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• Eduardo Yepez

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DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y PLÁSTICA

Deformación elástica, base atómica del comportamiento elástico. Deformación plástica. (Mecanismos de deformación).

Ensayos para determinar propiedades mecánicas: tracción, compresión, impacto, dureza Deformación por trabajo en frío y caliente. Fractura dúctil, frágil y fatiga.

Diferencia las diferentes formas de manufacturas con materiales metálicos.

DEFORMACIÓN DE LOS METALES

Es el cambio en el tamaño o forma de un metal debido a la aplicación de una o más fuerzas sobre el mismo. Los procesos de deformación de metales aprovechan las propiedades de flujo plástico del material a medida que es deformado para producir la forma deseada. Además de esto es bueno recalcar que las deformaciones en los metales pueden ocurrir a diferentes temperaturas.

DEFORMACIÓN DE LOS METALES Las deformaciones en los metales pueden ocurrir a diferentes temperaturas. • Al frío: El material se deforma a temperaturas que están por debajo de la temperatura de rescristalización. Esto resulta en un proceso más barato que si se trabajara al caliente. • En caliente: El material se deforma a temperaturas que están por encima de la temperatura de rescristalización. Esto permite que la pieza pueda ser deformada a un nivel más alto que si se trabajara al frío. • Isotérmica: La deformación ocurre a una temperatura de operación constante. • Tibio: Las temperaturas son entre trabajo al frío y al calor, es un punto intermedio que puede ser una alternativa cuando los extremos son muy costosos.

TIPOS DE DEFORMACIONES Deformación elástica o reversible: El cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En este tipo de deformación, el sólido, al variar su estado de tensión y aumentar su energía interna en forma de energía potencial elástica, solo pasa por cambios termodinámicos reversibles. Deformación plástica o irreversible: Modo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque, en la deformación plástica, el material experimenta cambios termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica. La deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible.

DEFORMACIÓN ELÁSTICA BASE ATÓMICA DEL COMPORTAMIENTO ELÁSTICO Las propiedades mecánicas engloban la respuesta de los materiales en estado sólido a las cargas externas. • Si consideramos dos átomos unidos, entre ellos se establecen unas fuerzas de atracción y de repulsión que se compensan siempre que se mantenga entre ellos la distancia interatómica. • Si sobre ellos se ejerce una presión o carga que tienda a aproximarlos la distancia interatómica se acortará y se incrementara las fuerzas de repulsión. • De la misma manera si intentamos separarlos aumentarán las fuerzas de atracción, para mantener la distancia interatómica. • Si extrapolamos lo que sucede con dos átomos con lo que sucedería con el conjunto de átomos que forman un cuerpo, es fácil comprender que cuando se aplica una fuerza externa a un cuerpo, denominada carga, se crea en su interior una reacción que se le opone, denominada tensión, y un cambio de forma, denominado deformación.

TENSIÓN Es la reacción que se produce en el interior de un sólido cuando sobre el se aplica una carga, La tensión es siempre de la misma magnitud y de sentido contrario a la carga aplicada. Según la dirección, el sentido y el punto de aplicación de la carga tenemos tres tipos de tensión: Tensión de compresión: Es la que se opone a una fuerza que tiende a comprimir el cuerpo. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de igual dirección y sentido contrario y convergente. Tensión de tracción: Es la que se opone a una fuerza que tiende a estirar el cuerpo. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de igual dirección y sentido contrario y divergentes Tensión tangencial: Es la que se opone a un movimiento de torsión o de desplazamiento de una parte del cuerpo hacia otra. Se produce sometiendo al cuerpo a dos cargas de direcciones paralelas y sentido contrario, convergente o divergente. También se denomina Tensión de corte, cizalla o flexión.

ENSAYOS PARA DETERMINAR PROPIEDADES MECÁNICAS ENSAYO DE TRACCIÓN El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada realizada con dicho material a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en una ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε=10-4 a 10-2 s-1).

Máquina para ensayo de tensión por computadora

ENSAYO DE TRACCIÓN O TENSIÓN. Consideremos una varilla cilíndrica de longitud lo y una sección transversal de área Ao sometida a una fuerza de tensión uniaxial F, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. a) Barra antes de aplicarle la fuerza. b) Barra sometida a una fuerza de tensión uniaxial F que alarga la barra de longitud lo a l.

Por definición, la tensión s en la barra es igual al cociente entre la fuerza de tensión uniaxial media F y la sección transversal original Ao de la barra.

ENSAYO DE TENSIÓN Y DIAGRAMA DE TENSIÓN DEFORMACIÓN El ensayo de tensión se utiliza para evaluar varias propiedades mecánicas de los materiales que son importantes en el diseño, dentro de las cuales se destaca la resistencia, en particular, de metales y aleaciones. En este ensayo la muestra se deforma usualmente hasta la fractura incrementando gradualmente una tensión que se aplica uniaxialmente a lo largo del eje longitudinal de la muestra. Las muestras normalmente tienen sección transversal circular, aunque también se usan especímenes rectangulares. (Figura 3).

Durante la tensión, la deformación se concentra en la región central más estrecha, la cual tiene una sección transversal uniforme a lo largo de su longitud. La muestra se sostiene por sus extremos en la máquina por medio de soportes o mordazas que a su vez someten la muestra a tensión a una velocidad constante.

ENSAYO DE TENSIÓN Y DIAGRAMA DE TENSIÓN DEFORMACIÓN La máquina al mismo tiempo mide la carga aplicada instantáneamente y la elongación resultante (usando un extensómetro). Un ensayo de tensión normalmente dura pocos minutos y es un ensayo destructivo, ya que la muestra es deformada permanentemente y usualmente fracturada.

Sobre un papel de registro, se consignan los datos de la fuerza (carga) aplicada a la muestra que está siendo ensayada así como la deformación que se puede obtener a partir de la señal de un extensiómetro. Los datos de la fuerza pueden convertirse en datos de tensión y así construirse una gráfica tensión – deformación, como la que se observa en la figura 5.

En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos: • Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad anterior. • El modulo de elasticidad o módulo de Young, que puede definirse como el esfuerzo máximo que puede soportar un material sin experimentar deformación plástica. E=σ/ε E: modulo de elasticidad (psi) σ: esfuerzo (psi) ε: deformación (%) De la curva esfuerzo deformación, puede obtenerse el modulo de elasticidad determinando la pendiente de la recta en la zona elástica. A partir de esta puede establecerse que un material con modulo de elasticidad alto es mas difícil deformarlo para el mismo esfuerzo. • Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y la acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza.

• Límite de proporcionalidad valor de la tensión por debajo de la cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada. • Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tensión que soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada. • Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la tensión a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en función del extensómetro empleado. Limite de Elasticidad o esfuerzo de fluencia convencional: Puede definirse como la tensión a la cual un material sufre deformación plástica significativa. Debido a que no hay punto definido en la curva que indique donde acabe la deformación plástica, se establece cuando tiene lugar un 0.2% de deformación plástica. Se obtiene trazando una línea paralela a la línea de deformación elástica y donde corte la curva esfuerzo deformación, se lee el esfuerzo de fluencia en el eje y de la curva.

• Carga de rotura o resistencia a la tracción: carga máxima resistida por la probeta dividida por la sección inicial de la probeta. Resistencia a la Tensión ó resistencia máxima a la tensión: Es la tensión máxima alcanzada en la curva esfuerzo deformación. Esta se determina dibujando una línea horizontal desde el punto máximo de la curva esfuerzo deformación hasta el eje de tensiones. Este esfuerzo no es tan útil para el diseño mecánico, ya que en este punto se obtiene demasiada deformación plástica. • Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en tanto por ciento. • Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de la rotura. Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya que carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de Young, ya que éste es característico del material; así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes.

Curvas tensión-deformación de diferentes metales

Curvas tensión-deformación de diferentes aceros

Hoja de registro de ensayo de tensión y cálculos de ε y σ

Probeta de cobre antes del ensayo de tensión por computadora.

Probeta de cobre fractura en el ensayo de tensión.

Gráfica obtenida por computadora en el ensayo de tensión. Curva tensión-deformación.

Diagrama de tensión deformación típico de un acero de bajo límite de fluencia.

ENSAYO DE COMPRESIÓN En ingeniería, el ensayo de compresión es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales (sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material. Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en una máquina universal.

Ensayo de compresión de una probeta cilíndrica de hormigón.

La misma probeta después de la rotura a compresión.

MÁQUINA UNIVERSAL En ingeniería se denomina máquina universal a una máquina semejante a una prensa con la que es posible someter materiales a ensayos de tracción y compresión para medir sus propiedades. La presión se logra mediante placas o mandíbulas accionadas por tornillos o un sistema hidráulico. Esta máquina es ampliamente utilizada en la caracterización de nuevos materiales. Así por ejemplo, se ha utilizado en la medición de las propiedades de tensión de los polímeros.

Ensayo a flexión.

b)

ENSAYO DE FATIGA La vida a fatiga se puede definir como el "fallo debido a cargas repetitivas ... que incluye la iniciación y propagación de una grieta o conjunto de grietas hasta el fallo final por fractura" (Fuchs, 1980). El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseño, o su durabilidad, bajo condiciones de carga simples o complejas conocidas como cargas de servicio. Los resultados del análisis de fatiga se representan mediante contornos en color que muestran la duración de los ciclos de carga que la estructura puede soportar antes de que se inicie cualquier grieta.

FIGURA 20

Un ensayo especial es el ensayo de fatiga con probeta rotatoria (Figura 20), en el cual una probeta se hace girar por medio de un motor, mientras se le aplica una carga conocida. La probeta queda sometida a una flexión alternada, que se traduce en que un punto cualquiera de la probeta queda sometido a un ciclo de cargas que va de tracción a compresión. Esto produce fisuras que se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un punto tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe. La Figura 21 muestra la probeta estandarizada que se usa en este ensayo.

El análisis de fatiga se basa en la regla de Miner de daño acumulado para estimar la vida a fatiga a partir de una historia de tensiones o deformaciones. La estimación se realiza reduciendo los datos de carga a una secuencia de picos y valles, contando los ciclos y calculando la vida a fatiga. Para realizar un análisis a Fatiga o de durabilidad, se debe proporcionar información específica para el análisis de fatiga: • Propiedades a fatiga de los materiales • Variación de las cargas a fatiga • Opciones de análisis a fatiga Fases de un Fallo por Fatiga Los fallos por Fatiga se producen en tres fases: Fase 1 (Iniciación): Una o más grietas se desarrollan en el material. Las grietas pueden aparecer en cualquier punto del material pero en general ocurren alrededor de alguna fuente de concentración de tensión y en la superficie exterior donde las fluctuaciones de tensión son más elevadas. Las grietas pueden aparecer por muchas razones: imperfecciones en la estructura microscópica del material, ralladuras, arañazos, muescas y entallas causados por las herramientas de fabricación o medios de manipulación. En materiales frágiles el inicio de grieta puede producirse por defectos del material (poros e inclusiones) y discontinuidades geométricas.

Fase 2 (Propagación): Alguna o todas las grietas crecen por efecto de las cargas. Además, las grietas generalmente son finas y de difícil detección, aun cuando se encuentren próximas a producir la rotura de la pieza. Fase 3 (Rotura): La pieza continúa deteriorándose por el crecimiento de la grieta quedando tan reducida la sección neta de la pieza que es incapaz de resistir la carga desde un punto de vista estático produciéndose la rotura por fatiga. Variando el peso aplicado en el ensayo, y anotando la cantidad de ciclos que la probeta resistió antes de romperse, se puede obtener el gráfico de la Figura 22. La curva es decreciente hasta el millón de ciclos, luego de los cuales la probeta no se rompe. Esta carga que no logra romper la probeta, es la carga de vida infinita y el esfuerzo que provoca es el llamado límite de resistencia a la fatiga: Se . Este valor Se se utilizará para diseñar elementos sometidos a cargas fluctuantes, como es el caso de los ejes en general.

EL ENSAYO DE DUREZA La dureza es una propiedad fundamental de los materiales y esta relacionada con la resistencia mecánica. la dureza puede definirse como la resistencia de un material a la penetración o formación de huellas localizadas en una superficie. Cuanto mas pequeña sea la huella obtenida en condiciones normalizadas, mas duro será el material ensayado. el penetrador en un ensayo de dureza es generalmente una esfera, pirámide o cono hecho de un material mucho mas duro del que se ensaya, como por ejemplo acero endurecido, diamante o carburo de tungsteno sinterizado. La escala de Mohs es una relación de diez materiales ordenados en función de su dureza, de menor a mayor. Se utiliza como referencia de la dureza de una sustancia. Fue propuesta por el geólogo Friedrich Mohs y se basa en el principio que una sustancia dura puede rayar a una sustancia más blanda, pero no es posible lo contrario. Mohs eligió diez minerales a los que atribuyó un determinado grado de dureza en su escala empezando con el talco, que recibió el número 1, y terminando con el diamante, al que asignó el número 10. Cada mineral raya a los que tienen un número inferior a él, y es rayado por los que tienen un número igual o mayor al suyo.

Escala Mohs (1882) Dureza Mineral

Comentario

Composición química

1

Talco

Se puede rayar fácilmente con la uña

Mg3Si4O10(OH)2

2

Yeso

Se puede rayar con la uña con más dificultad CaSO4·2H2O

3

Calcita

Se puede rayar con una moneda de cobre

CaCO3

4

Fluorita

Se puede rayar con un cuchillo

CaF2

5

Apatito

Se puede rayar difícilmente con un cuchillo

Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)

6

Ortoclasa

Se puede rayar con una lija de acero

KAlSi3O8

7

Cuarzo

Raya el vidrio

SiO2

8

Topacio

Raya a todos los anteriores

Al2SiO4(OH-,F-)2

9

Corindón

Zafiros y rubíes son formas de corindón

Al2O3

10

Diamante

Es el mineral natural más duro

C

EL ENSAYO DE DUREZA

Durómetros Equipos antiguos de medición de dureza

Equipo moderno de medición de dureza

En metalurgia la dureza se mide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza. El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido. Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.

IDENTADOR O PENETRADOR

Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes: Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción. Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar. Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella. Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muy delgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial. Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000. Dureza Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.

Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:

Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2mm de espesor. Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.

Ciencia e ingeniería de materiales ASKELAND Propiedades mecánicas de los materiales SENA, NOE PEÑA