Propiedades mecánicas de materiales: Cohesión, Elasticidad, Plasticidad y Tenacidad, Apuntes de Ingeniería Industrial

¡Descarga Propiedades mecánicas de materiales: Cohesión, Elasticidad, Plasticidad y Tenacidad y más Apuntes en PDF de Ingeniería Industrial solo en Docsity! Existen unas transformaciones de importancia industrial que son las transformaciones sin difusión, que en un diagrama TTT se representan como líneas paralelas al eje de abscisas. Una transformación sin difusión es aquella que antes y después de la difusión tienen los mismos vecinos (átomos), es decir, no hay transporte de masa. Las transformaciones sin difusión pueden ser: · Con distorsión de red cristalina. · Con cambio en la estructura cristalina. Aplicaciones: al tener los mismos vecinos, al hacer el proceso inverso, se puede volver a la forma original. La transformación sin difusión más conocida es la transformación de austenita en martensita o también conocido como templado. Si se calienta la austenita y se enfría de golpe, no hay tiempo para que haya difusión, formándose una nueva fase: la martensita. ¿Qué es lo que hace que vuelva a su estado original? Los límites de grano y las dislocaciones. La educación del material depende del límite de grano y de las dislocaciones y, se tiene que realizar a una T elevada en la que haya difusión. Educación del material Tenemos una forma determinada y la calentamos hasta una temperatura muy superior a la temperatura austenítica. La aleación modifica su estructura y pasa a la nueva forma después de bajar la temperatura muy rápidamente. A esta temperatura tan alta sí que hay difusión. Los límites de grano y las dislocaciones se adaptan a la deformación provocada por la temperatura tan elevada. La aleación retiene esta forma ya que como la temperatura austenítica es menor que la temperatura elevada, no se produce difusión. Tenemos un hilo recto (%) de una aleación de Ni/Ti, con una vela lo calentamos y le damos forma de U. Esperamos que se enfríe y le damos la forma que queramos (S). Después calentamos con el secador y vuelve a la forma de U y no al hilo recto ya que la temperatura austenítica es inferior a la temperatura que alcanzamos con la vela. Si tenemos un material a temperatura superior a su temperatura austenítica no lo podemos deformar, debemos enfriarlo para que se pueda deformar. 7. Propiedades mecánicas de los materiales 7.1 Definición de conceptos: cohesión, elasticidad, plasticidad y tenacidad La propiedad mecánica es la respuesta del material a un estímulo mecánico. · Cohesión: es la capacidad que tiene un material de mantener unidos los átomos o moléculas que constituyen su estructura y que nosotros medimos con la propiedad de la dureza. · Elasticidad: es la capacidad que tiene un material de recuperar la forma original después de que sobre el mismo cese la fuerza que provoca la deformación. Hablamos de deformación no permanente. 15 · Plasticidad: es la capacidad que tiene un material de deformarse permanentemente sin llegar a romperse. Puede darse: ductilidad o maleabilidad. Ductilidad: es la capacidad que tiene un material de formar hilos.• Maleabilidad: es la capacidad que tiene un material de formar láminas.• Se habla de superplasticidad cuando los materiales pueden deformarse sin romperse en condiciones extremas, ésta es propia de las aleaciones y plásticos. · Tenacidad: es la capacidad que tiene un material de resistir un impacto sin romperse. Puede descomponerse en: Resilencia: capacidad del material de absorber la energía del impacto sin generar deformación permanente. • Tenacidad: es la capacidad total que tiene un material de resistir un impacto sin romperse en la zona elástica. • · Resistencia (strenght): máxima deformación que aguanta un material en la zona elástica, es el llamado límite elástico. Todas estas propiedades se determinan, en probetas, mediante ensayos: dureza, esfuerzo−deformación y ensayo de resistencia; a partir de aquí calculamos los valores de las propiedades. 7.2 Dureza: definición y medida Existen tres tipos de ensayos de dureza: Penetración: se hace penetrar algo (identador) en la superficie del material y se analiza la huella del material. Se realiza para los materiales metálicos. • Dinámicos (Rebote): se aplica un estímulo al material y medimos la respuesta al estímulo. Se usa para plásticos y elastómeros (polímeros orgánicos). • Rayado: se hace entrar en contacto una superficie sobre unos materiales que conocemos su dureza y miramos cuál es el primero que raya y el último que no raya. Se usa para recubrimientos y pinturas. • Ensayos de penetración · Brinell: se basa en que la máquina aplica un esfuerzo sobre el material a estudiar. La bola penetra en el material y calcula la dureza en unidades Brinell como la relación de la carga aplicada respecto a la huella que deja. Al tratarse de un sistema de dureza que se calcula la relación es independiente de la carga aplicada. Inconvenientes: Hay que medir la huella.• La muestra ha de tener un grosor mínimo (10 veces superior a la profundidad de la huella) y un ancho mínimo (3 veces superior al diámetro de la bola). • Al ser la bola de acero sólo puede aplicarse a materiales más blandos que el propio acero siendo el valor máximo de dureza a aplicar de 500HB. • · Rockwell: se aplica un pequeño esfuerzo al identador para que quede bien fijado, se le aplica la carga de medida y penetra. Se mide la profundidad de penetración desde el punto de fijado hasta donde ha llegado el identador. En este ensayo no existe relación entre 16 Existen dos tipos de fracturas: Fractura frágil: supone la separación brusca de las dos partes sin deformación permanente, es visiblemente apreciable. • Fractura dúctil: antes de la rotura se observa una deformación permanente.• A continuación se estudian los dos tipos de fractura más a fondo: 8.1 Fractura frágil Este tipo de fractura se suele producir una mala elección del material o por un mal diseño. Características: Este tipo de fractura es típica de materiales sin zona plástica.• Es típica de materiales con zonas de acumulación de tensiones.• Las temperaturas bajas favorecen este tipo de fractura. Para un determinado material puede determinarse una temperatura por debajo de la cual el material puede romperse por fractura frágil, esta temperatura se conoce como temperatura de transición de fractura frágil. Existe también una temperatura correspondiente para el caso de fractura dúctil. • Cómo saber si un material se ha roto por fractura frágil?? La superficie de fractura no presenta deformación macroscópica a simple vista. Suele ser brillante y sin rugosidades. Si observamos la fractura a nivel microscópico se observa que (a) aparecen unas marcas que indican la situación de la acumulación de tensiones antes de la rotura (las marcas son perpendiculares a la fractura y en forma de círculos concéntricos) y que (b) la propagación de la grieta sobrepasa el límite de grano (transgranometalmente), aunque no supone un freno para la propagación; si a través del límite de grano hay fractura entonces el límite de grano está fragilizado. A nivel atómico (para materiales atómicos) se produce la separación brusca de dos planos (no hay deslizamiento). 8.2 Fractura dúctil Características: Este tipo de fractura es típica de materiales con zona plástica.• Es típica de materiales sin zonas de acumulación de tensiones.• Las temperaturas elevadas favorecen este tipo de fractura. Para un determinado material puede determinarse una temperatura por debajo de la cual el material puede romperse por fractura dúctil, esta temperatura se conoce como temperatura de transición de fractura dúctil. • Cómo saber si un material se ha roto por fractura dúctil?? La superficie de fractura no es brillante y presenta rugosidades. 8.3 Fatiga de los materiales Todo material sometido a tensiones cíclicas fluctuantes inferiores al límite de rotura del material acaba 19 rompiéndose por fatiga. No todos los materiales tienen la misma resistencia. La resistencia media es la representada en el diagrama resistencia−elongación. Las zonas de acumulación de tensiones son las zonas de menor grosor: la tensión nominal que soporta puede superar la tensión promedio. Las dislocaciones ayudan a que el material se debilite. Las grietas se van propagando ciclo a ciclo hasta que son tan grandes que el material no soporta la tensión nominal, entonces el material se rompe por fractura frágil o dúctil dependiendo de la temperatura. Se observan unas líneas más o menos concéntricas con origen. Cuanto mayor sea su proximidad entre ellas, más cerca se encontrarán del origen. Estas líneas concéntricas se llaman estrías y cada estría representa un ciclo de funcionamiento de la pieza. Existen unas marcas más anchas llamadas marcas de parada que aparecen cuando el material ha dejado de soportar la tensión cíclica. Ensayo en funcionamiento: Este ensayo permite saber la tensión máxima que se podría aplicar sin que se produjera fatiga haciendo un uso correcto. Este ensayo se debe realizar cuando se diseña el material. X: nº de ciclos que aguanta el material sin romperse al 100% de tensión. Y: % de tensión aplicada. Cuando el material está sometido a tensiones altas con poca propagación de grieta se produce una rotura rápida. Se observa una pequeña zona donde hay marcas de parada y una gran zona que corresponde a la fractura. Las zonas de acumulación de tensiones son el origen de propagación de la grieta. Para tensiones bajas se da el proceso contrario. Existe una gran zona con estrías y marcas de parada. En función de la disposición de las marcas de parada se puede determinar si hay zonas de acumulación de tensiones. 8.4 Fluencia térmica Materiales sometidos a tensiones constantes y a temperaturas elevadas respecto a cada material. Este fenómeno es de gran importancia en materiales refractarios. Etapas: Fluencia primaria o primera fase: al aplicar un esfuerzo el material se deforma permanentemente.• Fluencia secundaria: se va produciendo una deformación constante en el tiempo. El material se está endureciendo pero al mismo tiempo está a temperatura elevada y se produce reblandecimiento. La pendiente es función de la relación endurecimiento−reblandecimiento. La fluencia secundaria debe ser lo más larga posible. • Fluencia terciaria: material muy deformado. El material se deforma rápidamente y acaba rompiéndose.• Diseño de un material para que resista una fluencia 20 Materiales cuya temperatura de fusión sea muy elevada.• Módulo de Young elevado. Cuanto mayor sea su valor, más tardará en llegar al límite elástico (costará más deformar). • Proceso de temperatura tan alta que haya recristalización. Los límites de grano ya no hacen de barrera. Necesitamos que los materiales sean monocristalinos (sin límite de grano) hecho que produce que no haya fluencia por los límites de grano. • 11. Descripción de los principales materiales metálicos I. Materiales férricos Debido a la obtención de Fe mediante reacción con el C, la concentración del C en Fe puede ser hasta un 6,67%. Existen dos tipos de aleaciones base Fe: Aleaciones férricas llamadas también aceros (steel): su contenido en C no supera el 1,76%.• Fundiciones: su contenido en C va de 1,76% hasta 6,67%.• Vamos a estudiar más a fondo estos dos tipos de aleaciones. 11.1 Aceros El Fe presenta alotropía. A Tamb tenemos Fe (ferrita), de estructura cristalina bcc. Puede disolver una cantidad baja de C (0,002% de C como máximo). Es la fase estable. Al aumentar la temperatura hasta unos 800ºC se produce un cambio de Fe a Fe (ferrita) cuya estructura es bcc. La diferencia entre ambas es que Fe es magnética y, en cambio, Fe es amagnética. A una temperatura de 910ºC se observa el cambio a Fe (austenita) cuya estructura es fcc. La capacidad de disolver C es función de la temperatura y el máximo que puede llegar a disolver es de 1,76% a una temperatura aprox. de 1130ºC. 21 desee. Siempre habrá S y Mn. El S es inevitable ya que se obtiene del propio metal. Se añade Mn para evitar fragilización por sulfuros. • Lista de aceros inoxidables austeníticos La cantidad de Ni es apreciable.• Algunos aceros con % de Ni bajos tienen cantidades en Mn y C altas. Se observa que los valores para el C son más bajas que para los ferríticos ya que no nos interesa la dureza. Hay interés en resistencia a la corrosión. • 11.2 Diagrama Fe−C 24 2 00eXR F das rre J rue? CRTICAS ESTSV TOMALAS LL METALS -menaapor 158 Usar" Y, do tiotreo Brasr*-04%0. / Cd q | 10, 7 ! Lars 1104100 ¡pS Fs a SoltPhción J lo. USTENITA % | el _gretito raso | | SJ] 1 esoo AUSTENITA / 4 - J 300 Í 70UDG 1] 707 ect 1 Te 2300 l £¿/QuIDo Egeo po z y , ¿nl SUSTENITA O IS PS | ZORO 1330 % 100 | y > - * ! S 109 i Y $ 209 T = j / | cEmEnTIzA A AUSTENITA Gerorutect | 6-310* y : z Re 1760 »00 CEMENTITA MiS CLEMENT) | PIT TRRT LAA >? ES ” ámbio mogreticg de JAUSTEMITA LEDEBURITA $ lo) FERRITA , * 100 Márasrirs Y2 DN Heamercra El EST, / Aproeutector | | Sr ASTEDITAS LA pl 2 S>Eurecrolde Astor 723n 00 y | ÑO zo 773 Lemite de la PERLRA | FERRITA 1 | 209. + - - noe E j ¡ E | 0 AN CEMENTITA, FERATIT Ni EMRTIA VAPOR AL ap Larcertectaide] Y forerutrrtosae) + le * 2 * CEMENTIZA % CEMENTIA PERLITA 9777 Lorortectordel proevtectora) Flo A A e wAb—- -= E TEMENTITA TERENTITA A Levtectios] Cevtectias) pre MS + a $ € PERLITA * PERCITA 00 —+ Le E 4 r SS ! Lao S so JP — — : ro al - > VAMBID MASRETICO DELA CEMENTITA ¡ - pe | 100 pa ze pexe «sx ESPE Pa ! X E 2 == se : + pa T y T T A Y 1er a 15 cerro Y 3 4 5 e ze , : , . . LL 15 30 45 60 +5 10 100 KCFe5 ACERO Le FUNDICION BLANCA Í < MIPOELTE CIRIO zar | MIPOEUTECTICA MUPERLUTECTA EUIIDICION GRIS [EN DIAGRAMA MIERRO > GRAFITO) 25 La parte derecha del diagrama corresponde a las fundiciones. Eutéctico: temperatura y composición donde pasamos de líquido a sólido como si la aleación fuese un material puro dando lugar a una fase formada por la unión íntima de dos sólidos. El punto eutéctico supone una disminución considerable de la temperatura. En las fundiciones puede haber grafito rico en C. En el diagrama se puede observar: Línea continua: diagrama de la cementita como fase rica en C.• Línea discontinua: diagrama del grafito como fase rica en C.• Estas dos líneas son las dos opciones posibles en las fundiciones. Potencial de grafitización: es un parámetro que es función de la composición y velocidad de enfriamiento. Cuando su valor es bajo tenemos cementita, por el contrario, si su valor es alto tenemos grafito. Obtención de grafito: El elemento clave en la composición del grafito es el Si, el cual favorece la nucleación del grafito frente a la cementita. Pueden ocurrir dos cosas: Si el potencial de grafitización es bajo: significa poca cantidad de Si y velocidad rápida. Se forma cementita y la fase rica en hierro que es austenita. Esta austenita cuando alcance la temperatura austenítica se convertirá en perlita (720ºC). • Cementita + perlita ! fundición blanca Se distingue una fundición blanca cuando la superficie de fractura tiene color gris metálico. Si el potencial de grafitización es alto: hay una concentración alta en Si y la velocidad es lenta. Se forma austenita y grafito. Si el potencial se va manteniendo al final tendremos ferrita y, la perlita no se formará ya que no habrá C. • Se producen fundiciones grises, que se distinguen porque al romperse y observarse la superficie de fractura el color es gris oscuro. 11.3 Fundiciones · Si la fundición blanca se calienta a 800ºC durante 30 horas se obtiene una fundición gris con grafito globular. · En una fundición gris el grafito es flocular (es alargado acabado en punta). Estas zonas tan agudas son zonas de acumulación de tensiones. Se obtiene un grafito que puede fragilizar el material. Para un potencial de grafitización alto se añaden pequeñas cantidades de Mg/Ce que favorece la formación de un grafito nodular y focular (salen de él ramificaciones). 26