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• Erick Leppe

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Introducción

Los tratamientos térmicos son una herramienta muy utilizada para la obtención de propiedades mecánicas adecuadas necesarias en determinados procesos de producción pueden utilizarse para homogeneizar el fundido de las aleaciones metálicas, para mejorar su ductilidad en caliente, para ablandar los metales antes o durante su procesamiento en frío o en caliente, o para modificar su microestructura con el fin de obtener las propiedades mecánicas deseadas. También se utiliza el tratamiento térmico de aleaciones metálicas para modificar la estructura química superficial de los materiales. Este objetivo se logra mediante la difusión de carbono, nitrógeno y otros materiales sólidos o gaseosos en la superficie del componente. Estos procesos se utilizan para obtener superficies con una dureza determinada y para mejorar su resistencia al desgaste, la corrosión y la fatiga. Los materiales metálicos constituyen los materiales fundamentales para ingeniería, o al menos así ha sido tradicionalmente. La extensión en el empleo estructural del acero principalmente, o del aluminio en determinadas industrias, hace imprescindible el estudio de este tipo de materiales. Es preciso detenerse a comprender cómo se proporciona a un material metálico la forma apropiada para su aplicación en ingeniería.

Objetivos

General 

Conocer los ensayos mecánicos que se realizan a los materiales para así conocer sus usos.

Específicos   

Aprender los usos de los materiales metálicos, así como sus usos estructurales y formas físicas en las que lo podemos encontrar. Conocer las ventajas y desventajas que presentan los tratamientos térmicos realizados en frío. Saber las principales características de los tratamientos térmicos que se realizan en frío.

Aleaciones Una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Las aleaciones son sólidos con aspecto y características metálicas, salvo las amalgamas, en las que interviene el mercurio, que son semisólidas. Ferrosas: son aquéllas en las que el principal componente es el hierro. Gran interés como material para la construcción de diversos equipos y su producción es muy elevada, debido a la abundancia de hierro en la corteza terrestre, la técnica de fabricación del acero es económica, posee una alta versatilidad, y como inconveniente es de fácil corrosión. Este tipo de aleaciones constituyen más del 90 por ciento de los materiales metálicos empleados por el hombre, estas se dividen en dos grandes grupos en base al contenido de carbono presente; Aceros, que se comprenden del 0.05 al 2.00 por ciento y, Fundiciones, que comprenden de más de 2.0 a 4.5 por ciento. Los Aceros se pueden clasificar en base al porcentaje de otros elementos aleantes distintos al carbono presentes; menor al 5 por ciento se le conoce como Acero de baja aleación y, mayor al 5 por ciento como Acero de alta aleación. Las Fundiciones pueden ser clasificadas como blancas, grises, dúctiles, maleables atruchadas, las primeras en base al color que presenta la superficie o área de rotura y el resto en función de la mejora en las propiedades mecánicas. No ferrosas: las aleaciones de materiales no ferrosos son aquellas que no contienen fierro, o contienen cantidades relativamente pequeñas de hierro, como, por ejemplo, aluminio, cobre, zinc, estaño y níquel. Sus propiedades son alta resistencia a la corrosión, elevada conductividad eléctrica y térmica, baja densidad y facilidad de producción. Estas aleaciones pueden ser por tratamiento térmico o por precipitación. Muchas aleaciones contienen elementos no metálicos, así como el carbono es el componente esencial en los aceros, el fósforo otorga características especiales a los bronces fosforosos. Se distinguen aleaciones moldeables, que no se deforman suficientemente y aleaciones hechurables, en función de la facilidad de deformación plástica.

Superaleaciones: se les conoce como superaleaciones ya que resisten las condiciones más críticas, cargas elevadas, alta temperatura y un ambiente agresivo, son caros pero su aplicación se ha ido extendiendo. La aleación de níquel-aluminio se llama duraníquel, alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica similar a los aceros. El permaníquel es una aleación de níquel-cobalto-fierro-carbono-manganeso-siliciotitanio-magnesio, buena resistencia a la corrosión, buena conductividad eléctrica y térmica y propiedades magnéticas, pero disminuye su dureza al aumentar la temperatura. Las Superaleaciones base níquel presentan una de las mejores relaciones propiedades/estructura de todas las Superaleaciones en el rango de temperaturas entre 650 y 1100°C. Poseen buena resistencia a tracción a elevada temperatura, resistencia a rotura por fluencia hasta 5000 horas, resistencia a la oxidación en caliente y resistencia a fatiga térmica a altos y bajos ciclos, con el fin de asegurar entre 20 000 y 50 000 horas de vida. La red FCC del níquel desempeña un papel importante en las propiedades a alta temperatura.

Ensayos destructivos Ensayos mecánicos: se entiende por ensayos mecánicos, aquellos que pretenden medir la capacidad de un material para soportar esfuerzos de diferente tipo. 

Estáticos: dureza, tracción, compresión, cizallamiento, pandeo, torsión, flexión

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Destructivos Dinámicos: de resistencia al choque y fatiga

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Tecnológicos: De chispa, de plegado, de embutición, de forja

Para los ensayos destructivos, suele usarse una probeta construida con el material que se desea ensayar y que servirá para una sola aplicación. Una probeta es una porción del material a ensayar con una forma y unas dimensiones determinadas que se encuentran normalizadas estas probetas y/o especímenes sufren cambios irreversibles como producto de la prueba. Las probetas se usan una vez y se descartan. En muchos casos, las probetas deben ser maquinadas y modificadas para adecuarse a estándares antes de la prueba en sí. El uso de un material depende de ciertas propiedades características que varios ensayos destructivos han demostrado que posee.

Ensayos destructivos:        

Ensayo de tracción Ensayo de rotura. Ensayo de compresión. Ensayo de corte o de cortadura Ensayo de fatiga. Ensayo de dureza. Ensayo de Resiliencia Ensayo de cizalladura

Ensayo de tracción: el ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la misma. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas. En este ensayo pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos: o Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad anterior. o Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza. o Límite de proporcionalidad: valor de la tensión por debajo de la cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada. o 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. o Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la tensión a la que se produce un alargamiento prefijado, es la máxima tensión aplicable sin que se produzcan deformaciones permanentes en el material. o Carga de rotura o resistencia a tracción: carga máxima resistida por la probeta dividida por la sección inicial de la probeta. o 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.

Ensayo de compresión: 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.

o Se suele usar en materiales frágiles. o La resistencia en compresión de todos los materiales siempre es menor que en tracción. Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en una máquina universal.

Ensayo de corte: El ensayo de corte directo consiste en hacer deslizar una porción de suelo, respecto a otra a lo largo de un plano de falla predeterminado mediante la acción de una fuerza de corte horizontal incrementada, mientras se aplica una carga normal al plano del movimiento. Los aspectos del corte que nos interesa cubrir pueden dividirse en cuatro categorías: a. Resistencia al corte de un suelo no cohesivo (arenas y gravas) que es prácticamente independiente del tiempo. b. Resistencia al corte drenado para suelos cohesivos, en que el desplazamiento debe ser muy lento para permitir el drenaje durante el ensayo. c. Resistencia al corte residual, drenado, para suelos tales como arcillas en las que se refieren desplazamientos muy lentos y deformaciones muy grandes. d. Resistencia al corte para suelos muy finos bajo condiciones no drenadas en que el corte es aplicado en forma rápida.

Ensayo de fatiga: Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia. Es el caso de los árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los cojinetes, los muelles. Cuando un material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentido continuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión constante. Si a un material se le aplican tensiones repetitivas (cíclicas) de tracción, compresión, flexión, torsión, etc., comenzaremos por medir los valores de los esfuerzos a que están sometidas las piezas – El valor máximo de la tensión a que está sometida – El valor mínimo de la tensión

– La diferencia entre el valor máximo y mínimo – El valor medio (σmed) Ensayo de dureza: Por dureza se suele entender la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por una pieza de otro material distinto. La dureza depende de la elasticidad del material y de su estructura cristalina. Particularmente, en los metales puros la dureza aumenta proporcionalmente a la cohesión y número de átomos por unidad de volumen. En las aleaciones la dureza aumenta con los tratamientos térmicos o con el endurecimiento por deformación. La dureza está ligada al comportamiento de un material frente a la abrasión o desgaste y la facilidad con que puede ser sometido a mecanizado. o Dureza Martens: se emplea un cono de diamante con el que se raya la superficie del material cuya dureza se quiere medir. La dureza en este ensayo es inversa de la anchura de la raya obtenida cuando se aprieta con una fuerza determinada y constante al cono de diamante contra la superficie del material. Se utiliza el valor inverso de la anchura de la raya para que a los materiales más duros les corresponda una dureza mayor. o Ensayo Brinell: la dureza se calcula dividiendo el valor de la fuerza aplicada al penetrador entre la superficie de la huella que produce en el material. Para medir el diámetro d de la huella se utiliza una lupa microscópica. Para que no se obtengan valores falsos en las mediciones, es necesario que la huella no presente realces ni rebajes en sus bordes. Para poder conseguirlo, el diámetro de la huella ha de cumplir la condición 0.25D