tema oxidación de materiales

BLOQUE II

MATERIALES

Tecnología Industrial II. BLOQUE II. Página 1

TEMA 4: PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES. ENSAYOS.

1.- PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES.

Elasticidad: es la capacidad que tienen algunos materiales para deformarse cuando les aplicamosuna fuerza recuperando su forma primitiva cuando la fuerza deja de actuar.

Plasticidad: es la capacidad que tienen algunos materiales para deformarse cuando les aplicamosuna fuerza y conservar la deformación cuando la fuerza deja de actuar.

Rigidez: es la oposición a la deformación que muestra un material cuando se le aplica una fuerza.

Ductilidad: es la facilidad con la que un material puede estirarse para formar hilos.

Maleabilidad: es la facilidad con la que un material puede ser extendido en láminas finas sinromperse.

Dureza: es la oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro.

Resiliencia: es la resistencia a deformarse de forma permanente que opone un material cuando esgolpeado o sometido a esfuerzos bruscos.

Fragilidad: es la facilidad con la que se rompe un material cuando es golpeado o sometido aesfuerzos bruscos.

Tenacidad: es la resistencia a romperse que opone un material cuando es sometido a esfuerzoslentos.

Fatiga: es la deformación (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a cargas pequeñasy variables pero que actúan durante largo tiempo o con una frecuencia alta.

Maquinabilidad: es la facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de viruta.

Colabilidad: es la aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde.

Acritud: Es el aumento de la dureza y la fragilidad que ocurre en algunos metales cuando losdeformamos en frío.

2.- ENSAYOS

Un ensayo es una prueba que realizamos sobre un material para conocer una o varias de suspropiedades. En todos los ensayos, tanto las dimensiones como la forma del material y lascondiciones en las que se realiza han de estar normalizadas. Por ejemplo, no podemos tomar unamuestra (o probeta) con cualquier forma, sino con las que especifica un organismo regulador que,en el caso de España es Aenor.


2.1.- Tipos de ensayosEnsayos científicos: son los más rigurosos y en ellos se obtienen valores numéricos de una o variaspropiedades de forma precisa y en condiciones extremadamente controladas y normalizadas. Unejemplo de ensayo científico es el ensayo de tracción que veremos más adelante.

Ensayos tecnológicos: en ellos tan sólo comprobamos las aptitudes de un material para lasutilidades que les daremos. Un ejemplo podríamos tenerlo en el ensayo de flexión alternativa, en elque se cuenta el número de veces que una pieza se puede doblar hacia un lado y hacia otro sin quese rompa.

Ensayos químicos: permiten conocer la composición o las propiedades químicas del material(como, por ejemplo, su resistencia a la oxidación).

Ensayos físicos: son los que permiten medir propiedades físicas como la densidad, la resistividad oel calor específico.

Ensayos mecánicos: son los que determinan el comportamiento y/o la resistencia del materialcuando se le somete a esfuerzos.

Ensayos destructivos: en ellos rompemos o modificamos de forma irreversible la forma o laspropiedades de la muestra o probeta, de forma que el material empleado nos resultará inservible.

Ensayos no destructivos: aquí no rompemos ni alteramos de forma irreversible las propiedades dela muestra analizada.

Por supuesto, un mismo ensayo puede catalogarse en varias de las categorías anteriores. Porejemplo, el ensayo de flexión alternativa es un ensayo tecnológico, mecánico y destructivo.

3.- DUREZA

Hay dos clases básicas de dureza: la dureza al rayado y la dureza a la penetración. De la primeraclase sólo estudiaremos la dureza Martens. En cuanto a la segunda, veremos los ensayos Rockwell,Brinell y Vickers. En esos tres últimos ensayos se mide la resistencia que ofrece un material a serpenetrado por una pieza de otro material diferente, llamada penetrador. El penetrador se empujacontra la superficie del material cuya dureza queremos medir con una fuerza controlada durantecierto tiempo (todo ello normalizado). Al retirar el penetrador, observamos la huella que deja;mientras mayor sea la huella, más blando será nuestro material.

3.1.- Dureza Martens.-Es, de todas las que estudiaremos, la única que mide la dureza al rayado. Su determinación se hacede la siguiente manera: rayamos nuestro material usando un diamante en forma de cono al queaplicamos una fuerza constante de valor normalizado (o sea, predeterminado y mirado en unastablas). La dureza Martens es el inverso de la anchura de la raya obtenida, ya que, como es lógico,en los materiales más duros la anchura de la raya será menor.


3.2.- Ensayo BrinellEn este tipo de ensayo usamos como penetrador una esfera de acero templado, y seguiremos lospasos siguientes:

– En primer lugar, estableceremos el diámetro D del penetrador, esto se hace midiendo elespesor de la pieza sobre la que realizamos el ensayo y consultando una tabla.

– Después vemos qué tipo de material es el que sometemos al ensayo y volvemos a consultaruna tabla, de la que sacamos un valor de un parámetro K.

– Una vez establecido el valor de K, calculamos la carga (en kp) que aplicaremos alpenetrador mediante la fórmula:

F=K D2

Ahora realizamos el ensayo: aplicamos la carga F al penetrador, que deja con ello una huella conforma de casquete esférico en el material cuya dureza queremos medir.

La dureza vendrá dada por la siguiente fórmula:

HB=FS

Donde F es la fuerza aplicada en kp y S la superficie del casquete esférico en milímetros cuadrados.HB es la dureza Brinell y se medirá en kp/mm2

Y ahora viene el problema: no medimos S, sino el diámetro d de la huella o la profundidad h deésta...

Llamaremos D al diámetro del penetrador, d al diámetro de la huella y h a su profundidad (todo enmilímetros:)

Recordando la fórmula del área de un casquete esférico:S= D h


Y aplicando el teorema de Pitágoras a la figura siguiente:

Obtenemos:

D2

2

= D2

−h 2

d2

2

Despejando h, obtenemos:

h=D±D2

−d2

2Al ser h<D, sólo tiene sentido la siguiente solución:

h=D−D2

−d2

2=> S= D

D−D2−d2

2=> HB=

2F

D D−D2−d2

En la que F es la fuerza o carga aplicada medida en kp, D es el diámetro del penetrador enmilímetros y d es el diámetro de la huella medido en milímetros. HB es la dureza Brinell y semedirá en kp/mm2.

Es usual expresar la dureza Brinell de la siguiente forma:

Valor de la dureza(En kp/mm2)

HB Diámetro penetrador(En mm)

Carga(En kp)

Tiempo(En s)

Por ejemplo, 280 HB 5 200 30 significaría que el resultado del ensayo ha sido una dureza de 280kp/mm2 habiéndose usado en el ensayo un penetrador de 5 mm de diámetro al que aplicamos unacarga de 200 kp durante 30 segundos.

La dureza Brinell posee los siguientes inconvenientes:- No puede realizarse sobre superficies curvas.- Si la huella es pequeña, es complicado medir su diámetro.- Sólo se puede aplicar el ensayo a materiales cuya dureza sea no muy alta. En cualquier caso, ladureza del material ha de ser inferior a la del penetrador.

Veamos un ensayo Brinell en la realidad:http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=4PtkjRwIdN4&feature=endscreen

Y ahora, la propina: un vídeo para ampliar (de una clase universitaria para ingenieros)http://www.youtube.com/watch?v=66pznO3EjRU&list=PL34E0D5EE1BF50924


http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=4PtkjRwIdN4&feature=endscreen

http://www.youtube.com/watch?v=66pznO3EjRU&list=PL34E0D5EE1BF50924

3.3.- Ensayo VickersEn este ensayo se usa como penetrador un diamante tallado en forma de pirámide de base cuadradatal y como se observa en la figura:

La dureza Vickers viene dada por:

HV =FS

donde F es el valor de la carga (en kp) y S la superficie de la huella (en mm2)

Si llamamos d a la diagonal de la huella, mediante cálculos trigonométricos que obviaré,obtenemos:

HV =1,8544F

d2

La dureza Vickers se expresa de la siguiente forma:

Valor de la dureza(En kp/mm2)

HV Carga(En kp)

Por ejemplo, 400 HV 50 significaría que el resultado del ensayo ha sido una dureza Vickers de 400kp/mm2 al someterse a una carga de 50 kp.

El ensayo Vickers está especialmente indicado para materiales muy duros y puede usarse ensuperficies curvas.

3.4.- Ensayo RockwellExisten dos tipos de ensayos Rockwell:

– Si el material es blando, se usa como penetrador una bolita de acero, de dimensionesnormalizadas obteniéndose la dureza Rockwell B (HRB)

– Si el material es duro, se usa un pequeño cono de diamante redondeado en su punta condimensiones normalizadas, obteniéndose la dureza Rockwell C (HRC)


El procedimiento a partir de ahí es similar (que no igual):1.- En ambas escalas se aplica inicialmente una precarga de 10 kp, con lo que elpenetrador originar´a una huella de profundidad h1 milímetros2.- A continuación se aplica al penetrador el resto de la carga (90 kp en el caso de laescala HRB y 140 kp en el caso de la escala HRC), produciéndose una huella deprofundidad h2 milímetros.3.- Al cabo de unos segundos, se reduce la carga hasta alcanzar el valor de la precarga,ahora tendremos una huella de profundidad h3 milímetros.4.- Medimos la diferencia e=h3-h1 en milímetros y aplicamos una de las fórmulassiguientes (la que corresponda al tipo de ensayo que hemos realizado):

HRB=130−e

0,002HRC=100−

e0,002

El esquema del ensayo se ve en la siguiente figura:

El ensayo Rockwell es el más usado en la práctica ya que puede ser indicado tanto para materialesrelativamente blandos como para materiales muy duros (basta con cambiar el penetrador y aplicar lafórmula correspondiente). De hecho, la mayoría de las facultades, el durómetro que poseen es deltipo Rockwell.

En la práctica, los durómetros de hoy en día nos dan directamente el valor de la dureza, en elsiguiente vídeo vemos cómo se realiza el ensayo: http://www.youtube.com/watch?v=2hxinjDh8OsEn el grandioso blog http://pequeniosingenieros.blogspot.com.es/ podéis encontrar el vídeo anterior.

4.- ENSAYO DE TRACCIÓN

4.1.- Definición del ensayo.-Consiste en estirar una probeta de dimensiones y forma normalizadas por medio de una máquina, avelocidad lenta y constante, ir observando lo que ocurre, obtener una gráfica que nos informe de sucomportamiento e ir haciendo una serie de mediciones.

Las probetas son normalizadas, admitiendo secciones variables, S0, si bien están correlacionadascon la longitud de la probeta, L0, a través de un modelo del tipo:

siendo K un factor de proporcionalidad definido por la norma.


http://pequeniosingenieros.blogspot.com.es/

http://www.youtube.com/watch?v=2hxinjDh8Os

La figura muestra una probeta cilíndrica

En este tipo de ensayo, definimos tensión σ como la fuerza aplicada a la probeta por unidad desección inicial:

=FS0

Donde F es la fuerza medida en Newtons y S0 es la sección (o superficie perpendicular a ladirección de alargamiento) medida en m2. Por supuesto, σ será la tensión y se medirá en N/m2 o, loque es lo mismo, en Pascales (Pa).

Por otro lado, definimos el alargamiento unitario o deformación unitaria є como el tanto por unoque se alarga la pieza respecto de su longitud inicial:

=L−L0

L0

4.2.- Resultados del ensayo.-Al ir representando la tensión en función del alargamiento unitario, obtenemos una gráfica parecidaa la siguiente:

En la gráfica distinguimos distintas zonas:

Zona elástica (OE): en ella los alargamientos son pequeños y, cuando cesa el esfuerzo, la probetarecupera su estado y dimensiones iniciales.

Zona plástica (EU): en ella los alargamientos son grandes y cuando cesa el esfuerzo, la probetaqueda deformada de forma permanente. Por ejemplo, si el ensayo se detiene en el punto A, laprobeta recupera la deformación elástica (), persistiendo al final una deformación remanente oplástica ().

La zona elástica se subdivide a su vez en dos zonas:– Zona proporcional (OP) en la que la deformación unitaria es proporcional a la tensión,

de forma que al dividir σ entre є, nos dará siempre la misma cantidad.– Zona elástica no proporcional (PE), en la que no hay relación de proporcionalidad

entre la tensión y la deformación unitaria.


Dentro de la zona plástica se distinguen también dos zonas:– Zona de deformación plástica no uniforme (ER): en ella, la curva se hace más

tendida, con menos pendiente, de forma que con menores aumentos de la carga seconsiguen mayores alargamientos unitarios. Esta zona acaba en el punto R, en el cual latensión llega a un punto máximo.

– Zona de estricción o de deformación plástica localizada (RU): en ella, la deformacióncontinúa a pesar de disminuir la tensión. Además, dicha deformación se localiza en unadeterminada zona de la probeta, que es por donde acaba por romperse.

He de decir que los puntos P y E están en la realidad mucho más cerca de lo que aparecen en lagráfica: en ella se exagera su separación para que pueda verse.

Además, he de decir que, aunque la rotura física se produzca en el punto U, la probeta se consideraen la práctica rota una vez superado el punto R.

En este vídeo, podemos observar cómo se realiza un ensayo de tracción en la realidad:http://www.youtube.com/watch?v=ke-07F74ab4&feature=player_embedded

Y en este otro, podemos observar una simulación de todo lo que hemos explicado hasta ahora:http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=ktAi5jiyvPg

Ambos vídeos podéis también verlos en el maravilloso blog:http://pequeniosingenieros.blogspot.com.es/

Tras realizar el ensayo, obtenemos una serie de medidas, veamos algunas de ellas:– Módulo de Young E: hemos visto que, en la zona proporcional, el cociente entre la tensión

y la deformación unitaria es constante, pues bien, definimos el módulo de Young comodicho cociente:

E=

Por supuesto, esta fórmula sólo es válida en la zona proporcional. El módulo de

Young se mide en N/m2 (o, lo que es lo mismo, en Pa) en el Sistema Internacional. Porúltimo, a la expresión σ = єE se la conoce como ley de Hooke.

– Límite de proporcionalidad σP es la máxima tensión que puede soportar la probeta sinabandonar la zona proporcional. Se corresponde con la tensión en el punto P

– Límite de elasticidad σE es la tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de serreversibles. Se corresponde en la gráfica con la tensión en el punto E y es muy difícil demedir, siendo muy próxima a la anterior. En los ejercicios tomaremos el mismo valor paraambos límites aunque sepamos que el límite de elasticidad es siempre un poco mayor (muypoco mayor) que el límite de proporcionalidad.

– Resistencia a la tracción σR: es la máxima tensión que soporta la probeta durante elensayo. Se corresponde con la tensión en el punto R.

– Trabajo de deformación: es la energía necesaria para deformar una pieza hasta un puntodeterminado. Para determinarlo no emplearemos la gráfica tensión-alargamiento unitario,sino la curva fuerza-alargamiento; el área bajo esta última curva determinará su magnitud.Matemáticamente: W=∫F d L



http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=ktAi5jiyvPg

http://www.youtube.com/watch?v=ke-07F74ab4&feature=player_embedded

– Alargamiento de rotura A(%): es el mayor alargamiento plástico alcanzado por la probeta.Se mide en tanto por ciento según la expresión:

A %=LF−L0

L0

·100

Siendo LF la longitud de la probeta después del ensayo, medida acoplando las dos partes enque queda dividida y L0 la longitud de la probeta antes de empezar a realizar el ensayo.

– Estricción de rotura Z(%): es la disminución de sección que se produce después de larotura. Se suele expresar en tanto por ciento según esta fórmula:

Z %=S0−SF

S0

· 100

De nuevo os dejo un enlace a un vídeo, en esta ocasión para quien quiera ver una clase magistraluniversitaria sobre lo que hemos estudiado aquí:http://www.youtube.com/watch?v=jIxwVfTuK6Q&list=PLB82228356728B994

Por supuesto, también podréis encontrar el vídeo en el magnífico blog:http://pequeniosingenieros.blogspot.com.es/

4.3.- Curva de tracción verdadera.-

A lo largo del punto anterior hemos definido la tensión como =FS0

, pero si nos fijamos un

poco, vemos que, en el momento en el que se produce la estricción, la superficie disminuye, con locual, la tensión definida anteriormente no se corresponde con la que realmente sufre pieza en dichazona. De esta forma, definimos tensión verdadera σv a la siguiente magnitud:

v=FS

De forma análoga, definimos alargamiento unitario verdadero o deformación unitariaverdadera єv a la siguiente magnitud:

v= LL

Representando la tensión verdadera frente a la deformación unitaria verdadera obtenemos la curvade tracción verdadera, muy buena para planteamientos teóricos rigurosos, pero de muy pocautilidad práctica, ya que su determinación implicaría ir midiendo en cada instante tanto la longitudcomo la sección real de la pieza, cosa que es costosa y difícil.

De todas formas, en los estudios hechos con curvas de tracción verdadera, se aprecia que, en lamayoría de los metales se cumple la llamada relación de Hollomon: v=K v

n Donde K y n son constantes características del material.

4.4.- FluenciaMuchos metales entre ellos los aceros de bajo contenido en carbono, no presentan una transicióngradual entre la zona elástica y la plástica, sino que entre las dos existe una zona de fluencia ocadencia en la que la probeta experimenta una deformación plástica considerable bajo una tensiónfluctuante. Se debe a las impurezas del material.



http://www.youtube.com/watch?v=jIxwVfTuK6Q&list=PLB82228356728B994

Limite de fluencia superior (fs) es la tensión medida en el primer máximo, al iniciarse la fluenciaLímite de fluencia inferior (fi) el mínimo de la zona de fluencia.

4.5.- Máquina de tracciónLas máquinas utilizadas en el ensayo de tracción constan de dos dispositivos: uno productor decarga y otro medidor de carga y desplazamientos realizados. La máquina debe cumplir lassiguientes características:

• La aplicación de la fuerza de tracción tendrá lugar en la dirección del eje de la probeta.• Debe ser posible regular la velocidad de aplicación de la carga.

5.- ENSAYOS DINÁMICOS DE RESISTENCIA AL IMPACTO.-

5.1.- Ensayo de tracción por choque.-Consiste en realizar un ensayo de tracción en el que la velocidad de variación de la fuerza es alta.Este tipo de ensayo mide la resiliencia a la tracción.

En ingeniería, se llama resiliencia de un material a la energía de deformación (por unidad desuperficie) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa ladeformación. La resiliencia es igual al trabajo externo por unidad de superficie realizado paradeformar un material hasta su límite elástico.


La resiliencia se diferencia de la tenacidad en que ésta última cuantifica la cantidad de energía almacenada por el material antes de romperse en una situación cuasiestática, mientas que la resiliencia tan sólo da cuenta de la energía almacenada durante la deformación elástica en un eventodinámico.

La resiliencia es el área bajo la curva en la zona de color verde.

5.2.- Ensayo de flexión por choque o ensayo CharpyEn este caso queremos medir la resistencia de un material a romperse por impacto, así que lo queharemos será golpearlo y ver si se rompe. En nuestro caso prepararemos una probeta del material encuestión. Dicha probeta será de sección cuadrada y tendrá una entalladura en su centro como seindica en la figura:

Sujetamos con mordazas la probeta y la golpeamos con la maza de un péndulo por el lado opuesto ala entalladura como se indica en la figura:


La maza del péndulo romperá la probeta y subirá hasta una altura menor que la inicial. La diferenciaentre la altura inicial h y la final h' nos informará sobre la energía potencial que ha perdido la maza,que será precisamente la que ha absorbido la probeta para romperse. Dicha energía será:

W=mg h−h ' donde m es la masa de la maza. Con un simple cálculo trigonométricoobtenemos: W=mgL cos −cos donde L es la longitud del brazo del péndulo. Pues bien,definimos la resiliencia KCV como la energía absorbida por la rotura de una probeta por unidad desuperficie: KCV = W/S0. Así pues, tendremos:

KCV=mgL cos −cos

S0

Existe también otra resiliencia, llamada KCU, se diferencia de la anterior en que la entalladura tieneforma de U en lugar de tener forma de V.

Vamos a ver si has entendido lo anterior: ¿Cuánto vale S0 en el caso de la figura?

En este vídeo podemos observar cómo se realiza el ensayo:http://www.youtube.com/watch?v=BoXFojfZnqsY, de nuevo, para quien quiera ampliar, dejo un vídeo:http://www.youtube.com/watch?v=HqoTZWB3Q5I&list=PLB82228356728B994Por supuesto, también podréis encontrar los vídeos en el magnífico blog:http://pequeniosingenieros.blogspot.com.es/

6.- ALGUNOS ENSAYOS TECNOLÓGICOS

Hay cientos y cientos de ensayos tecnológicos, pero todos tienen una cosa en común: su objetivo noes medir una propiedad de un material sino, simplemente, ver si el material es útil para unadeterminada aplicación sometiéndolo a condiciones extremas (que se supone que jamás tendrá quesoportar durante su vida útil). Veamos un par de ejemplos:

– En el ensayo de flexión y plegado se dobla una barra de un material hasta que alcance unángulo determinado o aparezcan fisuras:

– El ensayo de embutición consiste en estampar una bola o cilindro con un extremo esféricosobre una chapa sujeta por todos sus lados. El desplazamiento máximo de la bola hasta quese produce la primera fisura es una medida de la aptitud del material frente al proceso deembutición.



http://www.youtube.com/watch?v=HqoTZWB3Q5I&list=PLB82228356728B994

http://www.youtube.com/watch?v=BoXFojfZnqs

También podemos (en otros ensayos) retorcer el material, introducirlo en ambientes corrosivos,someterlo a esfuerzos cortantes, etc.

7.- ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (CONTROL DE DEFECTOS)

Todos los ensayos que hemos visto con anterioridad tienen una característica común: el material quesometemos a estudio queda inutilizado. Ahora bien, imagina que quieres someter a alguna prueba decalidad a un material de un objeto ya construido sin deteriorarlo. Para ello están los ensayos nodestructivos. Los métodos más usados hoy en día se basan en técnicas de rayos X (radiografías), derayos gamma (gammagrafías), de ultrasonidos, etc...

NOTA PARA HACER LOS EJERCICIOS:

Os recuerdo (e informo a quien no lo sepa) que:1 kp ≈ 9,8 N 1Pa = 1 N/m2

El prefijo M (mega) significa multiplicar por 106

El prefijo G (giga) significa multiplicar por 109

EJERCICIOS Y CUESTIONES

1.- ¿Qué diferencia existe entre la tenacidad y la resiliencia?

2.- ¿Puede un material frágil ser al mismo tiempo duro?

3.- Para determinar la dureza Brinell de un material se ha utilizado una bola de 5 mm de diámetro yse ha elegido una constante K=30, obteniéndose una huella de 2,3 mm de diámetro. Calcula ladureza Brinell del material.

4.- En un ensayo Rokwell B, la profundidad cuando se aplica la precarga es de 0,01 mm, mientrasque la profundidad obtenida cuando se mantiene la precarga después de haber aplicado la totalidadde la carga es de 0,144 mm. ¿Cuál será la dureza Rockwell del material?

5.- Determina la dureza Vickers de una pieza de acero que, sometida a una carga de 120 kgfproduce una huella de 0,5 mm de diagonal.

6.- En un ensayo Brinell se ha utilizado una bola de 5 mm de diámetro y una constante k=30,obteniéndose una huella de 2 mm de diámetro. Se pide:a) Calcular la dureza Brinell del material.b) Calcular la profundidad de la huella.

7.- En una pieza con dureza Brinell 300 HB, se ha aplicado una carga de 500 kp. Si se ha utilizadocomo penetrador una bola de 10 mm, ¿cuál será el diámetro de la huella producida?

8.- Sobre un acero se ha realizado un ensayo Brinell utilizando una bola de 10 mm de diámetro y una carga de 3000 kp, obteniéndose un valor de 150 HB. a) Calcule el diámetro de la huella.b) Si la carga empleada fuera de 187,5 kp, ¿qué diámetro de bola utilizaría?


9.- ¿Cuál será la deformación unitaria en tanto por ciento que presenta un material en su límiteelástico si éste es de 1 Mpa y su módulo de Young es de 1 Gpa?(Solucion: 0,1%)

10.- Para el esquema de la figura:a) Obtenga la función “z” en función de las entradas “x” e “y.”b) Simplifíquela.c) Obtenga un nuevo circuito con el mínimo número de puertas.

11.- Disponemos de una barra de sección cuadrada de 1 cm de lado y 10 cm de longitud de unmaterial cuyo módulo de Young es de 2 MN/cm2 y cuyo límite de proporcionalidad es de 100 MPa.Si sometemos dicha pieza a una fuerza de tracción de 8 kN, averigua:a) El alargamiento unitario en tanto por ciento b) La variación de la longitud de la pieza

12.- Si a la pieza del ejercicio anterior la sometiéramos a una carga de 80 kN ¿qué podríamos decirdel alargamiento unitario?

13.- En un ensayo con el péndulo Charpy, la maza de 20 kg cayó sobre una probeta de 80 mm2 desección desde una altura de 1 m y se elevó hasta 60 cm después de la rotura. Obtén el valor de laresiliencia del material.

14.- Utilizando gráficos del ensayo de tracción, muestre y explique la diferencia entre un material muy resistente y otro muy tenaz.

15.-Un latón tiene un módulo de elasticidad E = 120·109 N/m y un límite elástico de 250·106 N/m.Si disponemos de una varilla de dicho material de 10 mm de sección y 100 mm de longitud, de laque suspendemos verticalmente una carga en su extremo de 1500 N, se pide: a) ¿Recuperará el alambre su longitud primitiva si se retira la carga?. b) ¿Cuál será el alargamiento unitario y total en estas condiciones?. c) ¿Qué diámetro mínimo habrá de tener una barra de este material para que sometida a una cargade 8104 N no experimente deformación permanente?Sol: a) Explica la razón b) є = 1,25·10-3 o sea, del 0,125%; ΔL=0,125 mm. c) D = 20,18 mm

16.- A una probeta de sección cuadrada de 10 mm de lado y 2 mm de entalla en el centro de una desus caras , se le somete a un ensayo de flexión por choque, con un martillo de 20 Kgf, cayendodesde una altura de 90 cm y recuperando, tras la rotura, la altura de 70 cm. Haga un esquema delensayo propuesto y determine: a) Energía absorbida por la probeta. b) Resiliencia del material. Sol: a) E= 39,2 J b) KCV=4,9·105 J/m2


x

yz

17.- Calcula el valor de dureza de Brinell (HB) que corresponde al bronce si sabemos que una bola de acero de Φ 10 mm de diámetro, sometida a una carga de 3000 kg, deja una huella de diámetro 5,88mm. SOL: HB=99,91 kg/mm2

18.- Una probeta normalizada de 13,8 mm de diámetro y 100 mm de distancia entre puntos, essometida a un ensayo de tracción, experimentando, en un determinado instante, un incremento delongitud de 3x10-3 mm. Si el módulo de Young del material es 21,5 x 105 Kgf/cm2 , determine: a) El alargamiento unitario. b) La tensión unitaria en kN/m2. c) La fuerza actuante en dicho instante en N.

Sol: a) є = 3·10-5 b) 6321 kN/m2 c) 948,15 N

19.- Una pieza de 300 mm de longitud tiene que soportar una carga de 5000 N sin experimentardeformación plástica. Elija el material más adecuado entre los tres propuestos para que la piezatenga un peso mínimo. Averigua además el peso de dicha pieza.

Material Límite elástico (Mpa) Densidad (g/cm3)

Latón 345 8,5

Acero 690 7,9

Aluminio 275 2,7

Sol: escogería la de aluminio, que pesaría 14,72 g.

20.- Una barra cilíndrica de acero con un límite elástico de 325 Mpa y con un módulo de elasticidadde 20,7 x 104 Mpa se somete a la acción de una carga de 25000 N. Si la barra tiene una longitudinicial de 700 mm, se pide: a) ¿Qué diámetro ha de tener si se desea que no se alargue más de 0,35 mm? b) Explique si, tras eliminar la carga, la barra permanece deformada.

Sol: a) D=17,5 mm b) Explica la razón.

21.-Durante el ensayo de tracción de una probeta de acero estirado en frío de diámetro 13 mm ylongitud 5 cm se han obtenido los siguientes datos:

Carga axial (N) Alargamiento de la longitud patrón (cm)

0 0

8300 0,0015

13800 0,0025

26400 0,0045

Determinar: a) El módulo de Elasticidad del material. b) Alargamiento que experimenta una barra cilíndrica de 6 cm de diámetro y 50 cm de longitud delmismo material al aplicar a sus extremos una carga de 50000 N, suponiendo que no haya superadoel límite de elasticidad. Sol: a) 2,07·1011 N/m2 b) ΔL=0,042 mm


22.- Para determinar la dureza de un material blando se realiza un ensayo de Rockwell B. la profundidad de la huella cuando se aplica la precarga de 10 kp es de 0,010 mm y la que permanece tras aplicar la carga de penetración de 100 kp y restituir el valor de la precarga (10 kp) es de 0,15mm. Se pide: a. Esquema y descripción del ensayo. b. Resultado del ensayo. SOL: b) HRB=60 unidades Rockwell

23.- Tras un ensayo de tracción, obtenemos la siguiente gráfica:

A partir de la gráfica anterior calcula:a) La resistencia a la tracción del material.b) El límite proporcional del material.c) La tensión para ε = 3,5%d) El módulo de Young del materiale) El alargamiento unitario para una tensión de 27,5 MN/cm2

24.- Responda a las siguientes cuestiones relacionadas con el álgebra de Boole:a)¿Qué ventajas prácticas supone la simplificación de funciones lógicas?b) Compruebe las Leyes de Morgan para dos variables empleando las tablas de verdad.


Tensión σ (MN/cm2)

0,02 0,04 0,06 0,08

10

20

30

40

50

60

0,10 AlargamientoUnitario ε

25.- Un equipo de aire acondicionado posee un sensor de temperatura y funciona de la siguienteforma: cuando la temperatura ambiente alcanza una determinada temperatura seleccionada por elusuario, el equipo se para, volviendo a funcionar cuando la diferencia entre la temperaturaseleccionada por el usuario y la temperatura ambiente es superior a 3º C.a) Indica, razonando tu respuesta, si el sistema de control del aire acondicionado es de lazo abierto ode lazo cerrado.b) Indica, razonando tu respuesta, qué tipo de regulación tiene el sistema de control que maneja alaire acondicionado.

26.- Otro equipo de aire acondicionado posee un sensor de temperatura y funciona de la siguiente forma: cuando la temperatura ambiente es muy diferente de la temperatura seleccionada por el usuario, el compresor funciona a toda potencia, reduciendo su potencia conforme la temperatura ambiente se va acercando a la deseada.a) Indica, razonando tu respuesta, si el sistema de control del aire acondicionado es de lazo abierto ode lazo cerrado.b) Indica, razonando tu respuesta, qué tipo de regulación tiene el sistema de control que maneja al aire acondicionado.


TEMA 5: MATERIALES: TRATAMIENTOS DE LOS METALES.OXIDACIÓN Y CORROSIÓN

0.- INTRODUCCIÓN.

Los tratamientos de los metales y aleaciones persiguen obtener determinadas propiedades que son necesarias para una aplicación.

La oxidación y la corrosión consiste en el ataque que el aire y los agentes electroquímicos efectúan sobre un metal, modificando sus propiedades o incluso logrando su completo deterioro.

1.- TRATAMIENTOS DE LOS METALES.

1.1. Tratamientos térmicos.Estos tratamientos consisten en el calentamiento del metal o aleación hasta una cierta temperatura, cuyo valor depende del tipo de tratamiento, seguido de un enfriamiento a una determinada velocidad. El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedades mecánicas de metales yaleaciones, de tal forma que unas veces interesa aumentar la dureza y resistencia mecánica, y otras veces la ductilidad o plasticidad para facilitar su conformación.

Estos tratamientos modifican la estructura cristalina del metal o aleación pero no su composición química.

Cada temperatura máxima es indicada en las especificaciones del tratamiento térmico que se va aplicar.

Si la elevación de la temperatura sobrepasa el límite cercano al punto de fusión los metales quedan con una estructura grosera y frágil debido a la fusión de las impurezas que rodea los granos. El metal que se dice que es quemado cuando es imposible regenerarlo por ningún tratamiento.Las temperaturas de quemado para el acero al carbono son de 1.260 a 1.350 grados Centigrados según sea el contenido de carbono.

Los tratamientos térmicos más utilizados son el temple, el revenido, el recocido y el normalizado.

Todos los tratamientos térmicos tiene una ruta obligatoria:

•Calentamiento del acero hasta una temperatura determinada.

•Permanencia a esa temperatura cierto tiempo.

•Enfriamiento mas o menos rápido.


2.1.1. Temple.Si un acero se calienta hasta una temperatura superior a 727ºC continúa en estado sólido pero adquiere una estructura cristalina conocida como austenita. En estas condiciones si enfriamos lentamente obtenemos una estructura llamada perlita. Si por el contrario enfriamos rápidamente se obtiene una estructura conocida como martensita.

La perlita se caracteriza por tener alta plasticidad, ductilidad y tenacidad. La martensita presenta alta dureza, elevada resistencia mecánica y alta fragilidad.

El temple consiste en calentar el acero hasta una temperatura superior a la de austenización (727ºC) seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura martensítica. De este modo se obtiene un metal muy duro y de alta resistencia a causa de la nueva estructura cristalina formada. La velocidad crítica de temple es la mínima velocidad a la que se debe enfriar el acero para que su estructura sea 100% martensita.

Existe un parámetro llamado templabilidad que se define como la aptitud de un acero para recibir un tratamiento de temple, es decir, la facilidad con la que se forma la martensita. El tratamiento de temple sólo es efectivo en aquellos aceros que poseen alta templabilidad. Por medio del ensayo Jominy (sigue las normas UNE) medimos la templabilidad de un acero, este ensayo consiste en someter una probeta cilíndrica de dimensiones normalizadas que ha sido sometido a un proceso de austenización a unas condiciones de enfriamiento también normalizadas. El enfriamiento se produceal incidir un chorro de caudal y temperaturas constante sobre la base de la probeta. De esta forma la velocidad de enfriamiento varia continuamente desde la base en contacto con el chorro hasta la baseopuesta . Una vez finalizado el enfriamiento, se desbastan dos generatrices opuestas de la probeta con el objetivo de medir dureza, si la dureza disminuye rápidamente cuando nos alejamos de la baseel material tiene poca templabilidad., mientras que los aceros fácilmente templables tienen prácticamente la misma dureza en toda la longitud de la probeta.

Los medios más utilizados para enfriar durante el temple son agua y aceite. El aire apenas se utiliza porque produce enfriamientos lentos y la estructura formada es casi perlítica.

Agua. Es un medio rápido de enfriamiento. Se consiguen temples muy fuertes y se utiliza para templar aceros al carbono.

Aceite. Posee un calor específico mayor que el del agua y en consecuencia produce enfriamientos más lentos. Se consiguen temples más suaves y se utiliza para templar aceros aleados.


2.1.2. Revenido.El revenido es el tratamiento térmico que sigue al temple. Recuerda que un acero templado es aquel que tiene una dureza muy alta (llamado martensita), pero tiene el inconveniente de ser frágil porque tiene tensiones internas. Es decir que el metal podría romperse como un vidrio ante un impacto tras un tratamiento de temple. Por ello es necesario someter a las piezas templadas a un tratamiento de revenido para reducir su fragilidad.

El revenido consiste en calentar el acero templado hasta una temperatura inferior a la del temple seguido de un enfriamiento rápido, pero siempre más lento que el realizado para el tratamiento de temple.

El proceso de temple seguido de revenido se conoce como bonificado.

2.1.3. Recocido.El recocido consiste en calentar el acero hasta una temperatura superior a la de austenización (727ºC) seguido de un enfriamiento muy lento. Por lo general se apaga el horno y se deja que el metal se enfríe en su interior. Las estructuras que se consiguen con este tratamiento son perlíticas.

Con el recocido se elimina el tratamiento de temple dado a la pieza. Se aplica al acero para aumentar su plasticidad y tenacidad para así poder conformarlo plásticamente o darle su forma finalmediante mecanizado. El recocido puede eliminar la acritud que se efectúa después de la deformación plástica en frío; con ello no solo se reducen las tensiones, sino que además se produce la recristalización de la estructura, por eso se le denomina recocido de recristalización.

2.1.4. Normalizado.Este tratamiento se emplea para eliminar tensiones internas sufridas por el material tras una conformación mecánica, es decir, han sufrido una deformación plástica tales como una forja o laminación, para conferir al acero unas propiedades que se consideran normales de su composición.Los aceros que se han deformado plásticamente mediante procesos de conformación poseen unos granos de gran tamaño distribuidos de forma irregular. Para mejorar sus propiedades mecánicas se les aplica el tratamiento de normalizado que disminuye el tamaño de grano y provoca una distribución más uniforme.El normalizado consiste en calentar el acero hasta una temperatura superior a la de austenización (727ºC) seguido de un enfriamiento al aire. El normalizado produce un enfriamiento más rápido queel tratamiento de recocido.

2.2. Tratamientos termoquímicos.Los tratamientos termoquímicos consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales, que se complementan con la adición de nuevos elementos en la superficie de las piezas, de manera que se modifica la composición química superficial.

Estos tratamientos se efectúan para aumentar la resistencia al desgaste y la dureza de la superficie de una pieza metálica. Por ello, no afectan al resto de la pieza, sino que se limitan a unas décimas demilímetro de profundidad. Los tratamientos termoquímicos más utilizados son la cementación, la nitruración y la sulfinización.


2.2.1. Cementación.Consiste en añadir carbono a la superficie de un acero que presente un bajo contenido en este elemento con el objeto de aumentar su dureza superficial. Para ello se calienta la pieza a una temperatura muy alta y se introduce en un medio que contiene carbono, consiguiendo así que éste sedifunda por la superficie de la pieza.

Una vez sometida una pieza al tratamiento de cementación se puede considerar constituida por dos zonas:

• La zona exterior que recibe el nombre de capa cementada cuyo contenido en carbono es superior al inicial.

• La zona central o alma cuya composición química no ha variado.

2.2.2. Nitruración.Con el tratamiento de nitruración se consigue un endurecimiento superficial extraordinario del aceromediante la incorporación de nitrógeno. La pieza que se pretende nitrurar se somete en un horno a una corriente de amoniaco (NH3) a una temperatura muy alta. La capa nitrurada es más dura que la cementada y además conserva su dureza hasta temperaturas bastante más elevadas.

La nitruración, además de incrementar superficialmente la dureza de los aceros, los hace más resistentes a la fatiga y a la corrosión. Por este motivo, se utiliza para endurecer piezas de maquinarias como válvulas, bielas, cigüeñales, camisas de cilindros y brocas.

2.2.3. Sulfinización.El tratamiento de sulfinización consiste en calentar el acero,fundición y otros metales en un baño desales alrededor de 570ºC, de forma que se le aporta carbono, nitrógeno y, sobre todo, azufre.

Con este tratamiento aumenta considerablemente la resistencia al desgaste de los metales, disminuye su coeficiente de rozamiento y se favorece su lubricación, ya que la capa sulfinizada se comporta de forma similar a los metales antifricción. Las herramientas sometidas a este tratamiento alcanzan una vida útil cinco o más veces mayor que si no hubieran sido sulfinizadas.

2.2.4.Cianuración o carbonitruración: Se trata de endurecer la superficie del material introduciendo carbono y nitrógeno. Es una mezcla decementación y nitruración. La temperatura es intermedia entre la utilizada para la cementación y la nitruración, que es mucho menor que aquella. Se aplica a los aceros.

2.3. Tratamientos mecánicos.Los tratamientos mecánicos mejoran las características de los metales por deformación mecánica. Estos tratamientos se pueden realizar en caliente o en frío.

2.3.1. Tratamientos mecánicos en caliente.Consiste en deformar un metal, una vez calentado a una temperatura determinada, golpeándolo fuertemente. De este modo se reduce el tamaño de grano y se eliminan del metal cavidades interiores con lo que se mejora su estructura interna.

2.3.2. Tratamientos mecánicos en frío.Consiste en deformar un metal a temperatura ambiente lo que provoca una mejora de sus propiedades mecánicas por acritud.

Se entiende por acritud el aumento de dureza y la resistencia a la tracción de un metal a costa de disminuir su plasticidad y tenacidad como consecuencia de una deformación en frío.


2.4. Tratamientos superficiales.Mediante los tratamientos superficiales se modifica la superficie de los metales sin variar su composición química. Los tratamientos superficiales más utilizados son: cromado,galvanizado y metalizado.

2.4.1. Cromado.En este tratamiento se deposita cromo sobre la superficie del metal que se quiere proteger. Por medio del cromado se disminuye el coeficiente de rozamiento y se incrementan la dureza superficialy la resistencia al desgaste del metal, aunque en el caso de los aceros el objetivo primordial de introducir cromo en su capa externa es potenciar su resistencia frente a la corrosión. El cromado se puede realizar por medios electrolíticos o por simple difusión a temperatura elevada.

2.4.2. Galvanizado.Consiste en recubrir piezas metálicas con una ligera capa de cinc para protegerlas de la corrosión. Se realiza mediante inmersión de la pieza metálica en un baño de cinc fundido o depositando el cincsobre su superficie utilizando medios electrolíticos.

2 .4.3. MetalizaciónSe proyecta un metal fundido pulverizándolo sobre la superficie de otro, con lo cual este último adquiere superficialmente las características del primero.

3.- OXIDACIÓN Y CORROSIÓNLos materiales están expuestos continuamente a los más diversos ambientes. La interacción material-ambiente provoca, en muchos casos, la pérdida o deterioro de las propiedades físicas del material. Los mecanismos de deterioro son diferentes según se trate de materiales metálicos, cerámicos o polímeros (plásticos). Así, en el hierro, en presencia de la humedad y del aire, se transforma en óxido, y si el ataque continúa acaba destruyéndose del todo. Desde el punto de vista económico, la corrosión ocasiona pérdidas muy elevadas.

En los materiales metálicos, el proceso de deterioro se llama oxidación y corrosión. Por otro lado, en los cerámicos las condiciones para el deterioro han de ser extremas, y hablaremos también de corrosión. Sin embargo, la pérdida de las propiedades de los materiales polímeros se denomina degradación.

3.1. Oxidación y corrosión en metales.En general, hablaremos de oxidación y corrosión en metales al proceso por el que éstos pasan de su estado elemental a formar iones positivos (cationes) por pérdida de electrones.M → Mn+ + n e Siendo n el número de electrones que se pierden.

Los parámetros más importante de este fenómeno son:

- La energía de oxidación: Indica la facilidad que tiene un metal para oxidarse. Cuanto mayor sea este parámetro más fácilmente se oxidará el metal.

- La velocidad de oxidación: indica la rapidez con que se produce la oxidación en un metal. Normalmente la oxidación se produce con mayor rapidez cuando aumenta la temperatura.


En los procesos de oxidación y/o corrosión metálica, la pérdida de electrones del metal está asociada con la ganancia de electrones (o sea, reducción) de un no metal produciéndose como resultado una asociación de ambos. El no metal que con más frecuencia interviene en esas reacciones es el oxígeno (de ahí el nombre de oxidación), aunque puede tratarse de otro.Así, por ejemplo, tendremos:2 Fe + O2→ 2 FeO (herrumbre-óxido) (oxidación → por oxígeno como causa)Fe + S → FeS (sulfuro) (oxidación por azufre como causa)

Además del oxígeno y del azufre, podemos considerar como agentes oxidantes al cloro, al hidrígeno, al monóxido de carbono... etc.

Y ahora viene la pregunta: ¿Qué diferencia existe entre la oxidación y la corrosión? Pues bien. Para un químico serán el mismo fenómeno. Pero nosotros no somos químicos... ni pretendemos serlo.

Para nosotros, la corrosión es un tipo especial de oxidación: aquella que se da en ambientes húmedos y/o muy agresivos y que puede plantear pérdida de material (por disolución o por arrastre).

De hecho, una oxidación en ambiente seco puede ser, a veces, hasta beneficiosa: en el aluminio o enel bronce crea una película protectora de óxido que impide el deterioro del interior de la pieza. Este efecto protector será mejor cuanto:- Mejor sea la adherencia de la capa de óxido al metal.- Más elevado sea el punto de fusión del óxido.- Menor sea la fragilidad del óxido.- Menor sea la conductividad eléctrica del óxido.- Más se oponga la capa de óxido a la difusión de los iones metálicos y de los oxígenos.- También dependerá de la relación de Pilling-Bedworth, que es el cociente entre el volumen del óxido formado y el material consumido en la oxidación:

Relación P.B.= Volumen óxido / Volumen material consumido

Si P.B. < 1 (caso metales alcalinos) => Vol. óxido < Vol. Material consumido => la cubiertaprotectora de óxido se agrietará.

Si P.B. = 1 o próxima a 1; =>la capa de óxido puede actuar como protectora del metal

P.B. > 1 (caso del hierro) => Vol. Óxido > Vol. Material consumido => se produce unesfuerzo de compresión en el óxido que provoca su rotura.

Al ser la corrosión un fenómeno más inquietante que la oxidación en ambiente seco, le dedicaremosun par de epígrafes tan solo a ella.

3.1.1.- Corrosión electroquímica o corrosión en líquidos.-En este caso, el metal es atacado por un agente corrosivo en presencia de un un electrolito. (Un electrólito o electrolito es cualquier sustancia, normalmente líquida, que contiene iones libres, que se comportan como un medio conductor eléctrico).

Normalmente un electrolito es una disolución, en la que el disolvente suele ser agua y el soluto otra sustancia. El ejemplo más conocido es el agua del mar (el cloruro sódico es un agente corrosivo), que actúa como electrolito.


Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos, ya que en la superficie del metal se generan “micropilas galvánicas” en las que la humedad actúa como electrolito. El metal actúa comoánodo (pierde electrones y aumenta su nivel de oxidación) y, por lo tanto, se disuelve. Así, el electrolito actúa como medio conductor a través del cual viajan las cargas que abandonan los electrones del ánodo que se corroe, el metal.

Existe un tipo de corrosión de tipo electroquímico que aparece cuando se juntan metales diferentes o son conectados eléctricamente. Al producirse el contacto, el metal más electronegativo desempeñael papel de ánodo y, por tanto, sufre la corrosión.

Definiciones que te aclaran las cosas:a) Ánodo: Metal que cede electrones y se corroe.b) Cátodo: Receptor de electrones.c) Electrolito: Líquido que está en contacto con el ánodo y el cátodo. Debe ser conductor eléctrico. Este líquido proporciona el medio a través del cual se asegura el desplazamiento de cargas eléctricasdesde el ánodo hasta el cátodo.

3.1.2.- Tipos de corrosión:

- Corrosión uniforme:

Se caracteriza por una reacción electroquímica que actúa de manera uniforme sobre toda la superficie del material expuesto a la corrosión, que de esta forma disminuye de sección de forma gradual.

- Corrosión por picaduras:

Con esta forma de corrosión produce agujeros en la superficie del metal que progresan hacia el interior por lo que suele ser difícil de detectar. Se produce en zonas del metal donde existen impurezas.

- Corrosión por grietas

Se produce en hendiduras y bajo zonas protegidas donde pueden existir disoluciones estancadas. Este tipo de corrosión es frecuente en remaches, pernos, tornillos, juntas, etc.que djan huecos en los que entra líquido pero no pueden salir.

- Corrosión galvánica:

Se produce al poner en contacto dos metales distintos que están expuestos a un electrolito, como agua o aire húmedo.


- Corrosión por erosión:

Se trata de un fenómeno producido por la fricción entre dos superficies sólidas, que da lugar a que las partículas de óxido unidas a la superficie de un metal se desprendan y actúen a modo de abrasivoentre las superficies en contacto. También se produce corrosión por erosión en las superficies que seencuentran en contacto con líquidos que circulan a alta velocidad.

- Corrosión por tensión:

Un esfuerzo externo o una tensión interna, hace que puedan existir pequeñas fisuras en un metal. Enuna determinada atmósfera, conforme trascurre el tiempo, la fisuras crecen de tamaño. Cuando una de estas fisuras sea lo suficientemente grande se produce, sin previo aviso, una fractura.

- Corrosión intragranular

La corrosión intergranular, es un fenómeno corrosivo que sucede en los aceros inoxidables, el mismo consiste en una decarburización del acero debido a un fenómeno difusivo del carbono hacia los bordes de grano, en el proceso el carbono arrastra átomos de cromo, lo cual hace que el acero pierda sus propiedades anticorrosivas. Este fenómeno es característico de los aceros inoxidables, sinembargo se puede presentar en otras aleacionesresistentes a la corrosión. Cuando se unen piezas de acero inoxidable con una soldadura existe el peligro del llamado deterioro por soldadura consistente en que al calentar la pieza para soldar los límites del grano absorben el cromo, lo que provoca zonas desprotegidas frente a la oxidación.

- Corrosión erosiva:

Ocurre cuando además de corrosión hay fricción de dos superficies sólidas. A causa de la fricción las partículas de óxido se desprenden y actúan de manera abrasiva sobre las superficies sólidas. También se da cuando circulan líquidos a elevadas velocidades. En este caso las partículas y burbujas de aire o vapor en suspensión actúan como diminutas limas.

- Corrosión selectiva:

Consiste en la eliminación preferencial de un elemento de una aleación como consecuencia de la corrosión. Un ejemplo es el descincado de los latones, que deja una matriz de cobre débil y esponjosa.

3.2.- Protección contra la oxidación y la corrosiónLos métodos más usuales para proteger a una pieza contra la corrosión son los siguientes:

SELECCIÓN DE MATERIALES:El método más lógico a priori es elegir un material que sea resistente a la corrosión en las condiciones de trabajo. Pero también suele ser el más caro (imagina una tubería hecha de un material como la plata, que se oxida con gran dificultad).

RECUBRIMIENTOS: Los recubrimientos pueden ser:a) Recubrimientos metálicos: se aplican en finas capas sobre las piezas metálicas para aislarlasdel ambiente corrosivo. Estos recubrimientos sirven como ánodo se sacrificio (se corroen antes que el metal).

• Ejemplo del acero galvanizado: acero con fina capa de cinc, este se deposita o bien porelectrodeposición o bien por baño de cinc fundido. (el Zn es anódico respecto al acero y secorroe en presencia de una atmósfera agresiva, evitando el deterioro del acero, incluso siocurre un arañazo.


http://es.wikipedia.org/wiki/Aleaci%C3%B3n

• Ejemplo de la hojalata: el acero se recubre de una fina capa de Sn (estañado). En ambientes ricos en oxígeno el Fe actúa como ánodo y se corroerá antes que el Sn (según potenciales de electrodo) si por alguna razón se deteriora la capa de Sn de la hojalata. Sin embargo en ambientes pobres en oxígeno (caso del interior de las latas), el Sn es anódico respecto al Fe y lo protegerá.

Las formas de aplicación de los recubrimientos metálicos son (entre otras) las siguientes:- Electrolíticamente: También es llamada electrodeposición. Se hace pasar corriente eléctrica entre dos metales diferentes que están inmersos en un líquido conductor que hace de electrolito. Uno de los metales será aquel que hará de ánodo, el cual se oxidará y sacrificará. El otro metal, el que se desea proteger, hará de cátodo y ambos estarán inmersos en el electrolito que estarán en una cuba. Cuando pasa la corriente eléctrica, sobre el metal catódico se crea una fina capa protectora hecha del material procedente del metal anódico, pues la pila obliga a ceder electrones al ánodo que alcanzarán al cátodo. Cuando el metal que hace de cátodo y se desea proteger es acero y el otro que va a protegerlo (que hace de ánodo) es cinc, estamos ante un galvanizado.- Por inmersión en caliente: se introduce el material en un baño con metal fundido(así podemos conseguir un estañado, una aluminización, un plombeado o, si recubrimos con cinc,de nuevo un galvanizado).- Por cementación: se forma una aleación superficial del metal de recubrimiento cuyos átomos penetran en el metal base por difusión (se realiza entre 400oC y 2500oC). Podemos conseguir así uncromado, o una galvanización (sí: de nuevo podemos conseguir una galvanización).

b) Recubrimientos no metálicos: los más comunes son los siguientes: ◦ Pinturas y barnices: Es económico y exige que la superficie esté limpia de óxidos y

grasas. Tiene la gran desventaja de que dejan de proteger cuando la pintura o el barniz se despegan por desgaste o inclemencias del tiempo.

◦ Plásticos: Son muy resistentes a la oxidación y son flexibles, pero apenas resisten el calor. El más empleado es el PVC.

◦ Esmaltes y cerámicos: Tiene la ventaja de resistir las altas temperaturas y el desgastes.c) Protección por capa química: Se provoca la reacción de las piezas con un agente químico que forme compuestos en su superficie que darán lugar a una capa protectora.Por ejemplo:

◦ Cromatizado: Se aplica una solucion de ácido crómico sobre el metal a proteger. Se forma una capa de óxido de cromo que impide su corrosión.

◦ Fosfatación: Se aplica una solución de ácido fosfórico y fosfatos sobre el metal. Se forma una capa de fosfatos metálicos que la protegen del entorno.

DISEÑO: Podemos establecer las siguientes normas de diseño:- Para evitar la corrosión por grieta: mejor las uniones soldadas a las remachadas. Y si se utilizan remaches, estos deben estar fabricados de un material con comportamiento catódico frente a los metales que se unen.- Utilizar, si es posible, metales electroquímicamente similares. En caso de no ser así utilizar una arandela de material no conductor de la electricidad, que evite el contacto eléctrico entre los metales.- Para evitar la corrosión por erosión: no diseñar ángulos pronunciados en tuberías por las que circulen líquidos a alta velocidad. También es importante que en la tubería no existan puntos calientes que potencien corrosión generalizada.- Tener en cuenta las atmósferas corrosivas cuando se calculen secciones de estructuras.


- Los tanques y depósitos que contengan líquidos corrosivos deben tener un sistema de desagüe que permitan su limpieza.- Los elementos sometidos a condiciones extremas de corrosión deben ser fácilmenteinspeccionados y fácil de sustituir.

ALTERACIÓN DEL ENTORNO: Como la corrosión es un ataque químico del entorno de un material, lo podemos minimizar siguiendo las siguientes recomendaciones:- Disminuyendo la temperatura: la disminución de la temperatura suele reducir la velocidad de corrosión. Una excepción es el agua de mar que es más corrosiva a temperaturas bajas ya que a altastemperaturas disminuye la solubilidad del oxígeno en ella.- Disminuir la velocidad de circulación del líquido corrosivo por el interior de la tubería (así disminuye la corrosión por erosión). Debe evitarse no obstante los líquidos estancados.- En general es beneficioso reducir el contenido de oxígeno en las disoluciones acuosas.- Disminuir la concentración de iones corrosivos en las disoluciones. Así, la disminución del ión Cl- , reduce el ataque sobre los aceros inoxidables.- La adición de inhibidores (catalizadores de retardo) a una disolución, puede reducir la corrosión. Como ejemplo podemos poner las sales de cromo que se echan a los radiadores de los coches.

PROTECCIÓN CATÓDICA: a) Por ánodo de sacrificio: Consiste en poner en contacto la pieza que queremos proteger con un material (llamado ánodo de sacrificio) más electropositivo. El ánodo de sacrificio cede electrones a nuestro material impidiendo que se oxide. Como es obvio, el ánodo de sacrificio se irá oxidando con el tiempo y, a la larga, necesitará ser sustituido.b) Por corriente impresa o ánodo auxiliar: El principio es el mismo que en el caso anterior (emplear un ánodo de sacrificio en contacto con nuestra pieza) con la diferencia de que ahora colocamos una fuente de tensión entre ambas que fuerce al proceso.

La protección catódica se utiliza en tuberías o depósitos bajo tierra. La elección de uno u otro método dependerá de cuestiones económicas.

PROTECCIÓN ANÓDICA: Basada en la formación de películas pasivas protectoras en las superficies de los metales, al igual que en la oxidación se formaban películas autoprotectoras de manera natural.La formación de la capa pasiva en el elemento que se pretende proteger, se consigue aplicando al material una densidad de corriente elevada. Una vez formada la capa, para que la corrosión no seproduzca, solo se necesita una densidad de corriente muy baja (lo contrario que en la proteccióncatódica por corriente impresa.Se utiliza para proteger materiales en condiciones ambientales variables. El mayor riesgo está en laposibilidad de que se produzcan roturas en la capa pasivada y por tanto aparezca corrosión por picadura muy intensa. Por ello hay que instalar un sistema que de instrumentación que permita, en caso de rotura, elevar inmediatamente la intensidad de corriente para restaurar la capa pasivada: El sistema de protección es de alto coste de instalación.


ANEXO: DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

Explicación del diagrama hierro-carbonohttps://www.youtube.com/watch?v=CUAobP_DOYk&list=PL552F3900BF4468D3


https://www.youtube.com/watch?v=CUAobP_DOYk&list=PL552F3900BF4468D3

EJERCICIOS Y CUESTIONES

1- ¿Qué es la acritud? Señala el tratamiento térmico que hay que realizar cuando se desea eliminar la acritud de un acero.2-Menciona y explica las principales diferencias existentes entre la nitruración y la cementación

3-¿Qué es la cianuración?

4-¿Para que se realizan los tratamientos superficiales? Nombra los mas habituales.

5-¿Qué es la velocidad crítica de temple?

6-Explica el ensayo Jominy

7-Describe las dos zonas que se forman en una pieza sometida a cementación.

8-¿Cuál es la protección más efectiva frente a la oxidación: los recubrimientos o la protección por aleantes? Razona la respuesta.

9- En que consiste el descincado de los latones (investiga en internet)

10- atendiendo a la corrosión, son preferibles las uniones soldadas a las atornilladas o a las remachadas, pero ¿qué problemas presenta la soldadura en los aceros inoxidables?

11-Enumera los métodos existentes para controlar la corrosión

12-Rellena los huecos con la palabra correcta:

13- Preguntas de verdadero o falso


14.- Calcule el módulo de elasticidad (E) en GPa y la resiliencia KCV en J/mm2, de un material, teniendo en cuenta que: a) Una probeta de 100 mm de longitud y 150 mm2 de sección, se alarga 0.080 mm cuando se carga con 15 kN. En la continuación del ensayo se determina que el límite elástico es de 150 MPa.b) La maza de 40 kg de un péndulo de Charpy, cae desde 1 m de altura sobre una probeta de 400 mm2 de sección (medida tomada sobre la sección entallada en V) y asciende 45 cm después de romper la probeta (g=9.81 m/s2). Sol: a) E= 125 GPa ; b) KCV= 0.54 J/mm2

15.- Elige la respuesta correcta:


16.- Para los números enteros del 0 al 9, codificados en binario, se pide:a) Realice la tabla de verdad de una función lógica cuya salida se corresponda con un 1 si el númeroes 2, 3, 5 o 7, y con un 0 si no es ninguno de los anteriores.b) Simplifique dicha función mediante el método de Karnaugh, a partir de la tabla de verdad.c) Construya con puertas NAND de cualquier número de entradas, el circuito correspondiente a lafunción una vez simplificada.

17.- Rellena los huecos:

18.- En un ensayo Brinell de una chapa de acero aleado de 8 mm de espesor, se obtuvo una huella de 4 mm de diámetro. Utilizando la tabla adjunta, halla la dureza de dicho acero.

CARGA EN kp

Espesor (mm) Diámetro (mm)

Aceros al C(30D2)

Aceros aleados(10D2)

Bronce (5D2)

>6 10 3000 1000 500

Entre 3 y 6 5 750 250 125

<3 2,5 625,5 187,5 31,2

Sol: HB=76,26 kp/mm2

19.- Una llave electrónica de seguridad elemental consta de: cuatro interruptores, A, B, C y D, para introducir la clave; una salida, P, para la apertura de la puerta; otra salida, S, conectada a una sirena. Para que se abra la puerta es necesario accionar A y B, simultáneamente, y ninguno más. Si se introduce cualquier otra combinación, se activa la sirena, permaneciendo bloqueada la puerta. Se pide:a) La tabla de verdad.b) Simplificar las funciones de salida, por Karnaugh.c) Realizar el circuito lógico, utilizando el mínimo número de puertas.

20- ¿Qué diferencia fundamental existe entre oxidación y corrosión?


tema oxidación de materiales

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