Propiedades mecnicas de los materiales

Propiedades mecnicas de los materiales Fatiga bajo ciclos

Velocidad de propagacin de fisuras por fatiga

Cada de peso (Pellini)

Tenacidad a la fractura

Curva resistencia a la fractura

Tenacidad a la fractura

Ensayo de fluencia lenta

Traccin a alta y baja temperatura

Impacto (Charpy) instrumentado

Dureza (HB HRc HV)

Flexin (curvado)

Templabilidad (Jominy)

Diversos ensayos con tcnicas metalograficas

Estudio integridad de componentes

Todos los materiales y estructuras tienen defectos, pero esto solo son importantes si evitan que el componente no cumpla con la performance y vida para la cual fue diseado

La seleccin de materiales

Experiencia: Antecedentes: hay que tener 2 o 3 materiales

Condiciones de operacin: Debo conocer el material, condiciones de trabajo normales y de accidente extremos

Propiedades mecnicas: Cada colada tiene sus propiedades, ya sea qumica, impurezas, mecnicas, etc. Es decir tiene que cumplir con las especificaciones del servicio.

1. Logsticas: Material de catlogo, stock limitado, forma, tratamiento trmico, tiempo espera.

2. Costos: de la materia prima, costos del producto.

3. Seguridad: Normas medio ambiente, dao a las personas

4. Factores trmicos

Condicin de servicio: Tipo de solicitacin, temperaturas, ambiente qumico y fsico

Interaccin con el material: Definir requerimientos, definir materiales que cumplen con estos requisitos.

Seleccin de materiales Concepto de dao

Al momento de la puesta en servicio Al momento del reemplazo o perdida de funcionalidad

Al momento de la rotura

En general

D = f. (t, n1, n2, n3,) Donde n son los parmetros fsicosDr = f. (t, n1, n2, n3,) = 1

Paras un solo mecanismo de dao constante en el tie4mpo:

D (t) = t/tn

Concepto de dao definicin cuantitativa

No hay resolucin cientfica

Hay algunos modelos simples

Se recurre en general a gruesas aproximaciones empricas

Desarrollo de los materiales

Es un tema que pasa desapercibido por problemas cotidianos.

Hace mas de 2 millones de aos que se esta desarrollando

Edades: de piedra, bronce, hierro. Fuego

Alfarera: La base de la metalurgia.

Edad de hierro desde 1500 AC Reduccin a esponja y posterior forjado

Obtencin de arrabio, uso masivo del hierro.

Luego se uso en equipos, puentes, etc.

Posibilitar descubrir el aluminio y titanio abundantes en la corteza terrestre, no as los metales puros: vidrio

Aluminio:

Influy en las actividades humanas

1846: Se produca poca cantidad y muy costoso (mas que el oro)

1886: Se produce por electrolisis

Sus propiedades permite el desarrollo de la aviacin comercial actual

Titanio

Es el 4 Metal en abundancia, luego del aluminio, hierro y magnesio.

1946: Se obtiene qumicamente, lo que hace muy costoso.

Muy buenas propiedades a la corrosin: usado en la industria aeronutica, qumica, medicina, etc.

Permiten el desarrollo de la tecnologa aeroespacial

Materiales no metlicos

Cermicos, porcelanas y vidrios

Amplio uso por sus propiedades: aislantes para conductores de potencia, odontologa, prtesis, arquitectura, etc.

Para transmisin de informacin, fibras pticas (en lugar de cobre) (Ej. 100 g son 30 TN de cobre)

La revolucin del silicio y germanio

Partiendo de estos elementos puros se desarrollaron los transistores y luego los circuitos integrales (miles de transistores en una placa de Si una PC llega a 10 millones de transistores)

Polmeros Plsticos

1912: Solo se conoca la goma, el celuloide, la baquelita 1939: Desarrolla el nylon y el tefln

Dcada 50: Gran evolucin: Caucho sintticos, producen gran cantidad de polmeros, se destaca el Kevlar

Hoy se desarrollan polmeros conductores (Novell 2000), biodegradables, que se contraen bajo un campo magntico.

Resistencia de materiales

Es la relacin entre fuerzas interna, deformacin y fuerzas externa ejercida sobre un cuerpo

Cuerpo continuo: No tiene huecos.

Homogneo: Propiedad en cualquier punto

Isotropico: Propiedad independiente de la orientacin o direccin.

Tensin y deformacin promedios

E = = = L Lo Lo Lo Lo

P = o dA = A

= P

A

Constante (hasta limite elastico) = E = /e

Deformacin tensil en metales dctilesCurva tpica tensin deformacin Comportamiento dctil vs. frgil (depende de varios factores)

Tensin de trabajo Cdigo ASME

La tensin de trabajo puede ser tomada como la tensin ede4 fluencia o la resistencia mxima a la traccin dividida por un coeficiente de seguridad

w = o= Si N > a 1 (debe tener en cuenta todas las condiciones de trabajo)

N Si N > a 2/3 de la fluencia o de la carga mxima de la zona elstica

Porque fallan las piezas

Por excesiva deformacin elstica (flexin gradual o pandeo, estn controladas por el modulo de elasticidad) Por excesiva deformacin plstica (cambios permanentes en las formas, debido a sobre cargas o creeep) Por fracturas (defectos que crecen, fisuras)

Concentrador de tensin

Lugar que incluye solo discontinuidades (no fisuras)

Kt = mxima

nominal

Deformacin plstica Tpica curva tensin deformacin real

Ensayo de Traccin

Curva tensin Deformacin real

= P . (e + 1) = S (e + 1)

Ao

= P/A = ln (e + 1)

= H

Donde K es el coeficiente de resistenciua y n es el exponente de endurecimiento por deformacin

Materiales Conocimientos Generales

Tecnologa de materiales

Defectos en materiales

Propiedades.

Naturaleza y cambios en estado slido

Metales ferrosos, no ferrosos y plsticos

Manufactura.

Procesos de fundicin y soldadura.

Procesos con deformacin plstica.

Laminacin, Forjado, pulvimetalrgia, otros.

Maquinado y terminacin superficial

Materiales- Conocimientos Generales

EstructurasEstructuras atmicas

Microestructuras

Tecnologa de materialesMateriales compuestos

Materiales metlicos

Defectos en los materiales

La estructura electrnica del tomo determina el tipo de enlace entre varios tomos. Esto produce distintas microestructuras. La microestructura determina las propiedades del material

Uniones Atmicas

COVALENTES: tomos que comparten uno o mas electrones.

IONICAS: los tomos pierden o ganan uno o varios electrones. (igual que el caso anterior, cuanto menos electrones posee el tomo mayor es la energa de ligadura)

METALICA: tomos con pocos electrones en la capa exterior, luego estos son fcilmente separables, formando una nube que es compartida.

Van der WAALS: uniones dbiles, formados por dipolos (formados por desequilibrio entre cargas positivas y negativas del ncleo)

Estructuras de los materiales - Principales caractersticas de las uniones

Estructuras De Los Materiales - Principales Caractersticas De Las Uniones

Ordenamiento Atmico (Cristales)

Ordenamiento Atmico En Metales-Modelo De Esferas Rgidas

hcp

fcc

bcc

Materiales Metalicos Granos

Metales- Propiedades

Buena resistencia a la corrosin: aleacin cobre-nquel Buena ductilidad y resistencia Pueden ser conformados en fro o caliente. Elasticidad y buena resiliencia: resortes Biocompatibilidad (buena resistencia a la corrosin y seo-integracin) : titanio, cobalto, circonio y sus aleaciones

Materiales Cermicos

Resistencia a la corrosin en ambientes corrosivos.

Bajo coef. De rozamiento

Buena resist. Al choque trmico.

Buena tenacidad (modernos) Mala conductividad trmica y elctrica (Aislantes).Alto punto de fusin

Polmeros- Propiedades

Bajo costo poco peso fcil de conformar Baja conductibilidad trmica y elctrica Reemplazo del acero y cermicos en mltiples aplicaciones, UHMW-PE (polietileno de alto peso molecular)Polmeros - Aplicaciones Elastmeros de alta elasticidad muelles de altas prestaciones Juntas de expansin

Ensayo de traccin estticaConceptos

Para comprender el comportamiento mecnico de los metales es necesario analizar tanto la deformacin elstica como la plstica.

La deformacin elstica es reversible, es decir, solo dura mientras se aplica la carga. La ley de Hook relaciona la deformacin elstica con la tensin

La deformacin plstica es irreversible, es decir, permanece luego de retirar la carga.

Al principio del ensayo, la respuesta es elstica, ms all de una tensin lmite, conocida como tensin de fluencia, la deformacin se convierte en elastoplstica, al retirar la carga solo se recupera la deformacin elstica, permaneciendo la plstica, la figura anterior muestra como los planos cristalogrficos se han movido unos contra otros. Original Retcula (*)

Retcula simple

Deforma elastoplstica

Deformacin plstica

Cristalografa del materialLas estimaciones tericas del esfuerzo cortante necesario para mover un plano cristalogrfico una unidad de deslizamiento dan valores que difieren grandemente con las mediciones de resistencia real, los aceros estructurales poseen resistencias que estn dos rdenes de magnitud por debajo del valor terico. Hay por lo tanto un mecanismo que facilita el deslizamiento de los planos cristalogrficos. El principal mecanismo lo constituye la presencia de defectos de la malla denominados dislocaciones.

Durante la deformacin plstica la dislocacin se mueve a travs de la malla atmica dentro del cristal.

Debido a que los materiales poseen caractersticas reales, no ideales, es que las propiedades mecnicas de los materiales se determinan utilizando probetas y procedimientos de ensayo normalizados, (como por ejemplo los de las normas ASTM, DIN, IRAM, etc.).

Para los materiales metlicos el mtodo de ensayo ms empleado es el de ensayo de traccin. Las propiedades tensiles suelen medirse utilizando probetas largas y estrechas que garantizan un estado de tensin uniaxial.

Las normas para ensayos de traccin en general, como por ejemplo la ASTM E 8 para temperatura ambiente y E 21 para altas temperaturas tienen como objetivo cubrir los ensayos de traccin de materiales metlicos indicando los mtodos para la determinacin de:

tensin de fluencia el punto de elongacin de la fluencia tensin mxima elongacin y reduccin de rea.Los ensayos de traccin proveen informacin sobre

la tenacidad y ductilidad de los materiales sometidos a tensiones de traccin uniaxiales.

Los resultados del ensayo de traccin maquinados de una porcin seleccionada de una parte del material podran no representar las propiedades de todo el producto o el comportamiento en servicio del mismo en otro tipo de ambiente. Estos ensayos son considerados satisfactorios como ensayos de aceptacin o envo comercial de materiales. El maquinado de las probetas debe

realizarse en fro con muy buena refrigeracin para no producir cambios a nivel metalogrfico que puedan afectar las propiedades a ser determinadas.

La terminacin superficial de la probeta debe corresponderse a la del material manufacturado o de lo contrario debe estar provista en las especificaciones aplicables del producto.

Las principales dimensiones de una probeta de traccin cilndrica se muestran a continuacin

Nota: Para probetas proporcionales Lo = 5,65 So : lo da solamente la norma DIN para probetas cortas y la misma frmula pero con un coeficiente de 11.3 para probetas largas, en ASTM tienen otras relaciones que estn implcitas en las dimensiones geomtricas especificadas por la norma

Diferentes geometras y dimensiones de probetas son permitidas por norma, dependiendo del producto manufacturado del que van a ser extradas las mismas por ejemplo

Planchas

Barras

Tubos de seccin tubular completa: Si el tubo posee un espesor de pared que supera los 20 mm se puede utilizar una probeta cilndrica, si el espesor es ms pequeo pero el dimetro externo es muy grande entonces se puede utilizar una seccin del tuboTubos que poseen un grn dimetro externo que no pueden ser ensayados en su seccin tubular completa, cuando los amarres para caras curvas, no estn disponibles, estara permitido, si esto fuera posible, aplanar sin calentamiento las cabezas de la probeta

Material fundidoElementos usados en los ensayos

Mquinas de ensayo universal: son generalmente hidrulicas o electromecnicas a tornillo, con diferentes rangos y capacidades de carga, que van desde cientos de kilos hasta miles de toneladas. Medidor de carga

Celda de carga

Medidor de desplazamiento

Elementos de amarre de las probetas Elementos de medicin lineal como micrmetros o calibres deben ser precisos y confiables con un error menor al 1% y que puedan por lo menos discernir la mitad de la ms pequea unidad requerida en una dimensin individual de una probeta normalizada. La velocidad de ensayo puede estar dada en trminos de

La velocidad de aplicacin de tensin

La velocidad de aplicacin de deformacin, o

La velocidad de separacin del cabezal de la mquina, etc. Como ejemplo, podramos decir que una velocidad razonable para determinar resistencia a la traccin estara dada por una velocidad de aplicacin de deformacin de entre 0.05 y 0.5 mm/mm/minLos extensmetros deben ser utilizados para poder medir la tensin de fluencia, la longitud calibrada de los mismos puede ser igual o menor a la longitud calibrada de la probeta, pueden ser resistivos, LVDT, lser, etc. Los extensmetros tienen que ser clase B o mejores, esto significa que deben poseer un error relativo de la zona calibrada de 0.5 %, resolucin mnima que se pueda discriminar en el panel indicador de la mquina referida a la deformacin menor a 0.0001 y error relativo con respecto al valor aplicado de 0.5 % Los diferentes componentes que miden la carga, el desplazamiento del cabezal de la mquina y el alargamiento de la zona calibrada de la probeta deben calibrarse peridicamente para verificar que los errores a fondo del rango de escala utilizado se encuentren por debajo de los mximos solicitados por las diferentes normas o por el cliente. Se emplean diferentes patrones para calibrar, celda de carga, LVDT y extensmetroLos parmetros importantes que han de controlarse durante los ensayos de traccin son

El grado de deformacin: est controlado por la velocidad de desplazamiento de la cruceta de la mquina de ensayo o por la velocidad del pistn hidrulico

La temperatura de ensayo: se puede regular mediante un horno o una cmara ambiental con un error no mayor de 3 C.

Obtencin de puntos caractersticos de un ensayo de traccin

La metodologa para obtener las curvas de tensin deformacin, ingenieriles a partir de los datos de carga desplazamientos obtenidos del ensayo, es la siguiente:1. Medicin de los parmetros geomtricos de la probeta antes del ensayo:

L0 (longitud calibrada)S0 (seccin transversal inicial de la zona calibrada)2. Montaje de la probetaColocacin del extensmetro y

Acondicionamiento del equipamiento (parmetros del ensayo, velocidad, temperatura, etc.)3. Realizacin del ensayo Adquisicin de datos de carga,

Deformacin y

Desplazamiento4. Medicin de los parmetros geomtricos de la probeta despus del ensayo:

Lf (longitud final)Sf (rea de rotura)5. Durante el ensayo se mide:

6. La carga y el desplazamiento del que se Obtiene el grfico correspondiente y se puede calcular el grfico Tensin vs. Deformacin (ingenieril) mediante el clculo de puntos relevantes.

Los puntos relevantes son:

Tensin nominal o ingenieril (MPa o Kgf/mm2)

Deformacin nominal o ingenieril

El diagrama tensin-deformacin ingenieril puede dividirse entre zonas: deformacin elstica, deformacin plstica uniforme con tensin en aumento constante y deformacin plstica no uniforme

En este diagrama general se pueden observar tres zonas caractersticas:

1 zona, o zona elstica.

En esta zona el material sufre una deformacin elstica, y en ella se cumple la ley de Hooke:

De forma que si suprimimos en este tramo la tensin impuesta, la probeta recupera su tamao inicial.

El primer parmetro que nos define este diagrama de traccin es el modulo de elasticidad E, siendo

la pendiente del tramo recto inicial del diagrama, que nos da cuenta de la rigidez del material.

La rigidez y la flexibilidad son dos conceptos inversos:

Es decir, un material rgido es poco flexible y viceversa.

Si comparamos un material A con otro menos rgido B, es decir

Observamos que para la misma tensin impuesta, dentro de la zona elstica, el material B se deforma mas que el A,

y por lo tanto B es mas flexible que A.

Llegar un momento en que el grfico deja de ser recto y comienza a curvarse, es donde termina la 1 zona (zona elstica) y comienza la 2 (zona plstica). A la tensin a la que ocurre esto se le llama lmite elstico (ys).

La determinacin del lmite elstico es de importancia, ya que la mayora de los materiales se calculan para que en su trabajo no sufran tensiones que rebasen este lmite, de forma que solo se deformen elsticamente y no sufran deformaciones permanentes. Para determinar lmite elstico prctico al valor de la tensin (ys) que produce un alargamiento unitario permanente del 0,2 %.

2 zona o zona plstica.

Es la zona que va desde el lmite elstico hasta la mxima carga que puede soportar el material (R). Aqu se producen deformaciones plsticas permanentes, debido al movimiento de dislocaciones en los sistemas de deslizamiento.

El alargamiento impuesto en este tramo es uniformemente repartido a lo largo de toda la longitud de la probeta.

Si en un punto de la zona plstica, retirsemos la carga, el grfico descendera por la recta, donde tendremos la deformacin plstica impuesta mas ana deformacin elstica asociada,

Luego, comenzamos a cargar de nuevo, seguiremos el tramo donde veremos un aumento de la dureza y del lmite elstico debido al trabajo en fro, ya que ys < B.

3 zona o zona de rotura final.

Es la zona a partir del momento en que se produce la tensin mxima del metal (R), punto C, y a partir de la cual la deformacin plstica se hace localizable en una parte de la probeta, en forma de cuello, producindose inevitablemente la rotura final.

El motivo por el que desciende es el de considerar que

Puesto que en este tramo la seccin se hace ms pequea, necesitaremos menos fuerza para seguir deformando.

Una vez rota la probeta, se calculan otros dos parmetros que son el alargamiento (A) y la estriccin (Z):

NOTA: Algunos metales y aceros especialmente dulces presentan una discontinuidad entre los regmenes elstico y plstico, con un lmite de fluencia marcado seguido de un breve perodo de deformacin plstica irregular. El alargamiento nos da cuenta de lo que se estira plsticamente el material en el proceso de rotura, es decir nos va a dar cuenta de la plasticidad del material o de la aptitud que tiene para deformarse plsticamente.

La estriccin nos brinda la informacin pero en sentido transversal.

Es obvio que dos probetas de distintas geometras producirn su estriccin y alargamiento de forma distinta aunque sean del mismo material, con los resultados de los ensayos de traccin sobre una u otra probeta no serian comparables.

Para evitar esto se deben ensayar probetas de geometras equivalentes, y esto se cumple cuando la seccin transversal S0 y la longitud original l0 se relacionan de la siguiente forma:

Generalmente k = 5,65 para probetas en general y l0 = 5S0 para probetas cilndricas. (K puede variar segn la norma utilizada)

Comportamiento de un material ms frgil y otro ms dctil en un grfico carga desplazamiento.

Ejemplos extremos reales de grficos tensin deformacin ingenieriles en dos materiales, uno con comportamiento dctil y otro con comportamiento frgil.

Influencia de la temperatura en un mismo material con respecto al comportamiento dctil frgil.

Obtencin del grfico tensin - deformacin (real):

En el diagrama nominal de traccin se toman y

Siendo S0 y l0 la seccin y la longitud iniciales de la probeta, por lo tanto no es el verdadero diagrama tensin deformacin, ya que con el transcurso del ensayo la probeta cambia de medidas progresivamente, de forma que se alarga y estrecha. Lo dicho explica por que una vez superada la carga mxima de rotura, para los materiales que forman cuello, la tensin nominal disminuye: esto surge de considerar la S0, cuando en realidad tendramos que tomar la S que tiene el material en ese instante.

Podramos definir los parmetros:

SHAPE \* MERGEFORMAT

Donde l y S son la seccin y la longitud de la probeta en cada momento.

En este caso el diagrama para materiales dctiles no presenta esa cada de tensin a partir de R, ya que en el cuello la seccin disminuye mucho mas rpidamente que la fuerza aplicada.

Para determinar las ecuaciones que conforman la curva de tensin - deformacin real puede dividirse la misma en tres zonas.

La curva de traccin corregida toma en consideracin el estado complejo de tensiones dentro de la regin donde se forma la estriccin

1. Zona lineal elstica

La deformacin es proporcional a la tensin aplicada

Es coincidente con la frmula del mdulo de elasticidad en la curva ingenieril (Ley de Hook).

2. Zona de perodo plstico hasta el comienzo de la estriccinSon vlidas las siguientes expresiones:

3. Zona que va desde el inicio de la estriccin hasta rotura final

Se calcula la tensin correspondiente a la rotura considerando la seccin final medida posterior al ensayo

Tensin de fractura (MPa o Kgf/mm2) Se calcula la deformacin correspondiente a este punto mediante la siguiente frmulaDeformacin real de fractura

Pasado el perodo de fluencia o lmite de proporcionalidad, la correlacin entre tensiones y deformaciones reales da una curva continuamente creciente, que pone de manifiesto el efecto del endurecimiento generado por la deformacin plstica, la expresin que describe matemticamente la curva de ensayo en el perodo plstico, resulta aprox. Exponencial, a pesar de lo cual y por su simplicidad se ha generalizado la ley potencial que dice:

El tramo final de la curva queda definido por la recta que une este punto con el ltimo punto de la zona anterior (punto de inicio de la estriccin).Para obtener n y K es realiza un ploteo en escala logartmica desde fluencia hasta carga mxima:

log de tensin real versus log de deformacin real

Esto resultar en una lnea recta, donde n ser la pendiente de la recta y K el valor de tensin real que corresponde a un = 1.

El exponente de endurecimiento debera tener valores que van desde 0 (slido perfectamente plstico), hasta 1 (slido elstico), para la mayora de los metales n se encuentra entre 0.10 y 0.50.

Los datos recabados de este ensayo van desde parmetros simples como:

Tensin de fluencia

Tensin mxima

% de elongacin y

% de estriccin (datos bsicos solicitados por norma)

Hasta parmetros ms elaborados como el K y n utilizados en clculos que necesitan conocer el comportamiento plstico del material para modelizar las deformaciones plsticas en funcin de las tensiones aplicadas.

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

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_1320672901.unknown

_1320672961.unknown

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_1320672662.unknown