La tenacidad de un material es un término que se utiliza en va, Apuntes de Ingeniería Química

¡Descarga La tenacidad de un material es un término que se utiliza en va y más Apuntes en PDF de Ingeniería Química solo en Docsity! M. Amutio 1 TENACIDAD 1. Introducción La tenacidad de un material es un término que se utiliza en varios contextos. En un sentido muy amplio, la tenacidad es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría del material y la forma en que se aplica la carga son importantes en la determinación de la tenacidad. En caso de que tengamos una situación estática (baja velocidad de deformación), la tenacidad puede ser evaluada a partir de los resultados del ensayo de tracción: es el área bajo la curva σ- є hasta la fractura. Las unidades de tenacidad son energía por unidad de volumen del material. Para que un material sea tenaz, debe poseer tanto alta resistencia como ductilidad; y, a menudo, los materiales dúctiles son más tenaces que los frágiles, como se observa en la Figura 1. Aun cuando los materiales frágiles tienen mayor límite elástico y mayor resistencia a la tracción, tienen menor tenacidad que los dúctiles a causa de la falta de ductilidad. Figura 1. Diagramas de tracción de materiales dúctiles y frágiles hasta la fractura En el caso de condiciones de carga dinámicas (alta velocidad de deformación) y cuando una entalla (es decir un concentrador de tensiones) está presente, la tenacidad a la entalla es evaluada utilizando ensayos de impacto. Además, la tenacidad de fractura es una propiedad que nos indica la resistencia a la fractura cuando existe una grieta (Kc o KIc). 2. Ensayos de fractura por impacto Los ensayos de tracción de laboratorio no pueden extrapolarse para predecir el comportamiento a la fractura. Por ejemplo, en algunas circunstancias, metales normalmente dúctiles se fracturan frágilmente sin apenas deformación plástica. Por ello se realizan ensayos de fractura por impacto, porque las condiciones son las más severas con respecto a la fractura: deformación a temperaturas relativamente bajas, velocidad de deformación elevada y estado triaxial de tensiones (el cual puede ser introducido por la presencia de una entalla). M. Amutio 2 2.1. Técnicas de ensayo por impacto La energía de impacto o tenacidad a la entalla se mide a partir de dos ensayos normalizados: Charpy e Izod. La técnica de Charpy con entalla en forma de V (CVN) es la más común. En ambas técnicas, la probeta tiene forma de barra de sección cuadrada, en la cual se mecaniza una entalla en forma de V (Figura 2a). Figura 3. a) Probetas utilizadas en los ensayos de impacto Charpy e Izod. b) Aparato de ensayos de impacto. M. Amutio 5 evitar la rotura frágil y catastrófica. Para las aleaciones de la Figura 7, a esa temperatura de servicio habría que trabajar con la aleación A. Figura 7. Comparación de dos aleaciones que tienen una temperatura de transición más alta y más baja que la temperatura de servicio. Factores que influyen en la temperatura de transición dúctil-frágil a) Estructura cristalina: No todas las aleaciones metálicas presentan una transición dúctil- frágil. Aquellas que tienen estructuras cristalinas FCC (por ejemplo aleaciones de cobre y aluminio) permanecen dúctiles aún a temperaturas externadamente bajas (Figura 8). Sin embargo, las aleaciones BCC y HC experimentan esta transición. La mayoría de cerámicas y polímeros también experimenta una transición dúctil-frágil, pero para los cerámicos la transición ocurre a temperaturas elevadas, normalmente mayores a 1000 ºC. Figura 8. Transición dúctil-frágil para distintos materiales. b) Tamaño de grano: Disminuyendo el tamaño de grano de los aceros se produce una disminución en la temperatura de transición. En la Figura 9, se muestran dos aceros de tamaño de grano pequeño (5-5) y grande (1-3). M. Amutio 6 Figura 9. Influencia del tamaño de grano sobre la temperatura de transición dúctil-frágil. c) Composición química: La composición química del material tiene una notable influencia. Como se observa en la Figura 10, el contenido de carbono tiene una influencia importante sobre este comportamiento en un acero. Por ejemplo, si nuestra temperatura de operación es de 0ºC, deberíamos utilizar sólo los aceros de 0.01 y 0.11 % de C, ya que a esta temperatura están en la zona dúctil. Figura 10. Influencia del contenido de carbono de un acero sobre la temperatura de transición dúctil-frágil. d) Tratamientos térmicos: Los aceros suelen someterse a diversos tratamientos para mejorar sus propiedades para su posterior uso en servicio. El templado consiste en calentar la pieza a una temperatura elevada, mantener esa temperatura y posteriormente enfriarla con rapidez, para aumentar su dureza y su tenacidad (al enfriar rápidamente al soluto de las aleaciones no le da tiempo de difundirse y esta desorganización es la que aumenta su dureza). Posteriormente al temple se realiza un revenido para con la finalidad de optimizar la tenacidad. El normalizado es otro tipo de tratamiento, que se realiza a temperaturas más bajas que el templado (y a menudo como etapa previa a éste), para subsanar los defectos producidos en tratamientos anteriores y conseguir así una estructura homogénea. Como se M. Amutio 7 observa en la Figura 11, el templado aumenta de forma considerable la ductilidad del acero, disminuyendo su temperatura de transición. Figura 11. Influencia de tratamientos térmicos sobre la temperatura de transición dúctil- frágil. e) Anisotropía: La anisotropía es la propiedad de la materia en la cual sus propiedades varían en función de la dirección en que son examinadas. Como se observa en la Figura 12, la anisotropía no influye tanto en la temperatura de transición dúctil-frágil, como en el valor de la tenacidad. La pieza tiene mayor tenacidad en la dirección perpendicular a la laminación (B) y menos en la dirección de laminación (C). Figura 12. Efecto de la dirección en el ensayo de impacto Charpy.