta. Veamos el caso en un ensayo de acero: Si llegado en el diagrama de ensayo a un punto tal como el M, se descarga la probeta, el diagrama describirá la trayectoria MM’ y si entonces se procede a cargarla nuevamente, el diagrama representativo será como primera aproximación, rectilíneo y coincidente con MM’ hasta alcanzar el punto M, su trayectoria será una curva tal como la MEF. Esta experiencia demuestra que ha sufrido deformaciones permanentes en el ensayo de tracción, su limite elástico aumenta, alcanzando el valor de la mas alta tensión que sufrió el material (PRINCIPIO DE TRESCA):

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DEFORMACIONES

zona plastica

Fmax

FUERZA

zona elastica

M'

ROTURALineas verticales area de trabajo diagrama original

Lineas horizontales area de trabajo luego de descargada la probeta

nueva zona elastica

zona plastica

A su vez, considerando solo el segundo paso del ensayo, o sea tomando como origen de ordenadas al punto M’ se observa que la superficie del nuevo diagrama, ha disminuido con relación a la superficie primitiva, vale decir que ha disminuido su capacidad de trabajo o resistencia viva. De lo expuesto se deduce que un material deformado en frío ha variado sus propiedades mecánicas y se dice que se encuentra “endurecido” por tratamiento mecánico. Este endurecimiento, al disminuir la capacidad de trabajo, disminuye la resistencia al choque, es decir que aumenta la fragilidad del material. Este fenómeno tiene gran importancia en la practica por cuanto es el método que se utiliza para conformar el hierro utilizado para efectuar estructuras de hormigón (comúnmente denominado hierro torsionado o aleteado). ENSAYO DE MORTEROS Los ensayos de resistencia a los que son sometidos los cementos, no se realizan sobre probetas de cemento puro, debido a la irregularidad de los valores que se obtienen en estas condiciones. Los morteros están formados por mezcla de cemento (material aglutinante), arena (agregado fino) y agua. Los cementos trabajan a: Compresión: indica la resistencia en condiciones normales de trabajo. Tracción (muy poco usado): dan índice de calidad, estabilidad del volumen de cemento utilizado. Por ejemplo: los morteros que dan valores elevados de su resistencia a la compresión y a la tracción, nos aseguran un alto coeficiente de seguridad. Tracción de morteros: Se utilizan probetas en forma de 8. Para los ensayos se preparan 2 series de probetas de 6 unidades cada una; para determinar la resistencia a la tracción a los 7 y 28 días de su elaboración, tomándose en cada caso el valor de la resistencia, el promedio de los 3 resultados más altos obtenidos y siempre que los restantes no difieran en más de un 15%. El tiempo de ensayo se determina de acuerdo a las 2 reacciones más importantes en lo que respecta al endurecimiento del cemento. 1º) Combinando cal + Si + alumina (Al O3) ⇒ silicato di y 3 Ca y aluminato tri Ca. 2º) El aluminato tricálcio se hidrata, produce el comienzo del fraguado y da al material una pequeña resistencia inicial que aumenta progresivamente hasta los 28 días. Preparación de probetas: Mortero normal 1:3, (1 de cemento y 3 de arena), que se mezclan en seco hasta lograr una distribución homogénea, luego se agrega el agua y se coloca en una máquina amasadora; luego se coloca la mezcla en moldes metálicos apropiados, se deja los moldes aislados con humedad


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por 24 hs., luego se colocan las probetas en un depósito con agua hasta el momento de ensayarlas. Máquinas de ensayo: La resistencia del mortero aumenta con el tiempo de fraguado por lo que se especifica que los ensayos deben realizarse a los 7 días y a los 28 días de la preparación del mortero y estar sumergidas en agua durante 6 y 27 días. El ensayo se realiza en la balanza de Evans o la de Michaels, en la que se ha previsto la posibilidad de aplicar cargas en forma lenta y continua, la probeta tiene forma de 8. El funcionamiento de la balanza es muy sencillo, a medida que caen las municiones desde E (a razón de 100 gr/seg) en el recipiente C, el peso se transmite por las palancas A y B hasta las agarraderas que sujetan las probetas en D, por un mecanismo se cierra el paso de las municiones en el preciso instante en que se produce la rotura de la probeta, conocido el peso del recipiente, mas el peso de las bolillas caídas en el y conociendo la superficie central de la probeta podemos obtener su resistencia, esta se obtiene de la media aritmética de tres resultados mas altos y se expresa en kg/cm2.

D

B

E

C

MAQUINA PARA ENSAYO DE MORTEROS

Compresión de hormigones: La dosificación de hormigón se realiza por distintos métodos, siendo los más importantes los que parten de la (relación agua-cemento, se calcula basándose en la resistencia que se desea obtener); del asentamiento y características de los agregados La mayoría de los hormigones trabajan a este tipo de solicitaciones. En estos ensayos no se consigue compresión simple por que hay rozamiento entre los materiales y los platos de la máquina, que tiende a impedir la deformación transversal al aumentar la resistencia. Por esto los resultados dependen de la forma, altura y demás dimensiones de la probeta, para lo cual son mejores las cilíndricas. Las probetas deben tener bases planas y paralelas, especialmente las cilíndricas, debido a que presentan convexidades, reducen la resistencia a la compresión. El ensayo se realiza entre los platos de compresión de la máquina universal, el plato superior debe ser articulado mediante un asiento esférico, con el fin de asegurar un perfecto contacto entre éstos y la probeta y evitar deslizamientos laterales del material. Los platos transmisores del movimiento deben ser de gran dureza, debido a que los apoyos relativamente blandos pueden producir rajaduras verticales en la probeta con la disminución de la resistencia. La carga se aplica en forma gradual y uniforme. La rotura se produce en planos inclinados, al caerse la adherencia entre cemento y árido.

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ROTURA PROBETA

CABEZAL ARTICULADO

GRANULOMETRIA: materiales auxiliares o agregados: Denominadas a las arenas, cantos rodados, piedra partida, polvo de ladrillo, cascotes, escorias, etc., es decir todo material árido que sea posible combinar con los aglomerantes (cemento, cal) para formar un elemento resistente, apto para la construcción, siendo su función dividir la masa del aglomerante facilitando su frague y contribuyendo a la resistencia del mortero. Agregado: Se define así a todo material pétreo, natural o artificialmente subdividido en trozos o partículas resistentes de forma y tamaño estable, cuya función especifica es actuar como material inerte (no colabora en el endurecimiento del mortero) en morteros y hormigones. Consideraremos al tamiz N° 4 (malla de abertura cuadrada de 4,8 mm de lado), denominando árido grueso el que queda retenido por este tamiz, y ardido fino el que pasa esa abertura. Tamaño máximo nominal: aquel en el que puede pasar el 95 % o cifra inmediata superior por el tamiz. COMPOSICION GRANULOMETRICA Generalmente el punto clave de la granulometría es el tamaño máximo del grano árido, pues al aumentar el tamaño de dicho grano, disminuye naturalmente el numero de granos que hay que aglomerar por m3 de hormigón, y con ello disminuye la cantidad de aglomerante por unidad de volumen del hormigón. Entre las piedras o trozos de tamaño máximo se alojan luego las de tamaño menor, hasta llegar a las fracciones mas finas. O sea que los áridos del hormigón representan una mezcla de áridos de distintos tamaños.

DISTRIBUCION DE LOS AGREGADOS Este escalonamiento granulométrico de material granulado, satisface su interpretación mediante los ensayos o análisis con cribas y tamices. Los tamices y cribas se encuentran normalizados y con un juego de estos, tomando una muestra bien representada por medio de un cuarteo del material, se procede a realizar el ensayo. El cuarteo de una cierta cantidad de piedra partida por ejemplo, consiste en dividir la misma en cuatro partes tomando como centro la parte superior del cono que se forma a descargar las piedras, de estas partes tomamos una, y formamos nuevamente el cono y realizamos una nueva división, procedemos así hasta obtener unos 5 kg de la muestra. Se empieza empleando el tamiz de orificio mayor, para terminar en el mas fino, se anotan los resultados en una planilla de los % retenidos en cada tamiz (estos se obtienen pesando las muestras retenidas en cada tamiz y comparándolas con el peso total de la muestra), y se grafica


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el conjunto de resultados obtenidos, ya que debemos interpretar las condiciones de un árido de acuerdo a la curva o línea granulométrica. Se debe prestar atención a la forma de representación, la forma mas común consiste en tomar sobre el eje “Y” el % que pasa acumulado a través de cada tamiz, tomando en el eje “X” las aberturas de los tamices.

A

B

ABERTURA TAMIZ (mm)

P

% P

ASA

TAM

IZ

100 % 0 %

0 % 100 %

% R

ETIE

NE T

AMIZ

0.30 0.60 1.20 2.40 4.80 5.600.15

Los resultados se interpretan de acuerdo a su presentación y valorización :

1. Una línea granulométrica continua: Es aquella de un escalonamiento continuo, o sea que tiene todo los tamaños de granos (del mayor al menor).

2. Una línea granulométrica regularmente discontinua: Es cuando faltan o han sido eliminados grupos granulométricos con escalonamientos regularmente discontinuos.

3. Una línea granulométrica irregularmente discontinua: Se emplea en algunos países y con ella se logra compacidad (densidad de compactación), pero son de muy baja docilidad (facilidad de trabajarlo) y admiten compactación con mucho trabajo o energía.

4. Selecciones de granos únicos: Las fracciones granulométricas son de tamaño que quedan entre dos tamices o cribas, o sea que son granos de aproximadamente igual tamaño.

El dominio del estudio de las distintas granulometrías, permite establecer las distintas posibilidades y mejores condiciones en la preparación del hormigón, como en los casos 1, 2, 3 para hormigones compactos, o la 4 para hormigones livianos o porosos. Un elevado números de ensayos han determinado curvas ideales A, B que dan las disposiciones granulométricas para obtener hormigones de alta resistencia a la compresión, en el cual la curva del ensayo (P) debe caer entra las curvas A y B para que su granulometría sea la correcta. Las únicas diferencias son:

• Las de docilidad. • Las de aptitud de compactación.

FERET: Basado en la clasificación de gruesa, mediana y fina ideo un triangulo equilátero en cuyos vértices G, M, F representa las arenas de granos gruesos, medios y finos expresados en volúmenes o pesos. Las cotas permiten leer inmediatamente la composición granulométrica, por ejemplo el punto A esta compuesto por G = 0.5, M = 0.3 y F = 0.2.

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M

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

F

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

G0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

MEDIANAGRUESA

FINA

A

TRIANGULO DE FERET

Combustibles:

Es todo elemento que al combinarse con el O2 produce una cierta cantidad de calor que tiene utilidad. Punto de congelación o solidificación: temperatura a la cual el combustible pierde su fluidez (por debajo de los –20ºC). Punto de escurrimiento: temperatura a la cual comienza a fluir el combustible líquido. Punto de inflamación: de un producto derivado del petróleo es la temperatura a la cual produce suficiente vapor inflamable para que se encienda. Punto de combustión: temperatura a la cual el producto se enciende y continúa ardiendo por 5 segundos. Las gasolinas inflaman a un punto bastante superior a su punto de congelación. Kerosene: punto de inflamación 100 < X < 150 F. Combustible más pesado: punto de inflamación 150 < X < 250 F. Aceites lubricantes: punto de inflamación 275 < X < 700 F. Los puntos de inflamación y combustión se usan para demostrar los riesgos de inflamabilidad en los productos derivados del petróleo. esto es de gran importancia para las personas que usan y manejan disolventes, naftas para el lavado en seco, gasolinas y cualquier otro producto de alta volatilidad. El punto de inflamación de un aceite sirve como indicación aproximada de su tendencia a evaporarse a altas temperaturas y por lo tanto, del consumo de aceite, especialmente en motores de combustión interna. Obtención de arrabio: Fundición que es Fe fuertemente carburado (3% C). Se obtiene exclusivamente en los altos hornos, tratando los óxidos de Fe, ya sean minerales tal como se lo extraen de los yacimientos, ya sea aquellos provenientes de la descomposición de los carbonatos o de otra fabricación industrial. En los altos hornos, el mineral mezclado convenientemente con cierta cantidad de coque (combustible), es sometido a la acción de gases reductores, los cuales a temperaturas elevadas actúan sobre el óxido de Fe. El combustible coque cumple con las siguientes funciones:

• Eleva la temperatura debido a su combustión. • Reduce directa o indirectamente al mineral. • Se combina con el Fe mismo para formar Fe carburado, es decir una fundición de más fácil

fusión que el Fe puro. Además de coque se puede utilizar: carbón de leña, hulla o antracita, refiriéndose estos 2 primeros por estar exentos de productos volátiles o gases hidro-carburados.


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El arrabio no se obtiene por simple acción del calor y de la reducción de óxidos, es necesario eliminar una gran cantidad de impurezas que presentan los minerales utilizando para ello un fundente CaCo3 (catina), cuyo rol es hacer mas fluida la ganga que contiene el mineral de hierro. Se obtiene de esta manera una escoria líquida que permite separar la ganga y demás cuerpos inertes y además juega un rol muy importante como elemento depurador. La escoria liquida tiene menor peso específico que el metal y por lo tanto al sobrenadar hace mas fácil su eliminación. Para asegurar la combustión del coque y además para activar la formación de los gases reductores, se insufla aire a presión, un poco mas arriba que el nivel mas alto de la masa liquida que se forma. El producto principal y objeto de la instalación de altos hornos es el arrabio o sea hierro fuertemente carburado (3% de C) y se denomina hierro de primera fusión o fundición. El arrabio puede utilizarse en la misma instalación para la fabricación de acero, en caso contrario se le da forma comercial denominada lingotes. Utilidad del arrabio: En la producción de acero. Para obtener fundiciones de moldeo destinadas a la fabricación de máquinas. En la industria de fundiciones, para lo cual se le da la forma de lingotes y se lo clasifica en arrabio blanco, gris y atruchado. Altos hornos a carbón de leña: Son utilizados en países que no hay carbón de hulla, pero sí abundante mineral de Fe. En este horno la producción de arrabio es menor que en el alto horno de coque. El ciclo de trabajo se divide en 2 fases: 1º) Primera fase o superior: donde el mineral viene reducido al estado de esponja ferrosa. 2º) Segunda fase o inferior: donde las esponjas se funden carburándose y produciéndose al mismo tiempo la reducción de los óxidos especiales, donde comienza la separación de la escoria y la fundición. La temperatura a la cual se hace la separación mencionada es a los 1100 °C. Al llegar a esta zona se supone que solo existe oxido de carbono dada la temperatura indicada. Por debajo de esta zona, la reducción solo puede ser directa, o sea a base de C exclusivamente.

COFeCFeO +=+ En la zona donde se forma las esponjas ferrosas, el mineral viene calentado primero hasta 750 °C en forma rápida, luego hasta 1100 °C mas lentamente. En esta zona no se ha constatado ninguna separación del C. La reducción se realiza en forma indirecta hasta los 750 °C y luego en forma directa entre 750 – 1100 °C mas lentamente. Altos hornos de coque Coque: Producto de la destilación de las hullas grasas. Se lo emplea en la industria como combustible. Su empleo más importante es en el alto horno donde es cargado conjuntamente con el mineral y por lo tanto se encuentra en contacto con el Fe de la 1º fusión que se forma. Es muy poroso y de gran resistencia, por lo tanto puede resistir en mejor forma el peso de la carga del mineral en el horno, Esto es muy importante en los altos hornos, especialmente cuando su altura sobrepasa los 20 m, casi no contiene productos volátiles y muy poco azufre S (nocivo cuando el coque esta en contacto con el metal). Hornos de coque: La fabricación en hornos de coque se lleva a cabo en forma similar a la de carbón de madera, formando pilas de carbón de hulla, pero este método no permite aprovechar las materias volátiles que constituyen un excelente combustible gaseoso. Por esta causa se utilizan hornos. o sea coquizacion en cámaras cerradas. Existen a este respecto una serie distintas de tipos de hornos.

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TRAGANTE

SALIDA DE LOS GASES

TOBERAS

CUBA

VIENTRE

ETALAJES

CRISOL COLADA DE LA ESCORIACOLADA DEL ARRABIO

ALTO HORNO Tragante: Abertura por la que se introduce la carga y por donde escapan los gases. Debajo del tragante, el alto horno tiene frecuentemente una porción cilíndrica. Cuba: Tronco de cono ensanchado hacia abajo. Vientre: Parte cilíndrica. Etalajes: Tronco de cono ensanchado hacia arriba. Crisol: Parte cilíndrica, la parte superior llamada Obra lleva las toberas que suministran el aire, la parte inferior lleva dos agujeros, uno para la colada del arrabio y otro para la escoria. Por el tragante se introduce el mineral, el fundente y el coque; se establece una corriente descendente de materias primero sólidas, después pastosas y finalmente liquidas, que atraviesa el aparato en 12 – 18 horas. En la Obra se insufla aire caliente cuyo oxigeno quema el coque transformándolo en oxido de carbono; de ello resulta una corriente gaseosa ascendente que atraviesa el aparato en algunos segundos. Estas dos corrientes favorecen las reacciones que dan lugar a la formación de los productos siguientes:

1. Arrabio: hierro que contiene algunas centésimas de carbono, silicio, fósforo, manganeso y azufre.

2. Escorias 3. Gases

Hornos eléctricos: Con estos se ha hecho posible la reducción de mineras de Fe y la producción de arrabio, reduciendo el consumo de C a lo indispensable necesario para las reacciones de reducción y en la carburación. Las ventajas que presentan son:

1. Cargas con menor cantidad de impurezas. 2. Menor altura del horno, entonces el material puede estar más expuesto a la reducción. 3. Temperatura de trabajo más alta, entonces facilita la eliminación de Azufre. 4. La carga se regula más fácilmente. 5. No hace falta una gran cantidad de aire a presión para la combustión.

En estos hornos la energía eléctrica sustituye al carbón como combustible, por lo tanto su utilización es económica en zona donde la energía eléctrica es de bajo costo, como ser en zonas donde hay represas hidroeléctricas. Actualmente se utilizan dos tipos de hornos: Altos hornos eléctricos (Hornos GRONWAR): Las formas son semejantes a un alto horno de coque, especialmente en la cuba. El crisol tiene forma de cápsula con el mayor diámetro en la parte superior. El crisol presenta un revestimiento de magnesia y debido a su forma de cápsula deja en la parte mas alta un recinto anular suficientemente amplio.


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Tiene tres electrodos convenientemente dispuestos a los cuales llega una corriente trifásica. Los electrodos se sumergen en la carga, por lo tanto ella se encuentra en el campo formado por el arco voltaico. La posición es regulada a mano con dispositivos adecuados. La carga se calienta por efecto del calor producido por el arco voltaico, así como por el paso de la corriente eléctrica a través de ella, pues esta formado por oxido metálico muy rico. La bóveda del crisol esta sometida entonces a una muy alta temperatura y para protegerla se inyecta por una tobera parte de los gases depurados del polvo que un ventilador aspira e impulsa en el espacio anular. Como estos gases contienen 2CO , N y CO, ejercen una acción refrigerante contra la bóveda, al

mismo tiempo que el 2CO se descompone agregándose al CO y formando así parte en la reducción del mineral. El calor es suministrado por la corriente eléctrica solamente en parte. El carbón es necesario para la combustión y reducción, por esto si en los hornos de coque se tiene un consumo de 0,9 tn por tn de arrabio, en los hornos eléctricos se tiene consumo de 0,25 tn de carbón por tn de arrabio. El numero de electrodos, según el tamaño del horno es de 6 a 8. Ellos se introducen en la bóvedas inclinados 60° a 70° sobre la horizontal. La densidad de la corriente es de 7 a 8 amperes/cm2 que en el caso de electrodos de 700 mm de diámetro da una carga de 20.000 a 23.000 amperes por electrodos. Hornos eléctricos sin cuba: Existen dos tipos FYSLAND y SIEMENS. El horno Fysland consiste en una especie de caja revestida exteriormente con chapas de acero e interiormente con material refractario. Sus formas internas pueden ser redondeadas, rectangulares o triangulares de acuerdo a la disposición adoptada por los electrodos. La carga del mineral y coque o carbón de leña se hace por la parte superior. La acción del arco corroe las paredes en forma variable según la forma del recinto y según la disposición de los electrodos. Por lo general ciertas partes son mas afectadas que otra, la solera casi no experimenta desgaste. La reducción del mineral, fusión y carburación se produce en el recinto del horno y allí se llevan a cabo las mismas reacciones conocidas, directa o indirectamente. La colada se hace por la parte inferior. La temperatura media en el crisol del horno eléctrico sin cuba es mas elevada que en el alto horno eléctrico, lo que es una ventaja considerable puesto que se consigue arrabio liquido a mayor temperatura, de lo que resulta una desulfuración mas completa. Las escorias liquidas a mayor temperatura favorece esta desulfuración. Estos hornos permiten utilizar los minerales de Fe pobres, no aprovechables en el alto horno a coque. La carencia de cuba aumenta el rendimiento, puesto que el 2CO no puede formarse dada la temperatura reinante y por lo tanto no se gasta calor en descomponerlo. Tampoco es necesario utilizar el gas de alto horno, inyectándolo en la zona de fusión (como se hace en los altos hornos eléctricos) lo que significa menor perdida de calor, y puede ser aprovechado para otro uso. El consumo es de 2500 kw/h por tn. las ventajas son:

1. Mayor pureza del arrabio obtenido 2. Menor gasto de mantenimiento 3. Gas combustible de mayor potencia calorífica 4. Costo por tn de arrabio, menor

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BOLILLA Nº 05 Compresión de aceros: Es poco frecuente. Se aplica a la probeta cargas estáticas en la dirección de su eje longitudinal, provocando un acortamiento hasta un punto en el cual se rompe o se suspende el ensayo. Este diagrama, al igual que el de tracción, se puede observar:

1. Una dilatación negativa (acortamiento) y consecutivamente, una dilatación transversal. 2. Un limite de proporcionalidad a la compresión. 3. Un limite de elasticidad a la compresión. 4. Un limite de fluencia o sea la carga bajo la cual el material inicia un rápido cedimiento,

llamado también limite de aplastamiento. 5. De la relación de los esfuerzos unitarios a deformaciones unitarias, se puede deducir el

modulo de elasticidad a la compresión.

− ε

− σ

Existen materiales como el Cu o Al en donde el punto elástico casi no existe y la fundición carece de el, en estos casos (idem tracción) se obedece a la ley de Bulffinger 1. == nnσαε , Hook. Los materiales frágiles (fundición) se rompe prácticamente sin deformación de los dúctiles sufren grandes acortamiento sin llegar en algunos casos a la rotura (aceros dulces).

• Curva cerca del eje σ = materiales frágiles. • Curva cerca del eje de contracción = materiales elásticos.

A pesar de la similitud en los conceptos y principios generales que existen en los ensayos de tracción y compresión, este ultimo presenta algunas particularidades en la realización que hacen que para los materiales metálicos, se prefiera el ensayo de tracción como el mas conveniente.

P P

σ

Contracción

fundición acero -

acero dulce

cobre – aluminio

latón


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Fricción de la probeta sobre los platos de la maquina: Al someter las probetas a la compresión estas se deforman en la sección media, ya que en las caras laterales no actúa ninguna fuerza exterior. En cambio cuando están en contacto con los platos de la máquina de ensayo, se produce un rozamiento y este impide un deslizamiento transversal (efecto de zunchado) y se origina un estado de tensión doble o compuesta, y es por esto que las probetas cilíndricas adquieren la forma de un tonel o barril. Este impedimento de la libre dilatación transversal aumenta la resistencia de la probeta y por consiguiente altera los resultados de los ensayos. En efecto, la fricción producida entre los platos de la maquina y la probeta equivale a la introducción de los esfuerzos F, los cuales producirán una concentración en el sentido transversal de la probeta y en consecuencia una dilatación en el sentido longitudinal , dilatación esta que se opone al aplastamiento producido por la fuerza P. Para apreciar el efecto que produce el impedir la libre dilatación transversal, imaginemos una probeta de material blando como el caucho dentro de un cilindro de acero y sometido a compresión, el material, impedido de dilatarse libremente en sentido transversal aparecerá como mucho mas resistente y menos deformable que en los ensayos efectuados comúnmente. Por esta razón y para disminuir el efecto de rozamiento se aconseja lubricarlos con jabón u otra sustancia apropiada.

F

Inestabilidad de los esfuerzos: En comparación con el esfuerzo de tracción el de compresión es mas inestable, en efecto supongamos que las dos fuerzas que producen la compresión no se encuentran perfectamente centradas se producirá un par de esfuerzos cuyos sentidos de rotación tienden a aumentar la desviación que se había iniciado. Consideremos igual fenómeno en el ensayo de tracción y se puede observar que el momento producido por la desviación de las fuerzas produce un momento que trata de corregir esta desviación.

COMPRESION TRACCION Por esta razón en los ensayos de compresión existen la tendencia a que se produzcan esfuerzos de flexión que alteran el resultado de los ensayos. Tendencia a producirse esfuerzos concentrados: Los extremos de la probeta que apoyan contra los platos de la maquina, deben ser perfectamente planos y paralelos entre si. De lo contrario las irregularidades de la superficie producirá una serie de puntos de apoyo aislados, en los cuales se concentrarían los esfuerzos produciendo una irregular distribución de los mismos, por esta razón las caras de las probetas metálicas para ensayos de compresión deben ser perfectamente lisas. La falta de paralelismos entre las caras de apoyo también tienen el efecto de producir cargas concentradas y excéntricas con relación al eje de la probeta.

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PLATO

PROBETA

PLATO

Probetas para compresión: Todas son normalizadas. Como se produce un rozamiento con el plato (estado doble) estas se deben presentar en forma prismática o cilíndrica de mayor altura, (las que se limitan para evitar un flexionamiento lateral debido al pandeo), como la resistencia varía con la forma de la sección, las normas indican el uso de las probetas de 20 a 30 mm de diámetro; de igual altura para ensayos comunes y de altura doble o triple para ensayos más rigurosos. Para que el esfuerzo se transmita en forma uniforme sobre las probetas, estas se construyen planas y paralelas (para asegurar mejor apoyo), para lo cual uno de los platos está montado sobre una rótula o superficie esférica que le permite un cierto juego. Ensayos de grasas: Mobilometro S.I.L. Este instrumento usa un cono perforado y determina la cantidad de peso necesario para que el cono pase a través del lubricante en un determinado periodo de tiempo, es decir el instrumento S.I.L. consiste de un cilindro para la muestra, con camisa de agua, dentro del cual montado en una chumacera ranurada hay un conjunto de embolo con el cono en la parte inferior y el peso en parte superior. La chumacera guía el embolo en su recorrido, mientras el cono atraviesa la muestra. El instrumento va equipado con dos conjuntos de émbolos con pesos de 25 y 100 gr, un disco perforado sirve para batir la grasa antes de introducir el cono a fin de asegurar una consistencia uniforme de la muestra. El numero de consistencia S.I.L. se calcula en base al tiempo promedio de tres pruebas, de acuerdo con la formula:

=LxT4

0000.5N° de consistencia S.I.L.

donde: L= peso en gramos del conjunto del embolo y pesas usadas T= tiempo en segundos La consistencia es tan importante en las grasas fluidas y semifluidas como en las grasas plásticas donde esta característica puede medirse por penetración. Es de uso primordial en la fabricación de estos lubricantes, donde permite el control de la composición, asegurando la uniformidad del producto dentro de un estrecho margen. La penetración se expresa en un N° que indica la consistencia de las grasas, petróleo y otros productos plásticos similares al petróleo. El N° de penetración indica en décimas de mm la profundidad a que penetra un cono cuando se deja caer dentro de una muestra de grasa desde una determinada altura. Importancia del N° de penetración: El numero de penetración es de importancia para los consumidores al comprar grasas para condiciones de operación menos severas. Por ejemplo cuanto mas fluida sea la grasa, mas fácilmente puede alimentarse con ella una chumacera o eliminarse de ella a presión, y menos fricción habrá hasta el punto de destruir la película lubricante.


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FABRICACIÓN DE LOS ACEROS

Forjas Catalanas Directamente del mineral Hornos rotativos ACEROS OBTENIDOS Métodos diversos AL ESTADO PASTOSO De la fundición Hornos de pudelar ACEROS OBTENIDOS Del Fe Cementacion carburante AL ESTADO SOLIDO De la fundición Cementacion oxidante Al crisol Procedimiento de fabricación (aceros finos) Procedimiento de afinación

Afinados por aire Acido – Bessemer - ac. dulce Básico-Thomas - poco % de C

ACEROS OBTENIDOS Martín - Siemens AL ESTADO LIQUIDO Afinados por reacción Acido – básico – neutro Carga sólida – carga liquida Hornos a arco Hornos a inducción Procedimientos eléctricos Hornos a resistencia Hornos a resistencias y arco ACEROS OBTENIDOS AL ESTADO PASTOSO La obtención del Fe de 1° fusión en el alto horno ha hecho entrever la posibilidad de fabricar un producto menos carburado, partiendo directamente del mineral. Esto no ha podido realizarse por: En el alto horno se producen obligatoriamente altas temperaturas y con esta el Fe tiene una gran afinidad con el C y por lo tanto el producto obtenido (arrabio) contiene un elevado % de C. Por la necesidad de utilizar como elemento reductor al oxido de C, pues otro reductor como el H, no puede ser utilizado en virtud de que se necesitarían grandes cantidades de este elemento, lo que exige el empleo de SH 2 y además Fe para resultar económico. Si se emplearan bajas temperaturas, es decir las estrictamente indispensables para la reducción de los minerales, se obtendría un producto muy puro, o sea Fe desprovisto de C. Directamente del mineral: Forjas Catalanas: Es un procedimiento primitivo, las forjas catalanas estaban formadas por una cuba de mampostería revestidas con planchas de fundición que se preparaban en el terreno mismo. El aire era provisto por un ventilador de fuelle. Se usaba mineral menudo, casi pulverizado y como combustible carbón de leña. El mineral se vuelca sobre el lecho de carbón y luego se lo recubría nuevamente con carbón hasta casi la 2/3 partes de su altura. El aire soplado muy abajo, forma CO, que atraviesa la capa del mineral reduciéndolo. La temperatura desarrollada por la combustión y la acción reductora del CO producen pequeñas masas metálicas que se aglutinan, estas masas se unen revolviendo con una barra de Fe y de este modo van al fondo de la cuba donde se produce una reducción mas activa por contacto con la masa incandescente. Cuando se había formado una masa esponjosa de Fe de cierto peso, se lo retira para someterla al martilleo en martinetes rápidos; que estando el metal a la

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temperatura del rojo blanco expulsan las escorias que a esa temperatura aun eran liquidas. Se obtiene un Fe o acero muy descarburado, maleable, de grano fino y estructura fibrosa.

Obtención de esponjas ferrosas: Se utiliza un horno semejante a las forjas catalanas, pero introduciendo aire recalentado. El crisol o cuba esta formada por planchas de fundición, rodeadas de mampostería. Una campana recoge los gases de la combustión a medida que se forman y como ellos tienen elevada temperatura se aprovecha el recinto para poner en el un serpentín, a través del cual circula el aire destinado a actuar sobre la masa de combustible para activar la combustión y en cierto modo formar CO que actuara como reductor. La materia prima es la fundición que se reduce en panes de 20x30x5 cm, la cual se coloca sobre una capa de carbones incandescentes y luego se recubre todo con oxido de Fe. Se producen tres fases: 1° fase: La temperatura alcanzada es suficiente para provocar la fusión de la fundición. El metal liquido escurre gota a gota sobre el carbón incandescente y allí queda expuesto a la acción del aire, debido a esto, se pierde parte de su C y comienza a adquirir cierta consistencia o pastosidad. 2° fase, Descarburación: El operativo mediante una barra de Fe revuelve la masa y lleva las partes metálicas formadas en la parte superior donde se encuentra en contacto con el oxido de Fe o batiduras. Se produce así varias fusiones sucesivas. El oxido se incorpora como oxido de C, a su vez reduce el contenido de C hasta que se obtiene como resultado una masa metálica cada vez más esponjosa y por lo tanto menos fusible. 3° fase Formación de esponjas ferrosas: La ultima fase se realiza sometiendo totalmente a toda la masa esponjosa a una alta temperatura, por lo tanto adquiere por fusión incompleta mayor compacidad. Obtenida la masa esponjosa a alta temperatura, se somete a la acción de un martinete. Las escorias son expulsadas por el martilleo. Se forma así una masa metálica muy descarburada o sea acero muy dulce.

CAMPANASERPENTIN

AIRE CALIENTE

Por afino de la fundición: Si se trata de afinar la fundición para obtener Fe o acero debe eliminarse por vía de oxidación los elementos que ella contiene y que no existen en el acero. El agente oxidante es el O2 que se combina directamente con los elementos extraños, cuando la temperatura es suficiente para ello. Algunos óxidos metálicos pueden utilizarse como oxidantes, pues descomponiendo el oxido se libera el O2 que es el agente principal en toda oxidación. Pudelado:


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Es un procedimiento de afino de la fundición y tiene por objeto depurar a esta eliminando el C en parte, Si y Mn, transformándola en acero. El agente oxidante es el O2 que se combina directamente con dichos elementos cuando la temperatura es suficiente para provocar las reacciones. El oxido de Fe, puede suministrar O2 pues se descompone fácilmente. ACEROS OBTENIDOS AL ESTADO SÓLIDO La fabricación del acero puede hacerse al estado sólido, tratando la materia prima sin llevarla al estado de fusión. A este sistema de fabricación se lo denomina CEMENTACION. El acero es un Fe convenientemente carburado, por lo tanto ocupa un lugar intermedio entre el Fe y la fundición, por lo que se deduce que es posible su fabricación de dos maneras distintas: carburando el Fe y descarburando la fundición. Al primer procedimiento se lo denomina CEMENTACION CARBURANTE que se lo utiliza para proporcionar materia prima para la fabricación de aceros finos, al segundo procedimiento CEMENTACION OXIDANTE que se lo usa para obtener piezas de forma complejas que sean capaces de comportarse como los aceros maleables, obtenidos por laminación, forjados y estampados. Cementacion carburante: Requiere el empleo de hierro en forma de pequeñas barras cuyos diámetros no debe ser mayor de 10 a 20 mm. Estas se colocan en cajas de material refractarios, procurando que ellas estén separadas entre sí y rodeadas por el elemento utilizado como carburante, el cual es carbón de leña en polvo. En el horno de bóveda se han colocado 2 cajas, dentro de las cuales se han dispuesto un cierto numero de barras. Un hogar largo o bien dos colocados en cada extremo suministran el calor necesario. El combustible debe ser de llama larga de tal modo que las llamas y los humos rodeen completamente a las cajas. La temperatura a alcanzar es de 1000 °C, pues a esa temperatura el hierro disuelve al carbono incorporándolo a su masa. Esta temperatura se consigue dando al horno la forma abovedada que concentra el calor. Se requiere cerca de 30 hs para alcanzar en este tipo de hornos dicha temperatura y se la mantiene de 8 a 10 días. La operación termina cuando retiradas pequeñas muestras de cajas dispuestas para el ensayo demuestra la carburación deseada, esto se pone de manifiesto por la rotura de pequeños trozos en los que pueden observarse una superficie cilíndrica de color gris rodeada por un anillo de color mas claro. El espesor del anillo da la profundidad de la cementacion.

HOGAR Cementacion oxidante (fundición maleable): Es muy similar a la anterior, la diferencia esta en la materia prima empleada y en el cemento que rodea a las piezas. Consiste en un proceso de descarburación que se aplica a las piezas de fundición obtenidas por moldeo, colando la fundición liquida en moldes de tierras o metálicas, convirtiéndolas en piezas capaces de soportar esfuerzos en similar a las piezas obtenidas en acero forjado o laminado.

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La fundición obtenida de esta manera se convierte en acero, por lo menos superficialmente o hasta cierta profundidad y su estructura puede homogeinarse tratando convenientemente la pieza por medio del recocido. Este procedimiento se aplica cuando es necesario producir piezas de formas complicadas que solo pueden conseguirse mediante el colado en moldes y que deben sufrir esfuerzos de flexión, torsión, tracción o bien choques. Hornos empleados: Son semejantes a los de cementacion carburantes para grandes piezas. Se trata de un horno cuyo hogar se extiende extremo a extremo y por lo tanto alimentado por ambas partes simultáneamente. Los productos de la combustión salen por aberturas dispuestas en el piso del horno y entrando en el recinto, rodean a las cajas de forma cilíndricas (apiladas en columnas), rodeándolas completamente y salen luego por aberturas superiores laterales para reunirse y salir al exterior por chimeneas. El calor que posee es cedido casi enteramente al horno, la temperatura del recinto resulta uniforme. La fundición empleada es la blanca, por cuanto el cemento oxidante tiene muy poca acción sobre el grafito o sea el carbono libre de las fundiciones grises. El cemento oxidante utilizado es el

32OFe , el cual se transforma fácilmente en compuestos menos oxidantes y cede parte del oxigeno al carbono de la fundición para formar óxidos del carbono. Se produce el desplazamiento del carbono desde la parte central hacia la superficie. Descarburación: El carbono que se encuentra siempre mezclado al oxido de hierro en cantidad mas o menos grande da:

22 COOC →+ que reacciona sobre el carburo de hierro de la fundición y da en la superficie hierro y CO

COFeCOCFe 23233 +→+ El oxido que rodea las piezas es reducido por el monóxido de carbono formando nuevamente dióxido de carbono.

FeOCOOFeCO 2232 +→+

FeCOOFeCO +→+ 2 El anhídrido carbónico formado vuelve a actuar sobre el carburo de hierro y así sucesivamente. ACEROS OBTENIDOS AL ESTADO LIQUIDO Presentan varias ventajas; la homogeneidad del material obtenido, características tecnológicas bien definidas y aproximadamente constantes, en 2° lugar, mayor producción lo que representa una gran ventaja de orden económico, abaratando el costo; y en 3° lugar posibilidad de obtener de una sola colada un peso considerable de acero, lo que es imprescindible cuando es necesario fabricar grandes piezas de ese material. Procedimiento por fusión al crisol: Es el mas empleado, es necesario para obtener piezas moldeadas que deben reemplazar a piezas fraguadas, las cuales al mismo tiempo que la perfección de formas, exigen condiciones de resistencia particulares y contextura muy homogéneas. Una de las ventajas de este método es la falta de contacto del material con el combustible y da la posibilidad de obtener además, la calidad requerida, por la ausencia casi completa de reacciones fundamentales que pudieran ser perjudiciales durante la operación. La pureza y homogeneidad y la ausencia de gases disueltos que se traducen en burbujas en la masa metálica y conocida con el nombre de sopladuras. El costo del acero obtenido es elevado. Procedimientos de fabricación: La fabricación de aceros al crisol puede hacerse de tres maneras:

1. Fundición y mineral: Se utilizan fundición pura reducida a trozos pequeños y mineral de Fe, en tales proporciones, que los varios elementos C, Si, Mn de la fundición por una parte, y el O del oxido de Fe por la otra, reaccionan unos sobre otros. El mineral se reduce, la


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fundición se afina y de la mezcla resulta el acero. El mineral obtenido es siempre de calidad inferior, por cuanto el mineral y la fundición contienen muchas impurezas.

2. Fe y C: Se trata en los crisoles Fe puro al cual se agrega directamente carbón de leña en polvo o en trozos pequeños. Este procedimiento se usa en los hornos eléctricos, puesto que el carbón de los electrodos se incorpora al baño.

3. Fe y fundición: Se hace fundir 1/3 de la fundición Purísima y 2/3 de Fe dulce, se produce en el baño una ligera ebullición debido al CO que se desarrolla, pero que pronto se calma al producirse su combustión. Una vez que cesa el burbujeo, se deja reposar el metal en los crisoles y luego se cuela.

Colado del acero obtenido: Una vez colado en los crisoles de los hornos especiales para estos elementos, y alcanzada la temperatura necesaria para la fusión y fabricación, el acero obtenido se vuelca directamente con el crisol en los moldes. Cuando es necesario colar una pieza de grandes dimensiones, se vuelca el contenido de varios crisoles en una sola cuchara previamente calentada. Estas cucharas presentan un agujero en el fondo y un dispositivo que permite colar en los distintos moldes. De esta manera es posible colar piezas de hasta 50 – 60 tn. Este procedimiento permite obtener piezas de un acero de alta calidad, muy homogéneo y de una dureza casi absoluta, o bien lingotes de acero, que pueden ser limados y utilizados para la fabricación de herramientas. FABRICACIÓN DE ACEROS AL ESTADO LIQUIDO Por afinado de las fundiciones: El alto horno da como producto principal, de la transformación y tratamiento del material, a la fundición, Fe de 1° fusión o arrabio. Los arrabios no son utilizables en la construcción mecánica tal como salen del alto horno, utilizando el arrabio liquido semipurificado en los mezcladores. Mediante fundiciones muy puras, en la mayoría de los casos, se hace necesaria una fase intermedia para convertir los arrabios en productos utilizables, o sea en aceros y fundiciones de moldeo. El afinado se emplea para producir aceros muy descarburados (aceros extra dulce) o aceros medianamente carburados (aceros dulces). El afinado en el convertidor (Bessemer ácido, Thomas básico) permite fabricar acero dulce en cantidades enormes en pocos minutos. El afinado en la solera (Siemens – Martins básico y ácido) es el mas difundido. Procedimiento Bessemer: Es la obtención de acero partiendo de la fundición, con el nombre de Fabricación de Fe y de acero sin el empleo de combustible. En principio consistió en soplar una corriente de aire frió, rozando la superficie del metal en fusión, luego para apresurar la operación, se hacia atravesar la masa liquida, produciéndose así una mayor oxidación. Tubo algunas dificultades, debido a la calidad y composición de las fundiciones empleadas, o en la indebida e inadecuada presión del aire, en algunos casos muy reducida y en otros excesiva y exagerada oxidación que esta corriente de aire producía cuando se realizaba incontroladamente. Se mejoro utilizando una fundición liquida mas pura y de una composición mas acorde con las reacciones que se producen. Efectos producido por el aire: El aire produce tres efectos:

1. Efecto mecánico: Formando una mezcla perfecta de toda la maza metálica. 2. Oxidación: De las sustancias contenidas en la masa metálica, las que se eliminan por

combustión retirándose incluidas en la escorias. 3. Recalentamiento: Del metal, con un aumento de temperatura de 300°C a 400°C para llevar

al estado de fusión y con mayor fluidez al acero dulce formado por descarburación de la fundición.

Convertidores

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Es el elemento principal de la fabricación del acero por el método Bessemer. El primer convertidor propuesto por Bessemer consistía en un recipiente de arcilla de 18 kg en el cual conseguía fundir algunos kilos de fundición que transformándose en acero mediante una corriente de aire que se introducía por un tubo de arcilla casi hasta el fondo del convertidor. Utilizaba dicho recipiente como un crisol, puesto que lo colocaba en un horno común con tiraje natural. El convertidor esta formado por:

• Cuerpo: de forma cilíndrica • Pico: Prolongación del cuerpo para la introducción de las cargas y salida de las llamas y

humos de combustión. • Fondo: A través del cual pasa el aire dividido en un cierto N° de agujeros o conductos. • Soporte: Metálico con cojinetes para apoyar en ellos los gorrones que permiten inclinar y

enderezar el convertidor durante el proceso de fabricación. • Mecanismos de movimiento: Compuesto por un dispositivo hidráulico que acciona una

cremallera y esta a las ruedas dentadas solidarias al eje del convertidor. Los convertidores de gran tamaño están formadas por tres partes: El cuerpo cilíndrico, el pico troncocónico y el fondo. Un convertidor de pico concéntrico, esta construido con chapa de acero de 15 mm de espesor revestido interiormente con une chapa de mampostería refractaria. El fondo es separable y ajustado al cuerpo cilíndrico mediante bulones de anclajes. En el espesor de la mampostería del fondo están incluidas las toberas de material cerámico refractario, forma tronco cónica, con varios pequeños agujeros para el paso del aire. La caja de vientos es separable, a ella llega el aire por un tubo lateral después de entrar por uno de los muñones de apoyo hueco. La capacidad de los convertidores grandes varia entre 10 y 35 tn. El peso de acero a obtener, es solamente una parte del peso total de los convertidores. Revestimiento del fondo: El fondo de los convertidores se hace con ladrillos refractarios silicosos que se unen entre si con mortero. Para el paso del aire a través del fondo, se colocan toberas de forma troncocónicas o bien ladrillos hexagonales o cilíndricos, a través de los cuales pasa el aire por numerosos agujeros pequeños. Esta operación de reconstruir el fondo se hace cada vez que es necesario repararlos, pues se deteriora rápidamente debido a la acción del oxido de Fe sobre la Si. Cuando el espesor es de 70 cm, si se reduce a la mitad ya puede ser reemplazado.

CONVERTIDOR BESSEMER

BOCA

PICO

PIÑON O CREMALLERA

CUERPO

CAJA DE VIENTO

CHAPA DE ACERO

LADRILLO REFRACTARIO

FONDO

Secado de los convertidores: Una vez efectuado el revestimiento del convertidor, es necesario proceder al secado. Debe ser progresivo para evitar las grietas en la mampostería. Para ello se comienza por encender fuego con madera hasta que el calor obtenido permita utilizar carbón de coque y se hace circular aire en forma lenta para ir manteniendo la combustión y el progresivo calentamiento. esta operación de secado se mantiene por 2 a 3 hs. Se hace luego el secado a fuego libre durante 24 hs por lo menos, ya sea con carbón o gas de alto horno. Antes de emplear el convertidor se lo recalienta durante 1 hora, se eliminan las cenizas


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y recién se carga con la fundición liquida. El revestimiento tiene una duración prolongada, varia con los materiales empleados. Fundición empleada: Las fundiciones para el afinado con el convertidor ácido, deben ser ricas en Si y Mn, pues la combustión de estos elementos eleva la temperatura hasta el punto de mantener al estado liquido el metal que se convierte en acero. Fases de la operación y mantenimiento Escorificación y elevación de la temperatura El aire penetrado en la masa liquida de fundición comienza a oxidar al Fe.

3222

32 OFeOFe =+

que en presencia de un exceso de Fe se transforma: FeOFeOFe 332 =+

Este se disuelve en el baño realizando la tarea de oxidar las impurezas.

calorSiOFeSiFeO ++=+ 222 El Fe libre se incorpora al liquido, pero parte del oxido se combina con el Si formando la escoria, que por ser mas liviana, sobrenada.

FeSiOSiOFeO 22 =+ (escoria) El manganeso al mismo tiempo que el Si, se oxida

calorMnOFeMnFeO ++=+ El oxido de Mn se incorpora a la escoria combinándose con el anhídrido de Si.

MnSiOSiOMnO 32 =+ (escoria) El Mn impide la formación de oxido de Fe, por esta causa se lo emplea en el proceso Bessemer (fundiciones manganesíferas). Esta fase dura aproximadamente 8 minutos pasados los cuales comienza a quemar el carbono. Descarburación o periodo de las llamas A medida que se van realizando dichas reacciones, la temperatura crece, aumentando la afinidad del C por el O, de donde

COOC 22 2 =+ Aparecen llamas largas por el pico del convertidor como consecuencia de la combustión del CO.

22 22 COOCO =+ Y se advierte una ebullición del metal fundido, fenómeno que no es mas que el paso tumultuoso del CO a través de la masa liquida. Como consecuencia se producen vibraciones cada vez mas fuerte, las llamas se reducen y el fenómeno aminora, calmándose poco a poco las trepidaciones, al mismo tiempo como el C oxidado esta combinado con el Fe en la fundición empleada, esta se descarbura poco a poco transformándose en acero liquido.

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Si la fundición empleada es muy pura, la operación ha terminado, no siendo así surge el proceso de afinado que dura 7 minutos. Calma y oxidación Eliminando parte del C, se produce un periodo de calma durante el cual sigue actuando el aire. El exceso de aire oxida al Fe y a las otras impurezas que pueden existir. Duración 13 minutos. Final y agregados de fundición manganesífera El liquido se ha oxidado ligeramente, por lo cual se agrega fundición manganesífera, 2% a 10%. Duración 2 minutos. Carga y funcionamiento del convertidor El convertidor se coloca en posición horizontal. El nivel del metal liquido esta limitado en altura por el borde y las toberas, por las cuales no circula aire cuando se vuelca la fundición en el convertidor. Antes de colocar el convertidor en posición de trabajo, se hace pasar aire a través de las toberas. Terminada la operación, se inclina para retirar las escorias. Estas sobrenadan debido a su menor peso especifico, luego se vuelca el acero fundido en las grandes cucharas de colada con orificio en el fondo. Procedimiento Thomas básico Cuando las fundiciones a convertir en acero presentan cierta proporción de fósforo, no pueden emplearse en el procedimiento Bessemer ácido. Ningún procedimiento metalúrgico puede producir la desfosforacion si el revestimiento del aparato o solera esta hecho a base de Si. Se aconseja el empleo de ladrillos o revestimiento a base de dolomita, especialmente mezclado con cal. Se caracteriza por la desfosforacion con el agregado de cal. Se carga cal (12% del peso del material), luego la fundición y algo de chatarra (5 % del total). Oxidaciones: El Si se elimina rápidamente en forma de sílice juntamente con oxido de Fe Mn con la cal formando escoria ácida primero y básica luego. El carbono se oxida mas rápidamente que el ácido. El P no se oxida hasta que la escoria es suficientemente básica para formar 52OP y el contenido de carbono sea suficientemente bajo. Reducciones: Llama corta oscurecida por el polvo de cal. Duración 4 minutos. Periodo de descarburación, el baño se vuelve viscoso, el aire hace vibrar el convertidor, la llama es de 4 a 6 m de altura. La llama se acorta, se eleva la presión del aire, el P se oxida en 3 minutos, la llama es corta, se pasa el aire y se evacuan las escorias inclinando el convertidor. Se adicionan ferro aleaciones liquidas, en el momento de colar se adiciona antracita, el S no se elimina porque existe mayor cantidad de FeO.

Diagrama Fe – Carbono (ACERO):

Nos ocuparemos especialmente de este diagrama de equilibrio por constituir las aleaciones Fe-C los aceros comunes o al carbono, aleaciones extensamente utilizadas en la industria como también en las construcciones civiles. Los aceros pueden contener otros elementos además del Fe y C; algunos de ellos constituyen las impurezas que no han sido posibles eliminar; otros elementos pueden haber sido agregados ex profeso a fin de imprimirle a la aleación características especiales constituyendo así los aceros especiales. En este tema nos ocuparemos solamente de los aceros comunes o al carbono constituidos, como se ha dicho, por la aleación Fe-C. Como se expreso anteriormente la aleación Fe-C presenta características mecánicas mas elevadas que el hierro puro, y así mientras este ultimo presenta una resistencia a la tracción menor de 38 kg/mm2, la adición de pequeñas cantidades de carbono y con tratamientos especiales, puede alcanzar resistencias de 120 kg/mm” y aun más.


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CURVAS DE ENFRIAMIENTO DEL HIERRO: Si partimos del hierro al estado fundido y trazamos su curva de enfriamiento, esta presentara la siguiente forma.

0

θ

CAMBIOS PROPIEDADES ALOTROPICAS

t

LIQUIDO

δ

γ

β

α 709898

1100

1528

PASO DEL ESTADO LIQUIDO AL SOLIDO

El hierro funde a los 1530 °C, de manera que sobre esa temperatura se encontrara al estado liquido y bajo ella al estado sólido. El paso del liquido al sólido se efectúa a temperatura constante, y por lo tanto la curva de enfriamiento presentara a esa temperatura un tramo horizontal que evidencia el fenómeno de solidificación. Como puede apreciarse en el diagrama, luego de la solidificación, la curva de enfriamiento presenta tres puntos singulares, que revelan cambios de estado dentro del hierro ya sólido. Son estas transformaciones alotrópicas en que el hierro ya sólido cambia su forma de cristalización y algunas de sus propiedades. Para distinguir estas diversas formas en que se presenta el hierro a diversas temperaturas se los distingue con los siguientes nombres: Hierro αα : Es el hierro bajo la temperatura de 770 °C Hierro ββ : Es el que corresponde al intervalo entre 770 ° y 900 °C Hierro γγ : El que corresponde al intervalo entre 900° y 1400 °C Hierro δδ : El comprendido entre las temperaturas de 1400° y 1530 °C Cada una de estas especies de hierro presenta diferentes propiedades: El Hierro αα y el Hierro β β cristalizan en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y no forman solución sólida con el carbono; el Hierro γ γ cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras y forma solución sólida con el carbono. De la especie de Hierro δδ no nos ocuparemos por no presentar interés para el desarrollo de este tema. Es de hacer notar que las temperaturas de transformación mencionadas son aproximadas, pudiendo existir diferencias de algunos grados con su valor exacto. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO – CARBONO Estudiaremos el diagrama Fe-C, representado en la figura, y que, por la forma que presenta, corresponde a un tipo intermedio entre los dos tipos de diagramas visto anteriormente. Este diagrama corresponde a aleaciones entre 0% y 6,67% de C, por cuanto este ultimo tenor de C forma con el hierro un compuesto químico, denominado carburo de hierro. Aunque el eje de las abcisas se gradúa en porcientos de carbono, se puede considerar entonces, que los elementos que forman la aleación son hierro y carburo de hierro. La figura muestra el diagrama algo simplificado por cuanto en el no figuran las transformaciones correspondientes al hierro δ, las cuales no revisten mayor interés en el desarrollo de este tema. Estudiaremos primero las transformaciones correspondientes a la línea AED la aleación se encuentra al estado liquido, indicando dicha línea las temperaturas del comienzo de solidificación.

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La línea ABEC indica el fin de la solidificación y bajo todas las aleaciones Fe-C se encuentran al estado sólido. Veamos el proceso de solidificación de tres aleaciones de distinto tenor de carbono. Consideraremos la aleación I, comprendida entre 0 y 1,7% de C, al estado liquido. Su enfriamiento estará representado por la vertical del punto I. Al cortar esta lineal a la curva AE, en el punto P, comenzaran a formarse cristales de solución sólida Fe- CFe3 ; a medida que baja la temperatura entre P y F seguirá el proceso de solidificación, formándose cristales de solución sólida, mientras en el liquido restante aumenta su concentración en carbono. Bajo la temperatura correspondiente a F, toda la aleación estará al estado sólido y constituida por solución sólida Fe- CFe3 . El mismo fenómeno ocurrirá con cualquier aleación comprendida entre el 0 y el 1,7 % de carbono; bajo las temperaturas correspondiente a la línea AB formaran una solución sólida Fe- CFe3 a la cual se le

da el nombre de Austenita. El CFe3 recibe el nombre de Cementita; Luego, la austenita es una solución sólida de hierro – cementita. Consideremos ahora la aleación II, comprendida entre el 1,7 y 4,27 % de C. Cuando la línea representativa de su enfriamiento corte a la curva AE en el punto IIP , comenzara a depositarse solución sólida austenita y a medida que continúe el enfriamiento entre IIP y IIF continuara depositándose austenita, mientras la parte liquida aumenta su concentración en carbono. Al alcanzar la temperatura correspondiente a IIF (1127°) la parte liquida tendrá un tenor de carbono de 4,27 % y a esa temperatura solidificaran simultáneamente cristales de austenita (de concentración correspondiente al punto B) y de cementita formando un eutectico que se lo denomina Ledeburita. Por consiguiente, bajo el punto IIF la aleación estará constituida por cristales de austenita y ledeburita: Como todas las aleaciones comprendidas entre el 1,7 y 4,27 % sufren el mismo proceso, bajo la línea BE, encontraremos que todas las aleaciones estarán constituidas por austenita mas ledeburita. Las aleaciones comprendidas entre 4,27 y 6,67 % de carbono, tal como la III, comenzaran su solidificación cuando la línea representativa de su enfriamiento corte a la línea DE, comenzando a solidificar la cementita. Entre las temperaturas correspondientes a PIII y FIII continuara solidificando la cementita, mientras la parte liquida empobrece en su cantidad de carbono. Al alcanzar la temperatura correspondiente a FIII (1127°) y el liquido restante tendrá un tenor de carbono igual a 4,27 % y por consiguiente solidificara bajo forma de eutectico. Por lo tanto, todas las aleaciones comprendidas entre 4,27 y 6,67 % de carbono, bajo la línea EC estarán constituidas por cementita y ledeburita. Estas son las transformaciones que ocurren al pasar del liquido al sólido; a su vez, dentro del estado sólido, como el hierro pierde su propiedad de formar solución sólida con el carbono, cuando su temperatura disminuye se producirán nuevas transformaciones de las cuales pasaremos a ocuparnos. Por el momento solo nos ocuparemos de las transformaciones de las aleaciones comprendida entre el 0 y 1,7 % por ser estas aleaciones la que constituyen los aceros y revisten, por consiguiente, mayor interés industrial. Las transformaciones que ocurren en las aleaciones comprendida entre 1,7 y 6,67 %, por el momento no las tendremos en cuenta. Recordemos que bajo la línea AB todas las aleaciones se encuentra al estado sólido, bajo forma de solución sólida hierro – carburo de hierro, llamada austenita. Recordemos también que sí bien el hierro a elevada temperatura (Fe γ) puede formar solución sólida con el carbono, a temperaturas menores se transforma en Fe α y Fe β que no forman solución sólida con el carbono, es decir que a medida que baja la temperatura la solución sólida se debe transformar, descomponiéndose en sus dos constituyentes: hierro y cementita. Estas transformaciones corresponden al diagrama constituido por las líneas FP – PB – GH. Las curvas FP – PB indican las temperaturas de principio de descomposición de la austenita y la GH el fin de la descomposición. Analizaremos entonces los fenómenos que ocurren durante el enfriamiento de dos aleaciones, desde el campo de la austenita (sobre la línea FPB) hasta temperatura inferior a los 700°. Consideraremos primeramente la aleación I’ comprendida entre el 0 y 0,85 % de carbono, ambos


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a temperatura superior a las correspondientes a la curva FBP estarán constituidos por austenita o sea solución sólida Fe- CFe3 . Los fenómenos que ocurren, como también la forma del diagrama tienen similitud con las aleaciones que formando solución liquida, son totalmente insolubles al estado sólido (ver bolilla 6); en este caso, forman solución sólida a temperaturas elevadas, siendo totalmente insolubles a temperaturas mas bajas; de manera que en ambos casos los procesos de enfriamiento son semejantes. Tomemos la aleación I’, que a la temperatura indicada en el diagrama será de composición austenitica. Al enfriarse, cuando llega a la temperatura P’ comienza la descomposición de la austenita, separándose el hierro. La austenita entonces aumentara en su contenido de carbono, a medida que disminuye la temperatura como lo indica la curva FP. En el caso de la aleación I’’, al alcanzar la temperatura P’’, comienza la separación de la cementita, disminuyendo la cantidad de carbono de la austenita restante, a medida que baja la temperatura. En ambas aleaciones, cuando la temperatura alcanza el valor de 700° estarán constituido por Fe α (que se llama ferrita) y perlita; todas las aleaciones comprendidas entre 0,85 y 1,7 % de carbono bajo los 700° estarán constituidos por cementita y perlita. En el caso particular de una aleación de 0,85 % de carbono estaría bajo los 700° constituida únicamente por perlita, sin ferrita ni cementita libre. Como a podido apreciarse el proceso de formación de la perlita es semejante al de los eutecticos, pero como se refiere a la transformación de un estado sólido a otro estado sólido se lo llama Eutectoide. Las especies metalograficas que constituyen un acero, pueden ser observados en microscopios especiales y después de una preparación de la probeta, consistente en un pulido y ataque químico con ciertos reactivos.

0

1500θ SOLUCION LIQUIDA

Ferrita +Perlita

Austenita + eutectico (Ledeburita)

Cementita + eutectico

Cementita + liquido

Austenita + Liquido

Austenita (solucion solida)

Austenita

0.851

D

C

E

E FIII

PIII

IIIII

PII

FII

I

P

F

P' P''

P F'' LG

F

B

Cementita +Perlita

1300

11271100

900

700

500

1.7 3 4.27 5 6 6.67

F'

I' II'

δ

γ

β

α

ACERO FUND. BLANCA FUNDICION GRIS

72

BOLILLA Nº 06 ENSAYOS DE DUREZA: La necesidad de determinar las características mecánicas principalmente de los materiales (metales) rápidamente y sin experiencias destructivas, incremento el uso de los ensayos llamados de dureza. DUREZA: Es la menor o mayor resistencia que opone un cuerpo a ser rajado o penetrado por otro. Es la menor o mayor dureza del cuerpo con respecto a otro de comparación. DUREZA BRINELL (NORMA IRAM Nº 105): Este caso puede considerarse destructivo en algunos casos. Para este ensayo, se comprime la superficie a ensayar con una pequeña esfera de acero dura, durante un cierto tiempo, provocando una impresión que corresponderá al casco esférico. Dureza o Nº de Brinell será:

S

PH B = hDS ..π=∧

aD

h −=2

22.2

1dDa −=∧

−−

=∴22.

21

2.. dD

DD

PH

π

[ ]22..

2

dDDD

PHo B

−−

=

π

= 2cm

KgHB

Casquete esférico o IMPRONTA: huella que queda sobre el material. Bolilla: generalmente de acero templado y para materiales de máxima dureza se utiliza bolillas de widia. Luego de un determinado N° de ensayos las bolillas se recambian. Fuerza de penetración: Depende de la dureza del material, la huella dejada debe ser menor que la semi-esfera (1/2 diámetro), pero no tan pequeña que produzca el aplastamiento local de la esfera, se podría adoptar como limite una impresión que varíe entre 0,2 – 0,5 del diámetro. Cargas y diámetros usados:

P (Kg) Diámetro (mm) 5.000 10 1.500 5 500 2,5

a a

d

D

h

D = diámetro del penetrador. d = huella o impronta. S = superficie que queda marcada en el metal. h = penetración.


73

Para que HB de un mismo material sea independiente del diámetro de la bolilla empleada, la fuerza de penetración deberá ser proporcional al cuadrado del diámetro de la bolilla empleada. Demostración:

ctehD

hD

==22

11

⇒ cteD

h1

1 = y cteD

h2

2 =

y como

2.2.2

1.1.1

hDF

hDF

HBππ

== ⇒

cteD

D

F

cteD

D

FHB

22

21

.1.

1

ππ

== , y como ctecte

=π

realizando la operación me queda:

cteDF

DF

== 22 22

11

Velocidad de carga: Para estandarizar 15 segundos de aplicación gradual y 15 segundos de manutención de la carga (total ensayo 30 segundos), ya que la penetración depende de la velocidad de aplicación y del tiempo de permanencia. Para materiales muy blandos el tiempo de aplicación puede llegar a varios minutos de duración. Probetas – tiempos:

Probetas Tiempos (minutos) acero y mat. duro 15

mat. blando y aleaciones 30 mat. muy blando 120

Medición huella:

1. Penetradores provistos con dial para la lectura directa de penetración (h). 2. Medición de la huella superficial, obteniendo el diámetro del casquete semiesférico (d) por

medio del microscopio micrométrico con lectura a la centésima de mm (0.001 mm) o la lupa con escala (1 div. = 0.05 mm), esto según el grado de exactitud que queremos obtener.

Debemos aclarar que la dureza que se obtenga de un mismo material variando la forma de medir la huella según 1 o 2, no será exactamente iguales, ya que en el caso 1 el material tendrá una recuperación elástica al retirar la carga. Por ello se estipulo que la medición correcta seria la 2, existiendo tablas (IRAM 104) donde ya están ubicadas los HB para diferentes (d) partiendo de 2 mm a 5,5 mm cada 0,01 mm.

74

LUPA CON ESCALA

IMPRONTA

Estado de la superficie a ensayar: Para obtener valores exactos, en ensayos de dureza se debe tener en cuenta:

• Las caras de la probeta deben ser planas, paralelas y bien pulidas, para que se pueda observar bien la impresión.

• Se debe evitar el calentamiento al prepararlas, para que no haya tensiones internas. • La probeta no debe moverse durante el ensayo, la carga debe aplicarse perpendicular a la

superficie. • Después del ensayo la cara opuesta, no debe presentar marcas. • Para materiales muy duros, se mejora la penetración con HNO3 en el penetrador o con

azul de Prusia. (Para una visión más visible). • El centro de impresión debe estar a 2d del borde y a 3d de otro centro de impresión. (para

evitar endurecimiento mecánico alrededor). Maquina de ensayo: Básicamente es una prensa hidráulica (PH) donde el pistón (P) termina en un portabolilla donde se coloca la bolilla (B) y la pieza a ensayar (Pr) se coloca sobre un soporte (S).

P

PH

B

Pr

S

APARATO DE ENSAYO Forma de indicar el N° Brinell:

30/3000/185 10HB

1 2 3 4 5

1. Resultado del ensayo 2. HB = dureza Brinell 3. Diámetro de la bolilla 4. Carga aplicada 5. Tiempo de aplicación

DUREZA ROCKWELL (NORMA IRAM Nº 105): Ensayo no destructivo, por dejar huellas muy pequeñas.


75

• El penetrador HB está limitado para un determinado Nº de materiales, al aumentar la

dureza, las bolillas se deforman entonces los valores obtenidos son incorrectos. • Entonces podemos recurri r a la dureza (HR) donde además de penetrar acero, tiene

punta de diamante. • Con este método la dureza se determina de acuerdo a la profundidad de la penetración

y no a la superficie de impresión. • La carga total no es continua: hay 2 cargas, carga inicial y carga adicional. La suma de

ambas da la carga total. • No es necesario una formula, ya que en la máquina de medición hay un dial indicador,

entonces la dureza está dada por la punta de penetración. • El cono de penetración o punta será, menor cuanto mayor sea la dureza del material.

100

0

c-e

e

C =

0.2

mm

FIG. 1 FIG. 2 FIG. 3 FIG. 4

CARGA ADICIONAL

CARGA INICIAL

PENETRADOR

DIAL

PLATO SOPORTE

PIEZA

Transmisión de esfuerzo por palancas accionadas por pesos. 1. Se coloca la pieza sobre la máquina. 2. Se acciona la palanca que hace actuar la carga inicial de 10 Kg. (la lectura en el dial es cero). 3. Se hace actuar la carga adicional. 4. Se vuelve atrás para retirar la carga adicional y se lee en dial la dureza. La carga inicial tiene por objeto asegurar la sujeción de la pieza y tener un mejor contacto del penetrador sobre la pieza. La adicional nos da el incremento de la penetración.

HR = c – e.

c = Escala, de 100 si el penetrador es cónico y 130 si es esférico. e = incremento de la penetración inicial, medido en una escala cuya unidad es 0,002 mm para la HR normal y 0,001 mm para la superficial. La carga inicial es siempre de 10 Kg., la adicional varía (50, 90, 140) Kg. de acuerdo al material a ensayar. La superficie a ensayar debe estar, lisa, seca (exento de grasa, polvo, etc.). Al preparar la probeta, debemos evitar el calentamiento y los golpes. El espesor de las probetas debe ser tal, que en la cara opuesta no quede marcas. Evitar, vibraciones en el aparato.

76

Forma de indicar el N° Rockwell:

HRC44

1 2 3

1. N° obtenido 2. HR = dureza Rockwell 3. Escala del dial según penetrador

Aparato de ensayo: Es un aparato diseñado específicamente para este ensayo.

g

h

e

d

c

jb

a

f

i

APARATO DE ENSAYO

a. Base b. Volante para subir el plato c. Apoyo de la probeta d. Probeta e. Penetrador f. Manivela para aplicar la carga g. Dial h. Aguja que marca la carga inicial i. Aguja que indica la dureza j. Torniquete

Mecanismo de ensayo:

1. Se adopta penetrador 2. Se coloca la probeta y se mueve el volante (b) hasta que la presión de la probeta contra el

penetrador (e) sea la carga inicial, que me indicara el dial (h). 3. Se gira el dial (g) para coincidir la aguja (i) con el cero. 4. Con la manivela (f) se aplica la carga adicional ya prefijada según escala adoptada. 5. En el instante que se detiene la aguja (i), se mueve la manivela (f) a la posición inicial,

originando el retiro de la carga adicional. 6. Se lee directamente el N° de HR sobre la escala adoptada, en el dial (g) indicada por la

aguja (i). Condiciones generales:

• Distancia al borde u otra marca mínimo 3 mm.


77

• Espesor mínimo de la probeta = 18 espesor. • Se tomara como HR el promedio de tres pruebas. • Si se sobrepasa la carga inicial, se debe realizar una nueva determinación en otro punto.

DUREZA VICKERS: Prácticamente es igual al del Brinell. Solo que se calcula dividiendo la carga aplicada por sobre la huella. La diferencia es: la carga es pequeña y el penetrador tiene punta de diamante con forma de pirámide cuadrangular. Ángulo del vértice: 136º.

== 22

.854,1mmKg

dp

Hv

Forma de indicar el N° Vickers:

15/30HV

1 2 3

1. Tipo ensayo HV = N° Vickers 2. Carga 3. Tiempo aplicación

Microdureza: Penetración en el orden de los micrones; permite ensayar chapas muy delgadas.

== 22

.3,1854

µ

gr

d

pHmv

GENERALIDADES SOBRE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE ALEACIONES El estudio de las aleaciones metálicas es sumamente interesante desde el punto de vista industrial por cuanto, en general, las aleaciones compuestas por dos metales, presentan mejores características mecánicas que los metales puros. Por ejemplo, el hierro aleado con pequeñas cantidades de carbono eleva considerablemente su resistencia y dureza; el aluminio que al estado puro presenta una resistencia a la tracción de 9 kg/mm2, aleado con el cobre, manganeso y magnesio puede alcanzar resistencias de 40 kg/mm2 y aun mas. Curvas de enfriamiento de metales puros y aleaciones: Consideremos primeramente un metal puro a temperatura suficientemente elevada para que se encuentre al estado liquido. Si se lo deja enfriar y a intervalos de tiempos regulares se toma su temperatura y con los elementos así determinados trazamos el grafico correspondiente a la función tiempo – temperaturas, obtendremos la curva de la figura. En esta curva podremos observar tres zonas:

78

θ

0 t

LIQUIDO

SOLIDOPF

θ PF

FIGURA 1

1. Región superior: (hasta el punto P), en que el material al estado líquido se enfría en

función del tiempo. 2. Tramo PF: temperatura constante del metal; tiene lugar la solidificación, en el punto P

comienza la solidificación y en el F termina. 3. Región inferior: (debajo del punto F) pasado el tiempo correspondiente al punto F, el metal

es totalmente sólido. Si consideramos ahora una aleación de dos metales y repetimos la operación, se pueden presentar tres casos distintos: 1º) La curva de enfriamiento presenta la siguiente forma

0

θ

t

LIQUIDO

SOLIDO

P

F

θP

θF

FIGURA 2

En la cual P representa el principio de la solidificación y F el fin o sea que a temperatura superiores al ∅P, la aleación está en estado líquido; entre ∅P y ∅F se produce la solidificación y por debajo de ∅F la aleación es sólida. 2º) En otros casos las aleaciones se comportan como metales puros (FIGURA 1), solidificando a temperaturas constantes. 3º) Esta curva es combinación de las 2 anteriores.

θP

θF

0

θ

P

SOLIDOF

t

LIQUIDO

F'

FIGURA 3


79

Sobre P toda la aleación se encuentra líquida, a partir de ∅P comienza la solidificación, la cual termina a la temperatura ∅F y durante un cierto tiempo representado por el segmento FF’’ la solidificación continua produciéndose a temperatura constante. Por lo tanto, en este caso la solidificación comienza en P y termina en F’. Bajo el punto F’ se encuentra todo al estado sólido. Que el proceso de solidificación se produzca según una u otra de las curvas descriptas, depende de los componentes de la aleación que se considere, de acuerdo a los fenómenos que pasaremos a explicar. Aleaciones binarias al estado liquido y sólido: Si tenemos 2 metales al estado líquido en un recipiente puede suceder que:

a) Los 2 líquidos se mezclan completamente formando un líquido homogéneo (miscibles). b) Los 2 líquidos no se mezclan, produciéndose algo semejante a lo que ocurriría en una

mezcla de agua y aceite (no miscibles). Analizando el caso de mezclas miscibles al enfriarse esta solución se solidifica y puede ocurrir: 1º) Que este sólido este constituido por cristales homogéneos en los cuales no se puede distinguir su composición binaria. En este caso los 2 metales siguen siendo miscibles al estado sólido y se dice que forman solución sólida. 2º) Que al solidificarse la solución líquida los 2 cristales cristalizan separadamente. Si una aleación A y B forma una solución sólida, en la constitución de cada cristal entrarán átomos de ambos elementos. Si en cambio la aleación no forma solución sólida, una vez solidificada estará constituida por cristales de A y B separadamente. Diagrama de equilibrio de las aleaciones que forman soluciones sólidas: Las aleaciones que forman soluciones sólidas están representada por la figura 2, es decir la solidificación comienza en ∅P y termina en ∅F. Durante el intervalo ∅P - ∅F, dentro del recipiente que contiene la aleación coexisten los 2 estados: líquido y sólido, pero para cada temperatura dentro de dicho intervalo, corresponde una composición definida en la parte líquida y otra composición definida la parte sólida. Considerando una aleación A-B compuesta por X% de A una temperatura ∅’ dentro de intervalo ∅P - ∅F. Esta aleación a esa temperatura estará constituida por la parte sólida de composición definida (X/s % de A) y una parte liquida de composición (X’L % de A). Si se varía la temperatura dentro del intervalo de solidificación, subsistirán ambos estados, pero variarán las composiciones de la parte líquida y sólida. A las temperaturas ∅

// y ∅/// la composición de la parte sólida es

Xs’’ y Xs’’’ y de la líquida XL’’ y XL’’’. En una aleación, para cada temperatura, dentro del periodo de solidificación, estarán definidas la composición del liquido y la del sólido. Este concepto esta representado en la figura 4.

θ

0 XL' XL''' 100%AXS'''XS'

L'S'

S''' L'''

CURVA DE LIQUIDO

CURVA DE SOLIDO

0%B100

θ '

θ '''

θ '' L''S''

XS'' XL''

FIGURA 4

80

Consideremos la aleación de dos metales (A, B) y representemos en el eje de las abcisas, las diferentes proporciones en que pueden entrar ambos componentes en la aleación. En la figura hemos representado la proporción del elemento A, que puede variar entre 0 % y el 100 %. El elemento B seria el complemento de A es decir sigue el orden inverso al de A. En el eje de las ordenadas están representadas las temperaturas. De acuerdo a lo expuesto, si en un mismo recipiente coexisten los estados líquidos y sólidos de esta aleación, ambos estados tendrán distintas composiciones que a su vez serán variables con la temperatura. Así, a la temperatura ∅ ’ le corresponderá una composición del liquido XL’ y una del sólido Xs’; a las temperaturas∅’’, ∅’’’ corresponderán composiciones de liquido XL’’, XL’’’ respectivamente y del sólido Xs’’, Xs’’’. Estas coordenadas determinaran dos curvas que tienen la forma que puede verse en la figura y que en conjunto constituyen el diagrama de equilibrio de la aleación A, B. Consideremos una aleación de composición X a una temperatura suficientemente elevada para que se encuentre completamente liquida; sea su punto representativo el punto M.

XS'''

CURVA DE LIQUIDO

XS' XS''

θ '''

θ ''

θ '

100

CURVA DE SOLIDO

0

θ

P

100%AXL' XL'' XL'''

F

0%BX

M

FIGURA 5

A medida que se enfría el punto representativo descenderá según la vertical MX. Atravesada la línea del liquido, a una temperatura inmediatamente inferior a ∅’ , el diagrama nos indica que aparecerán las primeras partículas de sólido, cuya composición será Xs’ y su cantidad será pequeñísima en relación al liquido. Es decir, al cortar la línea representativa del enfriamiento de la aleación, la línea del liquido, comienza la solidificación. A medida que baja la temperatura se va modificando la composición y cantidad del liquido y del sólido, según lo indica el diagrama. En el momento que la línea representativa del enfriamiento corta la línea del sólido, a la temperatura ∅’’’ , desaparece como se ve en el diagrama, la ultima gota de liquido; corresponde esta temperatura al fin de la solidificación, corresponden a los mismos puntos de la curva de enfriamiento (FIGURA 2) . El diagrama de la FIGURA 5 queda así dividido en tres regiones: sobre la línea del liquido toda la aleación se encuentra al estado liquido; bajo la línea del sólido toda la aleación se encuentra al estado sólido y en la región intermedia de ambas curvas la aleación se encuentra en parte liquida y en parte sólida. Observada una aleación de este tipo al microscopio, se vera que esta constituida por cristales homogéneos, no revelándose su composición binaria. Diagrama de equilibrio de aleaciones que no forman solución sólida: Pertenecen a este grupo las aleaciones que, formando solución liquida, ambos componentes se separan durante la solidificación; Es decir, que al estado sólido, la aleación estará constituida por cristales de ambos metales. En una solución liquida de este tipo, constituida por los metales A y B, al comenzar la solidificación se formaran cristales de A o de B, según cual sea el metal que este en exceso, modificándose, por consiguiente, la composición del liquido. La figura nos muestra el diagrama de equilibrio correspondiente a este tipo de aleaciones.


81

B + LIQUIDO

LIQUIDO A + B

M

100

θe

θ '

0

θ

100%AXE

E

X'0%B

A

B

C

D

B + EUTECTICO

θ ''

A + LIQUIDO

A + EUTECTICO

M'ME

X X''LX'L

FIGURA 6

Las líneas del líquido está constituida por las curvas AE-EC y las del sólido son AB-BED-DC. Considerando una aleación M constituida con X% de A, al estado fundido, el enfriamiento estaría representado por la línea MX. Bajo la línea del líquido, a una temperatura ∅ / , parte de la aleación habrá solidificado, y esta sólido estará constituido por 0 % de A y, por consiguiente, 100 % de B, serán por lo tanto cristales del metal B puro. El liquido habrá variado su composición enriqueciéndose en A. A la temperatura ∅ ’ su composición será XL’. Si se considera una aleación situada a la derecha del punto E, tal como la X/ ,observaremos que, durante la solidificación, a una temperatura ∅ ’’ , por ejemplo, la parte sólida estará formada por cristales de 100 % de A, mientras que el líquido habrá modificado su composición, siendo en este momento XL’’. En ambos casos, durante la solidificación se deposita un metal puro, mientras el líquido modifica su composición corriéndose hacia el punto E, es decir tendiendo a la composición XE, a la cual llegara cuando la temperatura de la aleación sea ∅E. En este punto, por pertenecer la composición del líquido a ambas ramas a la vez, solidifican simultáneamente los metales A y B, íntimamente mezclados. Esta composición particular, llamada eutéctico, no debe confundirse con una solución sólida, es una mezcla íntima de A y B, pero ambos metales no se encuentran en solución. Si consideramos una aleación de composición eutéctica XE , al estado fundido, cuyo punto representativo sea ME observaremos que durante el enfriamiento y antes de alcanzar la temperatura ∅E, no ocurre ningún fenómeno de solidificación. Al alcanzar la temperatura ∅E corta simultáneamente a la línea de líquido, que indica el comienzo de la solidificación, y a la del sólido que indica el fin de la misma, por consiguiente, la aleación eutéctica solidificará a la temperatura constante ∅E, siendo su curva de enfriamiento semejante a la FIGURA 1.Todas las otras aleaciones que no corresponden a la aleación eutéctica comenzaran su solidificación a temperatura mas alta y la terminaran a temperatura ∅E y como la parte de liquido que alcanzo una misma composición eutéctica debe solidificar a temperatura constante, la curva de enfriamiento de este tipo de aleaciones será similar al de la FIGURA 3. En resumen, las aleaciones correspondientes a la derecha de XE, estarán constituidas por cristales de A mas eutéctico, y las correspondientes a la izquierda de XE, por cristales de B mas eutéctico. La aleación de composición XE estará constituida solamente por eutéctico.

82

Diagrama de equilibrio de aleaciones parcialmente miscibles en solución:

0% A

SOLIDA SOLIDA

F

SOLIDA

PASTOSO

LIQUIDO

E

R1

PASTOSO

100% A

C

R2

V VI

A

100% B 0% B

α

III

β

IV

III

G

B D

AEC – curva de líquido. AB-BE-ED-DC – curva de sólido. ABG y CDF – curva de solubilidad. α = solución (A + B), A disuelto en B. β= solución (B + A), B disuelto en A. E = (A + B) + (B + A) líquido R1 + R2 ΙΙ = Líquido + solución sólida α..

ΙΙΙΙ = Líquido + solución sólida β..

ΙΙΙΙΙΙ = solución sólida α.

ΙΙV = solución sólida β. V = solución sólida R1 + eutéctica. VI = solución sólida R2 + eutéctica.

HORNOS ELÉCTRICOS El acero eléctrico es elaborado en un horno calentado por medio de la corriente eléctrica. Aparte esta diferencia que resulta del medio de calentamiento, el procedimiento eléctrico es análogo al procedimiento Martín. La carga esta constituida sobre todo de chatarra. Las reacciones de afino son las mismas. La oxidación se efectúa sensiblemente de la misma manera por intermedio de la escoria, pero aquí la atmósfera, neutra, no puede contribuir en la formación de oxido de hierro en la superficie del baño.


83

El periodo de reducción toma una importancia notable; la desulfuración, que puede ser forzada, se hace de la misma forma que el alto horno. CARACTERÍSTICAS DEL PROCEDIMIENTO ELECTRICO BASICO: Como en los procedimientos anteriores, se distinguen las marchas ácidas y básicas. El procedimiento ácido utiliza una solera de sílice, y por consiguiente no permite desfosforar, sino solamente desoxidar; exige en consecuencia materias primas tan pobres en P y S como el producto terminado. El procedimiento básico, es el mas importante, consta de dos factores esenciales:

1. Altas temperaturas: La temperatura del baño puede sobrepasar los 1800°C. Esta temperatura elevada acelera las reacciones, permite la fusión de escorias o de metales refractarios, y favorece la reducción de los óxidos.

2. No intervención de la atmósfera del horno: El laboratorio del horno eléctrico esta prácticamente cerrado, y no hay paso de corriente gaseosa importante. Por consiguiente la atmósfera es neutra, y las reacciones se efectúan únicamente entre el metal y las adiciones. Entonces se puede hacer alternar el trabajo en medio oxidante, y después en medio reductor. Se pueden fundir elementos oxidables (Cr, W, Mo) sin temor de perdidas por oxidación y, en particular, utilizar recortes de aceros que contengan estos metales.

Oxidaciones: Los elementos oxidables, Si, Mn, C y P se eliminan como en el procedimiento martín, pero la eliminación muy al fondo del fósforo es posible, porque la temperatura elevada permite fundir las escorias ricas en cal. Reducciones: El contenido en oxigeno del baño puede ser rebajado a una tasa mínima, porque se puede utilizar escorias carburadas que no podrían subsistir en contacto con las llamas oxidantes del horno Martín. Las dos condiciones esenciales para la separación del azufre (medio reductor y basicidad de la escoria) no son plenamente realizables mas que en el horno eléctrico; por otra parte, la atmósfera gaseosa del horno no contiene materias sulfurosas como la del horno Martín. En resumen, el procedimiento eléctrico, gracias a la posibilidad de eliminación a fondo del fósforo, azufre y oxigeno, es el único procedimiento que permite la elaboración de un acero de calidad superior. Dosificación: La alta temperatura permite disolver los elementos menos fusibles; también el procedimiento eléctrico permite elaborar todos los aceros aleados, y en particular los aceros de fuerte contenido en metales refractarios.

TIPOS DE HORNOS ELÉCTRICOS Se puede distinguir tres tipos de hornos eléctricos: Hornos de resistencia: El calor se desprende en un circuito que rodéale horno. Las resistencias usuales tienen, sea un punto de fusión demasiado bajo (aleaciones a base de níquel), sea una resistencia a la oxidación insuficiente (grafito, tungsteno), para que se pueda realizar hornos de resistencia que permitan la elaboración del acero. Hornos de inducción: El baño de acero es calentado por el efecto JOULE de una corriente que se crea en el por inducción de una corriente alterna. Hornos de arco: Son en suma hornos de resistencia, en los que la resistencia esta constituida sobre todo por el medio gaseoso comprendido entre el electrodo y la materia a calentar. Actualmente solo se utilizan los dos últimos tipos de hornos, pero los hornos de arco son los mas utilizados. Se los clasifica en tres categorías según su modo de funcionamiento.

1. La corriente no pasa por el baño: El arco salta encima del baño y el calentamiento tiene lugar por radiación, conveccion y por reverberación sobre la bóveda. Estos hornos dan lugar a una mala repartición del calor desprendido.

84

2. La corriente atraviesa el baño yendo de un electrodo a otro: Estando los electrodos fuera

del baño. Es el método mas utilizado.

3. La corriente conducida por un electrodo, atraviesa el baño y sale por la solera conductora.

Este tipo de horno esta siendo dejado de utilizarse debido a la fragilidad de la solera debido a su composición.

CRISOL Horno HEROULT: Es un horno en el cual la corriente va de un electrodo a otro, Este horno comprende esencialmente un crisol formado de chapas (cilíndrico de eje horizontal) revestido interiormente de un revestimiento refractario. Presenta, diametralmente opuesto, un pico de colada y puertas de carga y descoriado. El crisol esta montado sobre dos sectores dentados que permiten bascularlo hacia delante para la colada y hacia atrás para el descoriado; el movimiento esta asegurado por un mando eléctrico o hidráulico.

cremallera

Pico de colada Mando de la

regulacion de la altura de los electrodos

Materiales

Engineering

Transcript of Materiales