unidad 3 los materiales metálicos · descripción de los materiales metálicos de mayor uso y sus...

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UNIDAD

INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .661. CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

1.1. Ensayos de composición, estructuras y análisis térmicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .681.2. Ensayos de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .691.3. Ensayo de tracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .711.4. Ensayos de fluencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .751.5. Ensayos de compresión y pandeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .761.6. Ensayos de resistencia al choque (resiliencia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .771.7. Ensayos de fatiga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .771.8. Ensayos tecnológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .781.9. Ensayos de defectos (no destructivos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

2. MATERIALES METÁLICOS MÁS UTILIZADOS INDUSTRIALMENTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .832.1. Materiales férreos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .842.2. Materiales metálicos no férreos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91

Í N D I C E D E C O N T E N I D O S

Una vez que hemos visto, en la Unidad anterior, las herramientas de que

dispone la Tecnología para conseguir las propiedades predeterminadas de los

materiales metálicos, es -tanto más necesario cuanto mayor sea la responsabilidad

de uso del producto final- asegurarnos de que las posee, mediante

comprobaciones o medidas, antes de su puesta en servicio.

El desarrollo de las variedades y tipos de ensayos tienen como objetivos

conseguir fundamentalmente:

mayor simplicidad en su ejecución;

mayor fiabilidad de los resultados y

menor "agresividad", es decir, menor deterioro de los materiales al rea-lizar los ensayos.

En esta Unidad vamos a conocer los ensayos más utilizados; cuándo, por

qué y para qué se realiza cada uno de ellos.

Aunque el atributo de destructivo-no destructivo no aparece en el mapa

conceptual que tienes al lado, comprobarás, a lo largo de la Unidad, cómo esta

característica condiciona la viabilidad de llevarlos a cabo. También haremos una

descripción de los materiales metálicos de mayor uso y sus aplicaciones más

habituales, con objeto de que te vayas familiarizando con ellos.

Ensayos y descripción delos materiales metálicos3

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ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD

[ADECUACIÓN AL USO]

MEDIANTE LOS ENSAYOS

CONSEGUIMOS

medir propiedades

prever comportamientos

determinar la existencia o no de

defectos

analizar parámetros

DUREZA

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

RESISTENCIA AL DESGASTE

ULTRASONIDOS

LÍQUIDOS PENETRANTES

RAYOS X y γ

PUNZONADO

ESTRUCTURAS

EMBUTICIÓN

RESISTENCIA A LA FATIGA

DOBLADO

RESISTENCIA AL CHOQUE

COMPOSICIÓN

CONSTITUYENTES

ANÁLISIS TÉRMICOS

NONORMALIZADAS

NORMALIZADAS

LAS ALEACIONES,sean

para aplicaciones mashabituales de más

amplio uso

el fabricante garantizasus propiedades finales,

algunas patentadas

para aplicaciones muyespecíficas (menor con-

sumo)

responden a propieda-des previamente espe-cificadas y garantizadas

EMBUTICIÓN

MEDIANTE LOSENSAYOS

CONSEGUIMOS

RAYOS X y Y

LÍQUIDOSPENETRANTES

ULTRASONIDOS

determinar laexistencia o no

de defectos

DUREZA

RESISTENCIAAL DESGASTE

medirpropiedades

RESISTENCIAAL CHOQUE

ANÁLISIS TÉRMICOS

analizar parámetros

CONSTITUYENTES

ESTRUCTURAS

COMPOSICIÓN

RESISTENCIA ALA FATIGA

PUNZONADO

DOBLADO

RESISTENCIA ALA TRAICIÓN

Prevercomportamientos

ASEGURAMIENTO DE LACALIDAD

[ADECUACIÓN AL USO]

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ENSAYOS Y DESCRIPCIÓN DE LOS MATERIALES METÁLICOS

3UNIDAD

IntroducciónLos ensayos consisten en una serie de procedimientos de muy diversa índole (la

mayoría de ellos normalizados) que tienen por objetivo alguno o algunos de lossiguientes:

La realización de ensayos es totalmente imprescindible en la industria, llevándo-se a cabo de forma programada para el aseguramiento de la calidad en la recep-ción de materias primas, en la producción y en la expedición de los productos termi-nados, es decir, nos cercioramos de su correcta adecuación al uso a que van a serdestinados.

1. Clasificación de los ensayosRecordemos que metales y aleaciones se caracterizan por su estructura cristali-

na, composición química, temperatura a que tienen lugar los cambios de estado ytransformaciones alotrópicas, y por su constitución. Al conjunto de ensayos paraconocer estos datos se les llama ensayos de características.

Para conocer propiedades como: plasticidad, elasticidad, tenacidad, dureza, etc.,recurrimos a los ensayos de propiedades mecánicas.

Para prever la aptitud para las deformaciones a que se van a someter los mate-riales en procesos como embutición, forja, laminación, plegado, etc., recurrimos a losensayos tecnológicos.

También es necesario comprobar que los materiales, una vez fabricados y ela-borados carecen de fallos que pudieran malograr sus propiedades. Para ello recurri-mos a la realización de los llamados ensayos de defectos que, a diferencia de los depropiedades mecánicas y de los de conformación, no deterioran el material, por loque se llevan a cabo sobre el producto terminado, listo para su uso.

Objetivos de los ensayos de materiales metálicos

Prever características o propiedades de los materiales.

Comprobar características o propiedades de los materiales.

Detectar la existencia o no de defectos.

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DE CARACTERÍSTICAS

de composión

de estructuras

análisis térmicos

constitución

cristalina

micrográfica

macrográfica

DE PROPIEDADESMECÁNICAS

estáticos

dinámicos

de durezade tracciónde fluencia cristalinade pandeode flexiónde torsión

de resistencia al choque

de desgaste

de fatiga

DE CONFORMACIÓN(TECNOLÓGICOS)

de doblado

de embutición

de punzonado

de corte

de forja

DE DEFECTOS(NO DESTRUCTIVOS)

de ultrasonidos

de líquidos penetrantes

de rayos X

de rayos γ

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3UNIDAD

1.1. Ensayos de composición, estruc-turas y análisis térmicos

Tanto los cualitativos (de qué elementos está formada la aleación) como los cuan-titativos (en qué proporción se encuentran) están adscritos a la química analítica y noa la tecnología. Sin embargo existen algunos fáciles de realizar con medios no costo-sos que, si bien no son rigurosamente exactos, nos dan una idea aproximada de lacomposición o de algunos rasgos de ella. Veamos cuatro ejemplos ilustrativos:

Para diferenciar aleaciones de aspecto visual parecido y con densidades dife-rentes, es posible hacerlo midiendo masa y volumen. Por ejemplo, las densidades decromo, níquel y titanio son 7’19; 8’9 y 4,54 Kg/dm3 respectivamente. Es muy fácil, pues,por este método, diferenciar uno de otro.

Con un simple imán podemos diferenciar aceros magnéticos y no magnéticos;son magnéticos a temperatura ambiente todos los aceros cuya estructura contiene ferri-ta, perlita o martensita: todos los aceros al carbono no aleados, los aceros al Cr-Si y alCr, aceros al Mn con menos del 10% de este metal. Aceros no magnéticos son los quetienen estructura austenítica, como los conocidos popularmente como 18-8 (18% de Cry 8% de Ni) o 18-8-2 (porcentajes de Cr, Ni y Mo respectivamente), al Ni con más del20% de éste y los aceros al Mo con más del 10%.

Existen determinadas sustancias que reaccionan específicamente con un ele-mento y no con los demás, dando productos coloreados que identifican su presencia.Un ensayo muy utilizado y muy sencillo es el de identificación del Pb en aleaciones quese han de utilizar en las industrias alimentaria y farmacéutica, cuya presencia está rigu-rosamente prohibida por su peligrosidad para la salud de las personas. Sobre un trozodel material a analizar se añade una gota de un producto químico llamado p-dimetila-minobencilidenrodamina; si la aleación en cuestión contiene Pb, aunque sea en peque-ñísimas proporciones, se produce una coloración amarilla característica. Este tipo deensayos tiene la denominación general de ensayos a la gota.

Al atacar una pieza de una aleación con una piedra esmeril saltan chispas queson partículas incandescentes de aquella. Cada aleación produce una serie de chispas,características en forma y color, de la que existen patrones, como vemos en esta ilus-

tración, pudiéndose comparar fácilmente con las queaparecen en los patrones. La presencia de wolframio seidentifica muy fácilmente con estos ensayos por chispasporque las da de color rojo oscuro muy característico. Elsilicio, en porcentajes del 1 al 2% (típico en aceros paramuelles) da lugar a chispas con rayas largas y gotasmuy brillantes, de colores amarillo y blanco.

E j e m p l o s

Chispas características dealgunos aceros.

0.15 %de C

0.45 %de C

1 %de C

0.15 % de C1.75 % de Ni0.25 % de C

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Los ensayos para conocer las estructuras y la consti-tución se llevan a cabo haciendo uso del microscopio meta-lográfico, obteniéndose microfotografías como la que apare-ce en la figura.

Los análisis térmicos se efectúan con termómetros espe-ciales ya que las temperaturas que se van a medir son nor-malmente superiores a las del punto de ebullición del mercu-rio (360 ºC).

Los más utilizados son los de láminas bimetálicas y los pirómetros ópticos ytermoeléctricos.

1.2. Ensayos de durezaLa dureza es una propiedad muy compleja de la materia en estado sólido. Está

determinada, para metales y aleaciones, por la estructura cristalina, la presencia deátomos extraños en la red o de otro tipo de moléculas en el conjunto: pequeñasvariaciones de estructura o de composición química pueden provocar importantesvariaciones en la dureza.

Método Brinell.Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determina-

do, sobre el material a ensayar, por medio de una carga y durante un tiempo tambiéndeterminado.

Si con una carga P se presiona la esfera dediámetro D sobre la superficie metálica cuya dure-za se pretende medir, dejará una huella en formade casquete esférico de diámetro d y superficie S.

La dureza viene dada por la expresión:

Midiendo directamente el diámetro d de lahuella puede calcularse su superficie S, puestoque P y D son constantes. Este ensayo está nor-malizado en cuanto a diámetros de las bolas,carga a aplicar y tiempos en función del espesorde la probeta.

La denominación de los ensayos se indicamediante el siguiente símbolo:

HB (D/P/T)Siendo D el diámetro de la bola, P la carga

aplicada y T el tiempo de aplicación de la misma.

( )( )2mmSKpPHB =

Microfotografía típica obtenidacon un microscopio metalográfico

R e c u e r d a

Existen ensayos orientativos, fáciles de realizar, que aportan datos muy válidos sobredeterminadas características de las aleaciones.Muchos de los ensayos están normalizados, lo que representa ventajas adicionales.

Ensayo de dureza por el métodoBrinell

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3UNIDAD

Cuando con el ensayo Brinell obtenemos una dureza superior a 500 hemos dedesconfiar del resultado, pues se corre el grave riesgo de que el dato obtenido seafalso: para durezas tan altas es muy probable que la bola se haya deformado. Serecurre a otro tipo de ensayos que veremos a continuación.

El orden de magnitud de durezas Brinell de algunos materiales es la siguiente:

Método Rokwell.

Fue ideado con objeto de obtener datos fiables y rápidos de dureza en materia-les muy duros. Se basa, igual que el anterior, en la resistencia que oponen los mate-riales a ser penetrados pero, a diferencia de aquél, mide la profundidad de la huellapermanente que producida al actuar una determinada carga sobre un penetrador,normalmente de diamante de forma cónica, o de forma esférica para materialesmenos duros.

Método Shore.

Se aparta de los que hemos visto hasta ahora porque la medida de la dureza lavamos a obtener a partir de la altura que alcanza en el rebote un cuerpo al caer,desde una altura predeterminada, sobre la superficie que se ensaya. Su principalventaja es que no produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado y,en consecuencia, es el único método no destructivo de los utilizados para medir ladureza, empleándose para ensayar piezas terminadas listas para su utilización en laindustria, como cilindros de laminación.

Aceros templados 500Aceros con 0,8% de C 210 Aceros con 0,1% de C 110Bronces 100Aluminio 30 ≈≈

≈≈≈≈≈≈≥≥

HB (5/750/30) significa que hemos hecho el ensayo con una bola de 10 mmde diámetro, aplicando una carga de 750 Kp durante 30 segundos.

E j e m p l o

Denominación de las escalas de dureza Rokwell:

HRC (del inglés Hardness Rockwell Conic) para ensayos hechos con elpenetrador cónico.

HRB (Hardness Rockwell Ball) para las que se hacen con el esférico.

(Es normal que un material menos duro tenga una cifra HRB superior a la deotro más duro cuyo valor venga dado en HRC.

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1.3. Ensayo de tracciónEste ensayo es uno de los que más se realizan y es, sin lugar a dudas, el que

proporciona más información sobre las características del material ensayado.Decimos que un material (que tiene forma de barra para simplificar la definición) estásometido a tracción cuando las fuerzas que actúan sobre él lo hacen en la direcciónde su eje y tienden a alargarlo: sabemos por física que cuando un sistema de fuer-zas actúa sobre un sólido, sus partículas se desplazan hasta que se establece unequilibrio entre el sistema de fuerzas exteriores aplicado y las fuerzas interiores quetienden a cohesionarlo, quedando el cuerpo en estado de equilibrio.

El ensayo consiste en someter una probeta de forma y dimensiones determina-das a un esfuerzo de tracción progresivamente creciente hasta conseguir su rotura,y estudiar su comportamiento durante el proceso. Se realiza sobre probetas norma-lizadas, marcadas con trazos de referencia, para poder medir los alargamientos enfunción de los esfuerzos a que se la somete. (La Norma española que regula losensayos de tracción es la UNE 7-262-73).

Si al cesar las fuerzas exteriores a que sometemos la probeta del material aensayar ésta recobra su forma inicial, decimos que el cuerpo es elástico: ha sufridouna deformación elástica. La relación entre las fuerzas aplicadas y las deformacio-nes fue establecida por Robert Hooke de la forma siguiente (Ley de Hooke): “Lasdeformaciones son directamente proporcionales a las fuerzas deformadoras”.

A partir de una fuerza determinada, caracte-rística de cada material, éste no recupera suforma inicial al cesar el esfuerzo; decimos ahoraque el material es plástico. El esfuerzo "frontera"entre el comportamiento elástico y plástico de unmaterial recibe el nombre de límite elástico. Portanto, los materiales serán elásticos (o se com-portarán de forma elástica) siempre que lasdeformaciones estén por debajo del límite deelasticidad.

Consideremos una barra de sección circularsometida a una fuerza F perpendicular a su sec-ción recta S, provocando una tensión σσ = F/S.

La barra aumentará su longitud. Las dosdeformaciones que se producen son:

∆l = l – l0 y ∆d = d – d0

Aplicando la ley de Hooke a este ensayo ten-dremos que el alargamiento producido, l, es pro-porcional a la fuerza F, según la expresión: F = k. ∆∆l, siendo k una constante característicade cada material de una dimensiones determina-das.

Probeta normalizada para realizar elensayo de tracción.

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3UNIDAD

Si hacemos otro ensayo con el mismo material de sección diferente, k ya nosería la misma, pero sí se sabe experimentalmente que es directamente proporcio-nal al cambio de sección e inversamente proporcional a la longitud de la probeta:

Despejando la relación entre F y S, que llamamos :

donde E es el módulo de elasticidad o módulo de Young del material. Es decir, larelación entre la tensión unitaria a que está sometido un material y el alargamientorespecto a la longitud inicial permanece constante para un mismo material, lo queindicado matemáticamente nos da la expresión:

Modulo de elasticidad de algunos materiales utilizados industrialmente:

00 ll

Ell

KSF ∆

=⇒∆

== σσ

σσ

llS

KF ∆=00l

SKk =

MATERIAL E (Kg/mm2)

Acero suave (bajo en carbono) 21150

Acero duro 22000

Acero al níquel 21150

Acero inoxidable al Cr-Ni 20800

Aluminio fundido 6850

Bronce normal 9500

Bronce fosforoso 12000

Cobre laminado 11500

Fundición gris 7500

Hormigón 2800

Latón 8000

Madera 1000

Vidrio 7000

unitariotoalargamienelyunitariatensiónlasiendo00

0

0

ll

SP

llSP

E ∆∆

= unitarioto

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Observando la figura, la zona elástica del material (en la que se cumple la ley deHooke) es la comprendida entre los puntos O y Ea. Al seguir aplicando tensiones cre-cientes a la probeta, llegamos a un punto a partir del cual con incrementos inferioresde tensión se producen alargamientos mayores, aunque al unir los puntos sigue sien-do una recta. Al punto Ea le llamamos límite aparente de elasticidad.

Si seguimos aplicando más tensión a la probeta, observamos que se producenunas fluctuaciones en la curva (entre los puntos fs y fi) entrando en lo que se llamazona o período elástico-plástico o de fluencia del material. A partir de ese punto al

Es importante tener en cuenta que la magnitud representada enordenadas es la tensión unitaria, y en abscisas el alargamiento unitario,no el alargamiento de la probeta. De esta forma el diagrama obtenido esindependiente de la geometría de la probeta.

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3UNIDAD

aumentar la carga observamos mayores alargamientos del material con menoresincrementos de tensión, pero ya no linealmente (esta zona es conocida como de for-talecimiento).

Al llegar al punto R de la curva se produce un máximo, que se denomina cargao tensión de rotura. Pero (observemos el esquema de la parte inferior de la figuracon la evolución de la geometría de la probeta) no se produce la rotura sino que sealarga y se estrecha no ya en toda su longitud, sino en una parte de la misma. Larotura de la probeta se produce en el punto Pr.

Comentarios al ensayo de tracción:El límite elástico tiene una enorme importancia en los proyectos industriales:

para el cálculo de muelles necesitamos materiales con un límite elástico lo más altoposible, aunque la zona plástica sea muy pequeña. Por el contrario, si lo que dese-amos son materiales que puedan ser deformados fácilmente, buscaremos aquélloscuyo límite elástico no nos importe que sea bajo, pero que tengan una amplia zonaplástica, (chapas para carrocerías de automóviles y aviones, para fabricar bateríasde cocina, cisternas de transporte etc.).

Con el ensayo de tracción también podemos conocer el alargamiento de unmaterial en la zona elástica, en la plástica o en ambas.

La rotura de una probeta puede producirse de dos formas:Inmediata o casi inmediatamente después de la deformación elástica, brusca-mente, sin disminución aparente de su sección, es decir, sin estricción. Ocurrecuando los materiales son poco plásticos.Después de la deformación plástica; en este caso la probeta disminuye la sec-ción sensiblemente en las proximidades de la sección antes de producirse larotura.

La resistencia a la rotura o carga de rotura no es realmente una propiedad sinoel resultado de un ensayo que nos da la tensión necesaria por unidad de secciónpara producir la rotura del material ensayado.

La rotura de un material metálico puede producirse por tracción, compresión, tor-sión, cizallamiento, etc. En metalurgia aceptamos que, si no se indica nada, cuandohablamos de carga de rotura nos referimos a la que se produce por tracción.

El diagrama anterior es el más representativo y se toma habitualmente comomodelo de estudio, porque recoge todas las posibilidades, pero con otros materialesmetálicos los diagramas que se obtienen de los ensayos de tracción tienen la formade los que aparecen a continuación.

Diagrama de tracción de algunas aleaciones.

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1.4. Ensayos de fluenciaSabemos que los materiales se deforman espontáneamente por la acción de su

propio peso. Esto se aprecia mejor en unos materiales que en otros como alquitrán,plomo y algunos otros metales de bajo punto de fusión. Pero está comprobado quetodos los metales y aleaciones se deforman más o menos lentamente aplicándolescargas pequeñas, muy inferiores al límite elástico. A esta deformación lenta se laconoce con el nombre de fluencia, y aumenta con la carga y la temperatura.

Los materiales metálicos son menos sensibles a la fluencia cuanto más alta essu temperatura de fusión. Con arreglo a este criterio se clasifican los materiales, decara a su fluencia, en tres grupos:

Los de p.f. superior a 1200 ºC, que no experimentan fluencia apreciable hastatemperaturas superiores a 350 ºC.Los que funden entre 600 y 1200 ºC como Al, Cu, Ag, Au, que apenas acusanfluencia a temperatura ambiente.Los de p.f. inferior a 600 ºC (Zn, Sn, Pb) que son fluyentes a temperaturaambiente aún con pequeñas cargas.

La determinación de la fluencia se hace de la siguiente forma: se realizan unaserie de ensayos a una misma temperatura y con diferentes cargas, obteniéndoseuna serie de curvas. Se repiten los ensayos para diferentes temperaturas, obtenien-do una familia de curvas para cada temperatura. A continuación, con los alargamien-tos obtenidos para diferentes cargas a cada temperatura durante un tiempo determi-

nado (que debe ser largo, se llevana cabo entre 1000 y 10000 horas) seobtiene una familia de curvas comolas que aparecen en la figura.

Como podemos apreciar por loexpuesto los ensayos de fluenciason lentos, laboriosos y, en conse-cuencia, muy caros. Son los fabri-cantes los que los realizan y debengarantizarlos, y no para cada cola-da, sino que se establecen por tipode material normalizado.

El ensayo que más información suministra sobre las características de los materiales es elde resistencia a la tracción.El módulo de elasticidad es un parámetro característico de cada aleación.

Sabemos que un mismo material posee distintas características mecánicas alvariar su temperatura; en consecuencia, los ensayos de tracción deben hacerse atemperaturas a las cuales va a trabajar porque, en caso contrario, obtendríamosresultados que falsearían la realidad. En general, el límite elástico y la carga derotura están en razón inversa a la temperatura, y la ductilidad y maleabilidad, enrazón directa.

Diagrama típico de ensayos de fluencia.

R e c u e r d a

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3UNIDAD

1.5. Ensayos de compresión y pandeoLos ensayos de compresión son poco frecuentes, realizándose en materiales

que trabajan sólo a este esfuerzo, como el hormigón: suministran menos informaciónque los de tracción, pues no dan ningún valor equivalente al alargamiento o a laestricción y son más laboriosos de realizar. Está comprobado que los materialesmetálicos son más resistentes a la compresión que a la tracción.

Sin embargo, relacionada con la compresión aparece el fenómeno del pandeo:está comprobado experimentalmente que las piezas que tienen una longitud muysuperior a su sección, cuando están sometidas a esfuerzos de compresión no serompen por aplastamiento, sino que se doblan lateralmente y se rompen con cargasinferiores a las que correspondería por su sección y resistencia a la compresión. Eslógico pensar que conocer la resistencia al pandeo es fundamental en los materia-les, metálicos o no metálicos, que van a constituir la estructura de edificios, puentes,etc.

Para el cálculo de la resistencia al pandeo existen fórmulas empíricas más omenos complejas en las que siempre aparecen, al menos, estas tres variablesindependientes:

el módulo de elasticidad del material,

el momento de inercia mínimo de la sección de la pieza y

la longitud de pandeo lp, que es la distancia entre dos puntos de inflexión con-secutivos de la curva que se forma al deformarse la pieza y que, como se veen la figura, depende de la sujeción de la misma.

Cuatro tipos de deformación por pandeo en función de la forma de sujeción de la pieza.

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1.6. Ensayos de resistencia al choque(resiliencia)

Las máquinas utilizadas para el ensayo de resiliencia (la más utilizada es el pén-dulo de Charpy) consisten fundamentalmente en un péndulo provisto de un martillo ensu extremo. La probeta -entallada para facilitar la rotura- se coloca en la vertical del ejede giro del péndulo en un soporte adecuado. Se libera el péndulo de la sujeción y, alcaer, rompe la probeta.

Una vez pasada la vertical asciende a otra altu-ra que, como es lógico, es inferior a la inicial. El tra-bajo consumido en romper la probeta será proporcio-nal a la diferencia de alturas entre la inicial y la finaly, para un mismo material será mayor cuanto mayorsea la sección de la probeta. Se demuestra que laresiliencia viene dada por la expresión: = T/S sien-do T el trabajo producido por el péndulo (función dela diferencia de alturas y del peso del martillo) y S lasección de la probeta. En el ensayo con el péndulode Charpy están normalizadas las probetas, los mar-tillos, la longitud del péndulo y la altura inicial.

1.7. Ensayos de fatigaUna buena parte de los órganos de máquinas y de estructuras metálicas están

sometidos a la acción de esfuerzos variables que se repiten con frecuencia. Ejemplosde ellos son: bielas, árboles de transmisión, puentes, raíles de ferrocarril, etc.

Está experimentalmente comprobado que la rotura de un material puede produ-cirse con cargas variables, inferiores no sólo a la carga de rotura, sino también al lími-te elástico, siempre que actúen un número determinado de veces. Este aparente "des-fallecimiento" es conocido como fatiga de los materiales.

Si nos limitáramos a aplicar altos coeficientes de seguridad con los datos aporta-dos por los ensayos de propiedades mecánicas, los pesos y secciones resultantesserían muy elevados y los costes se incrementarían innecesariamente. Para obviarestos inconvenientes se recurre en la práctica a determinar el límite restringido de fati-ga, que es el esfuerzo de una clase determinada que puede aplicarse al material paraque dure sin deteriorarse un número determinado de ciclos.

ρρ

Sistema para realizar el ensayo de resilienciapor el método de Charpy.

Si se trata de raíles de ferrocarril, está establecido que hay que reponerlos por desgas-te antes de que hayan sufrido 500000 ciclos de flexión, producidos por el paso de las rue-das de los trenes. Por lo tanto, es suficiente conocer el límite elástico restringido para esos500000 ciclos.

E j e m p l o s

La resiliencia valora la tenacidad de un material, es decir, su capacidadde resistencia a la rotura por choque.

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3UNIDAD

De la complejidad del fenómeno de la fatiga nos dan idea los factores que influ-yen en la misma, entre los que destacamos:

La frecuencia de aplicación de los ciclos de carga.

La temperatura: el límite de fatiga disminuye al aumentar ésta.

La acritud previa (el límite de fatiga aumenta con una ligera acritud del mate-rial, hasta un cierto límite, máximo, a partir del cual vuelve a bajar).

La fatiga previa: está demostrado experimentalmente que, si después de uncierto número de esfuerzos se deja "descansar" al material manteniéndolodurante un tiempo sin trabajar, su límite de fatiga puede aumentar hasta un30% de su valor inicial.

Las tensiones internas: cuanto menores sean, mayor es el límite de fatiga.

El estado y naturaleza de la superficie: un pulido perfecto aumenta el límite defatiga, así como tratamientos como la cementación y nitruración.

El tamaño del grano.

Las inclusiones y grietas que, lógicamente, perjudican al material disminuyen-do su límite de fatiga.

Por las razones que hemos expuesto (y que no son todas) la tendencia, cada vezmás acentuada, sobre todo en piezas de responsabilidad y grandes series, es hacerensayos de duración de piezas acabadas en condiciones análogas a las de servicio,para garantizar la adecuación al uso y el respeto a la seguridad de las personas y,en ocasiones, del medio ambiente.

Periódicamente, a través de los medios de comunicación, algunos fabricantes deautomóviles informan públicamente de defectos en piezas de algunas series y solici-tan a los usuarios acudir a los talleres para su sustitución. En muchos casos estosdefectos se han detectado con posterioridad a la salida al mercado porque son debi-dos a comprobaciones posteriores del límite de fatiga. Esta información, lejos dedeteriorar la imagen de marca, es un rasgo de honradez al hacer público un defectoque en muchas ocasiones quedaría oculto.

1.8. Ensayos tecnológicosCon este grupo de ensayos, a diferencia de los que hemos visto hasta

ahora, no se pretende obtener valores cuantificables, pero son muy útiles por-que permiten establecer con cierta rapidez una idea suficientemente aproxima-da del comportamiento del material frente a un determinado servicio o unadeterminada operación a la que lo vamos a someter.

Los más habituales son los de plegado, embutición, punzonado, forja y ciza-llamiento.

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1.9. Ensayos de defectos (no destructivos)Los ensayos de defectos tienen por objeto descubrir y localizar defectos en la

superficie o en el interior de los materiales metálicos. Se aplican a piezas termi-nadas y por tanto es requisito fundamental que no las dañen ni dejen huella. Nosolamente se hacen sobre piezas recién terminadas sino también, y con frecuen-cia cuando se trata de servicios de responsabilidad, periódicamente durante elservicio, por ejemplo, depósitos que contengan gases a presión o piezas de avio-nes.

Grietas superficiales y líquidos penetrantes.

Un procedimiento para hacer resaltar las grietas consiste en sumergir la piezaen un baño de aceite caliente durante varias horas. Se limpia después con gaso-lina, se seca y se aplica una capa un producto muy absorbente como puede serel polvo de talco: las fisuras superficiales se revelan por las manchas que produ-ce el aceite al exudar.

Los líquidos penetrantes utilizados para la detección de microgrietas son pro-ductos de muy baja tensión superficial, normalmente fluorescentes para hacerlosmás visibles, que se aplican sobre la superficie de la pieza a ensayar. Se limpiala pieza y al líquido que ha penetrado se le hace aflorar mediante productosabsorbentes. Se fijan con laca o barniz y, una vez seco, queda en forma de pelí-cula que puede retirarse de la pieza. La ventaja de este procedimiento es doble:

El líquido fluorescente se disuelve en el barniz marcando en él los defec-tos de las piezas, mientras que en las zonas sin defectos el barniz quedatotalmente transparente.

Sirve como documento que reproduce con exactitud la forma, posición ymagnitud de los defectos. La película formada por el barniz es como elnegativo de una fotografía y puede estudiarse con precisión sin tener quehacerlo directamente sobre la pieza.

Ultrasonidos.

Conocemos por ultrasonidos a las ondas producidas por vibraciones mecáni-cas de frecuencia superiores a los 20000 ciclos/segundo, que es la máxima audi-ble por el ser humano. Para los ensayos de materiales mecánicos se utilizan fre-cuencias comprendidas entre 105 y 107 ciclos/segundo. En medios sólidos pue-den atravesar espesores de varios metros, mientras que los líquidos y los gasesamortiguan su propagación; debido a la diferencia es en lo que nos basamos paraobtener resultados de los ensayos.

El mecanismo de detección de defectos por ultrasonidos es análogo al que lanaturaleza ha desarrollado en algunas especies animales (la más conocida losmurciélagos) que pueden "ver" en la oscuridad al poder emitir y detectar esos ran-gos de frecuencias.

80


3UNIDAD

Los tres sistemas de localización de defectos mediante ultrasonidos son:

1) Por transparencia, es decir por la disminución de intensidad del ultrasonidopor el receptor a atravesar una zona defectuosa.

2) Por la posición del eco: La exploración se realiza ajustando el palpador delreceptor a la distancia que mejor reciba la emisión reflejada en la cara opues-ta de la pieza. Cuando la onda emisora encuentra un defecto, gran parte dela misma se refleja en él y, como está más cerca de la superficie que la caraopuesta, hay que acercar más los palpadores. La distancia entre los dos esla que nos situará la posición del defecto en el interior de la pieza.

3) Por la disminución de la intensidad del eco: este sistema está fundado en ladisminución de la intensidad de la onda ultrasónica reflejada en la caraopuesta de la pieza cuando atraviesa un defecto.

Estos ensayos tienen la ventaja de que podemos detectar defectos en el interiory no sólo en la superficie de las piezas.

Ensayos por rayos X y rayos .

Ambos tipos de rayos, emisiones de ondas ionizantes de muy alta frecuencia ycon múltiples aplicaciones que todos conocemos, se utilizan también para detectardefectos en los materiales metálicos y, muy especialmente, para observar posiblesdefectos en las soldaduras.

Los ensayos se hacen de forma similar a como se realizan en un gabinete médi-co de análisis radiológicos, con una ventaja y un inconveniente respecto de éstas:el inconveniente es que los rayos penetran en los materiales metálicos peor que ennuestros cuerpos, por lo que el tiempo de exposición ha de ser mayor; la ventaja,que el material a ensayar está inmóvil, por lo que se elimina el riesgo de que lasradiografías salgan "movidas".

γγ

Ensayos de ultrasonidos: 1, por transparencia; 2, por la posición del eco; 3, por la disminuciónde la intensidad del eco.

81

Entre estos dos métodos de detección dedefectos existen algunas diferencias que vamosa resumir citando las ventajas e inconvenientesde las gammagrafías frente a los rayos X:

Esquema de ensayo de defectos por rayos X o gamma:aunque la radiación incidente es distinta, el sistema es elmismo con ambos tipos de rayos, comparándose transpa-rencias a los rayos con patrones sin defectos.

VENTAJAS INCONVENIENTES

Posibilidad de examinar piezas demayor espesor.

Peligro de manejo de fuentes deisótopos radiactivos, por lo que lasnormas de seguridad deben ser muyestrictas.

No se requieren fuentes de energíaespeciales: el equipamiento es mássimple y ligero.

La sensibilidad no es muy buenapara pequeños espesores.

Es más fácil alcanzar partes menosasequibles de las piezas.

La interpretación ha de hacerse porespecialistas, porque el contraste delas placas suele ser poco acentuado.

Por la facilidad de transporte, esmás fácil realizarlas a pie de obra:puentes, plataformas petrolíferas,gasoductos, etc.

El tiempo de exposición es largo (15horas o más), aunque, como no serequiere especial cuidado, puedehacerse por la noche siempre que secuiden las condiciones de seguridad.

R e c u e r d a

Los ensayos no destructivos se realizan sobre los productos terminados, listos para suuso, sin deteriorarlos.

82


3UNIDAD

1.- Si sometemos una pieza metálica a un esfuerzo que tienda a alargarla, la hemossometido a:

a) Flexión.b) Compresión.c) Fatiga.d) Tracción.

2.- Los termopares tienen su aplicación en los ensayos:

a) De fluencia.b) Térmicos.c) De fatiga.d) Tecnológicos.

3.- ¿Qué tiene de especial el método Shore frente a otros ensayos de dureza?

a) Se utiliza para medir la dureza de materiales especialmente duros.b) Se utiliza para medir la dureza de materiales especialmente blandos.c) Se utiliza para medir la dureza de piezas extremadamente delgadas.d) Es el único de los ensayos de dureza no destructivo.

4.- Cuatro probetas de acero al carbono que han sido sometidas en su proceso de fabri-cación a los mismos tratamientos térmicos se someten al ensayo de doblado alterna-tivo. El número de doblados que admiten antes de romperse son: 15, 8, 4 y 1. Sus con-tenidos en carbono son: 0,1%, 0,15%, 0,76% y 1,8% respectivamente.

Relaciona su contenido en carbono con el número de dobleces soportadas.

5.- Los ensayos de defectos son:

a) Destructivos.b) No destructivos.c) Algunos destructivos y otros no destructivos.d) De composición.

6.- La influencia de la temperatura sobre los resultados obtenidos para un mismo materialen el ensayo de resistencia a la tracción es:

a) Los resultados son los mismos independientemente de la temperatura.b) A altas temperaturas los resultados no son fiables.c) A bajas temperaturas no son fiables.d) Los resultados son distintos, pero igualmente fiables a altas y bajas temperaturas.

A c t i v i d a d e s

83

2. Materiales metálicos más uti-lizados industrialmente

Los materiales metálicos pueden clasificarse atendiendo a distintos parámetrosque los caracterizan. El CENIM (Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas)establece la clasificación más utilizada, normalizada, agrupándolos de la siguienteforma:

Clase (letra) - Serie (1ª cifra) - Grupo (2ª cifra) - Individuo (3ª y 4ª cifras)

Las clases de materiales metálicos son 5:

F: Aleaciones férreas.

L: Aleaciones ligeras.

C: Aleaciones de cobre.

V: Aleaciones varias.

S: Productos sinterizados.

La serie caracteriza la aplicación, tecnología de fabricación o composición.

El grupo indica el tipo de material con características más afines.

El individuo indica el tipo perfectamente definido de producto metalúrgico.

La denominación establecida por CENIM, tiene equivalencia con las de otrospaíses fabricantes.

En todos los casos, las propiedades finales dependen de una serie de parámet-ros que ya conocemos, por lo que en la descripción completa de una aleación deter-minada están indicados, además de su composición química, los tratamientos a quedebe haber sido sometida para que reúna las características definidas para su uti-lización.

Una característica esencial que deben poseer los materiales para uso indus-trial –y a la que con frecuencia no se le da suficiente entidad– es que deben serfiables, es decir, debe haber reproducibilidad en sus propiedades: materialesobtenidos de la misma forma, con la misma composición y sometidos a los mismostratamientos deben tener la mismas propiedades finales, lo que significa el mismocomportamiento en las mismas condiciones de trabajo. Aunque parezca que con unperfecto control de estos tres parámetros lo lógico es que las prestaciones sean lasmismas, la realidad no es así con todos.

Esta característica la cumplen los materiales metálicos y no, por ejemplo, loscerámicos.

84


3UNIDAD

2.1. Materiales férreosDe acuerdo con la denominación establecida por el CENIM, los materiales férre-

os pertenecen a la clase F. A continuación indicamos todas las series (la 4000 noexiste) y algunos de los grupos más característicos:

SERIE GRUPO CARACTERÍSTICAS

1000Aceros finos deconstrucción en

general.

1100 Aceros al carbono (no aleados) para construcción de piezasque no exijan características elevadas.

12001300

Aceros aleados de gran resistencia (para temple y revenido).

1400 Aceros aleados de gran elasticidad (para construcción de mue-lles, resortes, ballestas, etc.).

1500 1600

Aceros al carbono y aleados para cementar.

1700 Aceros para nitrurar.

2000Aceros para usos

especiales.

2100 Aceros de fácil mecanización (al azufre y al plomo).

2200 Aceros de fácil soldadura.

2300 Aceros de propiedades magnéticas (para transformadores ypara imanes).

2400 Aceros de alta y baja dilatación.

2500 Aceros resistentes a la fluencia.

3000Aceros inoxida-

bles.

3100 Aceros inoxidables para usos generales.

3300 Aceros refractarios.

5000Aceros para herra-

mientas.

5100 Aceros al carbono para herramientas.

55005600

Aceros de corte rápido y extrarrápido al cobalto para herra-mientas.

6000Aceros comunes.

6100 Aceros para barras corrugadas de hormigón armado.

6200 Aceros para construcción civil (estructuras).

7000Aceros para mol-

dear.

7100 Aceros moldeados, no aleados, para usos generales.

7300 Aceros de baja aleación, para usos generales.

8000Fundiciones.

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A los que contienen éstos y/u otros elementos en porcentajes superiores les lla-mamos aceros aleados.

A la vista de esta tabla, que no recoge más que una mínima parte de los acerosque se utilizan industrialmente, entendemos más fácilmente cómo influyen en laspropiedades finales no sólo la composición, sino los tratamientos y la forma en quese llevan a cabo: ambos parámetros son los que determinan las estructuras cristali-na, micrográfica y macrográfica. Las distintas combinaciones posibles son las quedan lugar a la enorme variedad de aceros.

Indicamos a continuación datos de algunos de los aceros más conocidos y uti-lizados, como ejemplo de las enormes posibilidades de uso de estos materiales.

Aceros del grupo 1100.

Todos tienen en común en su composición: Mn (0,30 ÷ 0,50); Si (0,15 ÷ 0,30); P(< 0,04) y S (< 0,04).

Su clasificación y la evolución de las características más importantes de algunosde ellos (sometidos a tratamientos térmicos normalizados) las vemos en la siguientetabla:

* La “X” es un dígito que corresponde al individuo.

Al Bi Co Cr Cu Mn Mo Nb Ni Pb Se Si Ti V W Zr

0,10 0,10 0,10 0,30 0,40 1,65 0,08 0,06 0,30 0,40 0,10 0,50 0,05 0,10 0,10 0,05

En el sector siderúrgico se ha convenido designar con el nombre de aceros alcarbono (o aceros no aleados) a los que, además de hierro y carbono pueden con-tener otros elementos que no superen el porcentaje en masa que se refleja en elcuadro siguiente:

Designación Nombrecomún % carbono R (Kg/mm2) Alargamiento (%) Dureza

(HB) Otros

F-111X* Acerosextrasuaves 0,10 ÷ 0,20 38 ÷ 48 28 ÷ 23 110 ÷ 135

Soldable ++++Deformable +++Templable -

F-112X* Aceros suaves 0,20 ÷ 0,30 48 ÷ 55 24 ÷ 18 135 ÷ 160

Soldable +++Deformable +++Templable -

F-111X* Acerosextrasuaves 0,10 ÷ 0,20 38 ÷ 48 28 ÷ 23 110 ÷ 135

Soldable ++++Deformable +++Templable -

F-112X* Aceros suaves 0,20 ÷ 0,30 48 ÷ 55 24 ÷ 18 135 ÷ 160

Soldable+++Deformable +++Templable -

F-113X* Acerossemisuaves 0,30 ÷ 0,40 55 ÷ 65 16 ÷ 13 185 ÷ 215 Soldable ++

Deformable ++

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3UNIDAD

Observa la evolución de las propiedades indicadas en función del contenido encarbono: es la confirmación real de lo que vimos en la Unidad 2.

El “mito” de los aceros inoxidables.

Los aceros inoxidables están agrupados en la clase 3000.

Recordemos que el carácter inoxidable lo aporta la adición a la aleación de Cr ylo refuerza la presencia de Ni y Mo fundamentalmente, sin entrar ahora en que seanferríticos (magnéticos, sólo con Cr) o austeníticos (no magnéticos, con Ni y/o Mo).Del adjetivo (en castellano, porque en inglés es “stainless”, literalmente “sin man-cha”) lo lógico es inferir que no se oxidan, cuando la realidad es otra: los elementosde adición forman una capa de óxido de espesor finísimo pero tan compacta yestable que no permite que el oxígeno u otros agentes corrosivos penetren en el inte-rior de la masa metálica, impidiendo de esta forma que progrese la oxidación.

De hecho en la industria se procede de la siguiente forma: cuando los materia-les van a estar sometidos a ambientes agresivos se les somete a un proceso dedecapado que tiene como misión limpiar de suciedad pero, al mismo tiempo, haceraún más compacta la capa protectora dando al acero inoxidable un aspecto grismate.

El precio: Como norma general, los aceros son tanto más caros cuantos máselementos de aleación contengan, no sólo por el coste de los materiales sino tam-bién por el proceso de fabricación requerido. Valga como ejemplo que la relaciónentre los precios de un acero con 18 % de Cr y 8 % de Ni frente al mismo al quese le ha añadido un 2 % de Mo es, aproximadamente, de 1 a 1,35.

Si has estado en alguna industria farmacéutica o alimentaria habrás observadoque las tuberías de acero inoxidable por las que se transportan fluidos corrosi-vos tienen un pulido que puede llegar a ser lo que llamamos "espejo": es el exte-rior, para facilitar la limpieza e impedir resquicios y oquedades que puedan sercaldo de cultivo de microorganismos. Pero interiormente están decapadas, paraque cumplan adecuadamente su misión. Algo parecido ocurre con las bateríasde cocina que utilizamos en nuestras casas: el exterior está muy pulido, porrazones estéticas; pero fijémonos que el interior, cuya superficie va a estar encontacto con los alimentos a altas temperaturas en su proceso de elaboración,tienen ese aspecto mate citado: es la forma de prevenir mejor la penetración dela oxidación; no es evitar el coste del pulido espejo lo que prevalece, sino la fun-cionalidad.

E j e m p l o s

87

Fundiciones.

Llamamos fundición a toda aleación Fe-C con un contenido en este últimocomprendido entre el 1,76 y el 6,67 % (límite de la cementita), aunque las fun-diciones con aplicaciones industriales tienen contenidos en carbono entre el 2,5y el 4,5 %.

Desde la crisis energética de los años 70 del siglo pasado (que revolucionómuchos procesos de diseño y fabricación para obtener las mismas propiedadescon menor consumo energético y a menor coste) el desarrollo de las fundicio-nes ha sido espectacular al poder aplicarse a usos que antes estaban reserva-dos a los aceros, más caros en su proceso de fabricación.

Además de carbono las fundiciones suelen contener:

Esta tabla ya nos da una primera indicación de porqué son más baratas quelos aceros: se admiten en las fundiciones mayores proporciones de estoselementos, cuyo proceso de eliminación encarece apreciablemente el coste.

Como ocurre con todas las aleaciones, las propiedades de las fundicionesdependen de:

Su composición química,

el proceso de fabricación y

los tratamientos a que ha sido sometida.

Pero en las fundiciones el proceso de obtención tiene más repercusión queen los aceros, porque de ésta depende la forma de presentarse el carbono:combinado, o como grafito, que a su vez puede estar en forma de esferas, deláminas o difuso (a modo de emulsión).

Elemento Silicio Manganeso Azufre Fósforo

% en peso 0,4 ÷ 4 0,3 ÷ 2 0 ÷ 0,2 0 ÷ 1,5

R e c u e r d a

La denominación de las aleaciones está normalizada por el CENIM en basea criterios muy claramente establecidos, para garantizar su comportamientoen el uso.El incremento de contenido en carbono de un acero aumenta la templabilidady disminuye la plasticidad y la soldabilidad.Una ventaja importante de los materiales metálicos es la reproducibilidadde sus propiedades.

88


3UNIDAD

Clases de fundiciones.

Debido al desarrollo que acabamos de indicar, el campo de las fundiciones tra-dicionales (blancas, grises y atruchadas) se ha ampliado considerablemente:

Ordinarias

Blancas

Grises

Atruchadas

Ferríticas

Grises ordinarias

Perlíticas

Aleadas

De baja aleación

De alta aleación

Resistentes a la rotura

Resistentes al desgaste

Resistentes al calor

De alta dureza

Al níquel

Al cromo

Al silicio

Especiales

De grafito difuso

De corazón blanco

De corazón negro

Maleable perlítica

Al aluminio

Maleables

De grafito esferoidal

89

Aplicaciones de las fundiciones.

Las fundiciones han desplazado a los aceros en algunas aplicaciones que sehacían tradicionalmente de este material: ejemplo típico son los cigüeñales de losmotores. Esto se debe a una serie de ventajas que detallamos y a la eliminación dedeterminados inconvenientes haciendo uso de las fundiciones especiales.

Ventajas de las fundiciones

1) La fabricación de piezas de fundición es más sencilla que las de acero por:

La temperatura de fusión es más baja y no necesita regulación espe-cial.

Se funden muy fácilmente piezas muy grandes y muy pequeñas.

La mecanización de las fundiciones es, en general, más fácil que la delos aceros.

2) Tienen características muy aceptables para muchas aplicaciones:

Resistencia a la tracción hasta 90 Kg/mm2 y a la compresión hasta 100Kg/mm2.

Buena resistencia al desgaste.

Absorbe las vibraciones mucho mejor que los aceros.

Tienen cualidades autolubricantes (por la presencia de grafito).

Las fundiciones grises tienen más resistencia a la oxidación que losaceros al carbono.

3) Son más baratas que los aceros.

Veamos a continuación características de las fundiciones grises y nodulares, queson las de mayor aplicación industrial.

Intervalos más fre-cuentes de porcentajesde silicio y carbono enaceros, fundicionesblancas y fundicionesgrises.

90


3UNIDAD

Fundiciones grises:

La presencia de grafito en su constitución les proporciona las siguientes cual-idades:

Su peso específico es el menor de las aleaciones férreas: 7,25 Kg/dm3

frente a 7,7 Kg/dm3 de las blancas y 7,85 a 8 Kg/dm3 de los aceros.

Se mecanizan con facilidad.

Cualidades autolubricantes y, en consecuencia, buena resistencia al des-gaste.

Tienen una aceptable resistencia a la corrosión, por lo que se prefiere a losaceros al carbono en partes que han de estar a la intemperie.

Gran capacidad de amortiguación de vibraciones: esta característica lashace especialmente apropiadas para fabricar con ellas las bancadas demáquinas.

Las reducciones de volumen que se producen enla solidificación son las menores de las aleacionesférreas: ≈ 2,1 % en volumen, frente al ≈ 5,2 % delos aceros: esta cualidad la hace especialmenteapta para obtener piezas por moldeo con muchomenor riesgo de defectos y rechazos. Los regis-tros de los servicios subterráneos urbanos (teléfo-no, electricidad, acometidas de agua y desagües,etc.) están realizados en fundición gris.

Su resistencia a la tracción es, por el contrariomucho más baja que la de los aceros: entre 15 y25 Kg/mm2.

Fundiciones nodulares.

El grafito se presenta en forma de nódulos, tal comose aprecia en la figura de la derecha, de un diámetroaproximado de 0,05 mm (también se las llama de grafitoesferoidal). Para su obtención se parte de fundicionesgrises a las que se añade magnesio (en forma de alea-ciones con Cu o Ni para evitar proyecciones).Responden a los tratamientos térmicos de forma muysemejante a los aceros. Su resistencia a la oxidación esmuy baja, pero han sustituido a los aceros al carbono enmuchas aplicaciones por precio y porque pueden llegara tener una resistencia a la tracción de 90 Kg/mm2 conun alargamiento del 4 %.

Son las fundiciones que, con diferencia, más augehan adquirido en las últimas décadas.

Constitución típica de una fundición gris.

Dos fundiciones con el mismo conteni-do en carbono. La inferior, gris, con el gra-fito laminar. La superior, tras someterla atratamiento con magnesio para obtenerfundición nodular.

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2.2. Materiales metálicos no férreosLos productos siderúrgicos son, con mucha diferencia, los más utilizados de los

metales y aleaciones conocidas, siendo su producción mundial más de 20 vecessuperior a la de todos los metales y aleaciones juntas.

Esta supremacía se debe, además de a su precio relativamente económico, asus excelentes propiedades mecánicas que, sobre todo la de los aceros, puedenvariarse para amoldarse a las necesidades de los usuarios para trabajarlos máscómodamente, obteniéndose, además, el “punto” adecuado de dureza, resistenciay tenacidad. Tienen, como contrapartida, que son muy sensibles a la oxidación ycorrosión y, aunque con los aceros inoxidables se puede reducir este problema,tienen el inconveniente de su elevado precio.

Aleaciones ligeras.Reciben este nombre las que tienen como elemento principal el aluminio.Los metales de adición más importantes son : Cu, Si, Zn, Mn, Ni, Fe, Ti, Cr y Co.

Son raras las aleaciones ligeras con contenidos en Al inferiores al 85 %.Características, propiedades y aplicaciones.

Peso específico del orden de 2,7 Kg/dm3, es decir, poco más de 1/3 que la delos aceros.El punto de fusión del Al es de 660ºC y el de ebullición, 2450 ºC, lo que repre-senta dos ventajas:

bajo punto de fusión yamplio intervalo de temperaturas en estado líquido, lo que facilita su fu-sión y moldeo.

La relación resistencia mecánica/unidad de peso es, en algunas aleaciones lamás alta entre todos los metales y aleaciones conocidos aunque la del alumi-nio sin alear es baja: del orden de 15 Kg/mm2.

R e c u e r d a

Las fundiciones son materiales con campos de aplicación muy extensos por su excelenteequilibrio entre prestaciones y precio.Las que más auge han adquirido han sido las fundiciones nodulares.

Cuando en situaciones industriales nos planteamos el uso de un material metá-lico no siderúrgico lo hacemos por alguna o algunas de las siguientes razones:

Resistencia a la oxidación y corrosión.

Gran conductividad térmica y/o eléctrica.

Elevada resistencia mecánica en relación con su peso.

Facilidad de moldeo y mecanizado.

92


3UNIDAD

Su facilidad para la extrusión -cuyo proceso conocerás en la Unidad 9- hahecho que se consuman grandes cantidades para perfiles.

Su maleabilidad lo hace muy útil para fabricación de papel de aluminio, utili-zación que representa casi el 10 % de su producción, pudiendo obtenerseláminas de 4x10-4 mm de espesor.

Su carácter inoxidable tiene el mismo fundamento que el que hemos comen-tado de los aceros inoxidables. La protección adicional para conseguir unacapa más compacta de óxido se conoce con el nombre de pasivado.

Su mayor utilización industrial es para la fabricación de aleaciones ligerasempleadas en construcciones aeronáuticas y de transporte terrestre.

Su proceso de obtención es costoso, por loque resulta un material caro por unidad depeso. Nos puede dar una idea el hecho deque la mayor planta de producción de alumi-nio en nuestro país, en San Ciprián (Lugo)consume casi el 3 % de la toda la energíaeléctrica producida en España.

Uno de los grupos de aleaciones más conoci-das son los "duraluminios" con composicionesen torno a: 95 % de Al; 4 % de Cu; 0,5 % deMg y 0,5 % de Mn. Como su nombre indica,poseen durezas muy altas una vez templadas.Están normalizadas por el CENIM con ladenominación L-311X.

Con la adición de Si se mejora la ductilidad, latenacidad y la resistencia a la corrosión.Tienen una aplicación importante para piezasde formas complicadas para la marina por sufacilidad de moldeo y su resistencia a la corro-sión producida por agua de mar.

Aleaciones ultraligeras.Están constituidas por las que tienen como metal base el magnesio. Están nor-

malizadas por el CENIM con las series L-5XXX y L-6XXX.

Características, propiedades y aplicaciones.

Su peso específico está en torno a 1,8 Kg/dm3, es decir, 2/3 de las aleacio-nes ligeras de aluminio. Esta cualidad, junto con las buenas propiedades dealgunas de sus aleaciones han ampliado su campo de aplicación. Sirva comoreferencia que en la última mitad del siglo XX su producción mundial se hamultiplicado por más de 1000.

Se utilizan en construcciones aeronáuticas, piezas para motores (culatas, pis-tones, cárteres), maquinaria textil y, en general, piezas de movimientos alter-nativos rápidos.

Tienen una ventaja de cara a la seguridad y a la conservación del medioambiente: no producen chispas al golpearlas ni por fricción, lo que las hacesumamente útiles en contacto o en las proximidades de productos inflama-bles o explosivos.

En muchas instalaciones industria-les en las que hay grandes consumosenergéticos, equipos y tuberías se aís-lan. El recubrimiento se hace con cha-pas de aluminio por su ligereza, suresistencia a las condiciones ambienta-les y también por su aspecto agradable.

93

Aleaciones pesadas.Conocemos con este nombre a las que tienen como metal base el cobre (p.

específico 8,96 Kg/dm3), y se dividen en dos grandes familias: latones y bronces.Su normalización por el CENIM abarca desde la serie C–1000 hasta la C–9000.

El cobre es uno de los pocos metales que tienen aplicaciones importantes sinalear por ser, después de la plata, el mejor conductor de la electricidad y el calor.Sus aplicaciones para cables y conductores en general representan más de la mitadde su producción mundial. Otras también muy conocidas son las tuberías de aguasanitaria e intercambiadores de calor.

Es un metal muy dúctil y maleable, llegando a tener alargamientos del 50 %antes de romperse, pero con el inconveniente de que adquiere una gran acritudcuando se deforma en frío, lo que obliga a recocerlo frecuentemente durante los pro-cesos de conformación.

Son latones las aleaciones Cu-Zn. Los que tienen porcentajes inferiores al 40 %de Zn presentan las propiedades mecánicas esenciales del cobre a un precio inferiory una mayor facilidad para su trabajo.

Algunas variedades de latonesLatón para dorar, con 5 % de Zn, para imitar al oro en joyería.Latón bajo, llamado también "Tombak", con 20 % de Zn, para construcción detubos flexibles.Latón de muelles, con 25 % de Zn, para fabricación de muelles y resortes.Latones de cartuchería, con 30 % de Zn, los más dúctiles, empleándose entrabajos de embutición profunda y estampado. Le viene el nombre por su usopara vainas de cartuchos.Latones al estaño, con proporciones en torno a 71 % de Cu, 28 % de Zn y1% de Sn, con muy buena ductilidad y resistencia a la corrosión marina, lla-mados por esta razón latones navales.La aleación Cu (85%), Zn (10%) y Si (5%), llamada bronsil, de fácil fusión,resistencia a la tracción de 60 Kg/mm2, alargamiento del 17%, buena tena-cidad y excelentes condiciones acústicas se utiliza para fabricación de cam-panas, válvulas, cojinetes, engranajes, etc.

Tradicionalmente se han llamado bronces a lasaleaciones de cobre y estaño, pero actualmente seaplica también esta denominación a todas las alea-ciones de cobre excepto a los latones.

El Sn en los bronces tiene una influencia parecidaa la del Zn en los latones, pero más enérgica. Son máscaros que los latones, pero dan productos de mejorcalidad y se trabajan más fácilmente. Su color varíadesde el rojo pálido (99% de Cu, 1% de Sn) al blanco(10% de Cu, 90% de Sn), pasando por todos los tonosintermedios.

La conductividad eléctrica está en razón directa alporcentaje de Cu. Por lo que se refiere a laspropiedades mecánicas, mejoran al aumentar el % deSn hasta el 11%, decreciendo después.

Turbina construida en bronce para suuso en una planta potabilizadora de aguade mar situada en la Comunidad autóno-ma de Canarias.

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3UNIDAD

Soportan mucho mejor que el cobre y los latones la acción corrosiva de los pro-ductos petrolíferos.

Algunas variedades de broncesBronce de medallas, con 5 a 8% de Sn, con muy buenas cualidades para mol-deo y resistencia a la corrosión.Bronce de cañones, que ya no se utiliza para este fin, con 8 a 11% de Sn,pero sí para elementos de máquinas (engranajes, cojinetes, casquillos) y vál-vulas bombas que han de trasegar productos corrosivos. Tiene muy buenascaracterísticas mecánicas.Bronce de campanas, con 20 a 22 % de Sn, duros y de gran sonoridad, máscaro pero de mejores características que el bronsil.Bronces al aluminio, también llamados cuproniquel (no contienen Sn, sino Cuy Al). Tienen mejor precio que los bronces ordinarios, empleándose paramonedas (buena resistencia al desgaste), ejes de bombas, turbinas y hélicespara la industria naval.Alpacas: contienen del 60 al 65% de Cu, 12 a 22% de Ni y resto de Zn. Sudureza llega a ser de 200 Hb y su principal característica es la inalterabilidadde su aspecto, por lo que se emplea para cuberterías y cajas de relojes.

Aleaciones de Níquel.Por su importancia, relacionamos dos que tienen un amplio uso industrial:

Metal monel: es una aleación de 65% de Ni, 28% de Cu y resto Fe, Mn y Co.Su característica principal es su carácter refractario frente a la oxidación y ala corrosión producida por muchas sustancias químicas ya que soporta,manteniendo sus cualidades, hasta los 800 ºC. Aceros maraging: existe una amplia gama de estas aleaciones, que tiene lacaracterística común de contener Fe en proporciones entre el 65 y el 75% yNi entre el 17 y el 22%. Otros elementos de aleación son Co, Mo, Ti y Al, afec-tando mucho su presencia en las propiedades finales. La presencia de car-bono se considera una impureza por lo que, aunque reciban el nombre de“aceros”, los incluimos en este apartado porque no son tales.Entre sus aplicaciones más importantes están: trenes de aterrizaje de losaviones (gran tenacidad y resistencia a la fatiga combinadas con una relativaelasticidad) recubrimientos para vehículos espaciales, engranajes y muellesespeciales, etc.

La producción de productos siderúrgicos es más de 20 veces superior a la del resto de metalesy aleaciones no férreas.Los avances en la tecnología de la extrusión han incrementado el uso del aluminio y sus aleaciones.El cobre es uno de los pocos metales que tiene aplicaciones industriales importantes sin estaraleado.Los bronces tienen características que los hacen especialmente aptos para servicios deresponsabilidad en el importante sector naval.Las aleaciones de níquel, de alto precio en general, son muy aptas para servicios a altastemperaturas por su marcado carácter refractario.NUNCADEBEMOS DECIR CUÁL ES EL MEJOR bronce, o aluminio, o acero o latón o ..., SINOCUÁL ES EL MÁS ADECUADO AL USO A QUE VAA IR DESTINADO.

R e c u e r d a

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7.- ¿Porqué, en los aceros para nitrurar, grupo 1700, no se indica si son aceros aleados oaceros al carbono?

a) Porque todos los aceros para nitrurar son aceros al carbono.b) Porque todos los aceros para nitrurar son aceros aleados.c) Porque es indiferente que sean aceros aleados o aceros al carbono para poder nitrurarse.d) No puede especificarse con más detalle, por la gran influencia de la temperatura sobre las

características finales.

8.- Una aleación suelda tanto mejor cuanto:

a) Menos carbono contenga.b) Más aluminio contenga.c) Más carbono contenga.d) Menos aluminio contenga.

9.- Las aleaciones que mejor absorben las vibraciones son:

a) Los aceros al vanadio.b) Las aleaciones pesadas.c) Las fundiciones grises.d) Las aleaciones ultraligeras.

10.- Los bronces son aleaciones de:

a) Cobre y cinc.b) Cobre y estaño.c) Cobre y cualquier otro metal excepto el cinc.d) Cobre y magnesio.

A c t i v i d a d e s

unidad 3 los materiales metálicos · descripción de los materiales metálicos de mayor uso y sus...

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