Propiedades mecánicas de los metales

El Proceso de Metales y Aleaciones

1. La Fundición de Metales y Aleación

Los metales en su mayoría se procesan primero fundiendo el metal en un horno que actúa como depósito del metal fundido, donde pueden añadirse los elementos de aleación

Normalmente se obtienen lingotes de gran tamaño, y mediante la laminación de estos se producen las chapas y las placas, y mediante extrusión canales y perfiles estructurales. Las barras y alambres se fabrican de lingotes de sección circular

Fundición de cobre

Proceso de obtención de cobre

Obtención de lingotes de acero

Lingote de aluminio

Los productos fabricados mediante el trabajo del metal en caliente o en frío a partir de lingotes se denominan productos aleados de forja.

El metal fundido puede ser introducido en un molde con la forma del producto final. Éstos se denominan productos de fundición y las aleaciones usadas, aleaciones para fundición.

2. Laminación en caliente y en frío de metales y aleaciones

Con estos métodos se pueden producir chapas y placas de gran longitud y secciones transversales uniformes.

A partir de los lingotes, primero se lleva a cabo una laminación en caliente, ya que es posible una mayor reducción del espesor a cada pasada por el laminador.

Los lingotes se precalientan a aprox. 1200°C, y se laminan hasta que la temperatura baja tanto que resulta dificultosa, donde se recalientan y se continúa hasta que pueda enrollarse en forma de bobina.

Esquema de una laminadora

Laminación en frío de chapas metálicas: luego del proceso anterior, se puede incluir una cierta laminación en frío, aplicando un tratamiento térmico denominado recocido, para reblandecer el metal y eliminar las tensiones producidas

La extrusión es un proceso de conformado plástico mediante el cual metal sometido a alta presión reduce su tamaño cuando es forzado a pasar a través de una abertura o matriz de extrusión. Normalmente se hace en caliente, y se producen barras tubos y formas irregulares de materiales no ferrosos

3. Extrusión

4. Forja

En este proceso, el metal es golpeado o comprimido hasta la forma deseada.

Puede realizarse en frío o en caliente

Existen dos tipos principales; con martillo y con prensa.

Pueden clasificarse como de forja en matriz abierta y forja en matriz cerrada.

Se utiliza para obtener formas irregulares.

Se obtienen productos más resistentes y con menos posibilidades de romperse que los fundidos.

Tensión y deformación en metales

Cuando se somete una pieza de metal a una fuerza de tracción se produce la deformación del mismo.

Si el metal recupera sus dimensiones cuando se elimina la fuerza, se dice que ha sufrido una deformación elástica.

No puede soportarse mucha deformación elástica porque los átomos se desplazan de sus posiciones originales, pero sin alcanzar posiciones nuevas

Cuando el metal se deforma tanto que no puede recuperar totalmente sus dimensiones originales, se considera que ha sufrido una deformación plástica, en la cual los átomos se desplazan continuamente

La propiedad de algunos metales de ser extensamente deformados sin llegar a la fractura es una de las más útiles en la fabricación de objetos.

Por ejemplo, la gran deformación plástica a que puede ser sometido el acero de paragolpes, capós y puertas de automóvil sin llegar a la fractura

Tensión y Deformación convencional

Consideremos una barra cilíndrica de longitud l0 y área de la sección transversal A0 sujeta a la acción de una fuerza axial F.

La tensión sobre la barra es, por definición, igual a la fuerza media de tracción F dividida por el área de la sección transversal, o sea

= F/A0 las unidades son [N]/[m2]= Pa (pascal)

Cuando una fuerza de tracción se aplica sobre una barra, se produce un alargamiento de la misma en la dirección de la fuerza.

Dicho desplazamiento recibe el nombre de deformación.

Se define como la relación entre el cambio en la longitud de la muestra y su longitud original.

= (l- l0 )/ l0 = l/l0

Se suele usarlo en forma de porcentaje de deformación o porcentaje de alargamiento multiplicándolo por el 100%

Problemas

1) Una barra de aluminio de 0,5 pulgadas de diámetro está sometida a una fuerza de 2500 lb. Calcule la tensión que actúa en la barra en pascales

2) Una probeta de aluminio comercialmente puro de 0,5 pulgadas de ancho, 0,04 pulgadas de espesor y 8 pulgadas de longitud con dos marcas de ensayo realizadas en el centro de la probeta, y separadas entre sí 2 pulgadas, es deformada hasta que las marcas quedan separadas 2,65 pulgadas. Calcule la deformación y el porcentaje de alargamiento

El ensayo de tracción y el diagrama

tensión-deformación

En el ensayo de tracción, una muestra de metal se estira a velocidad constante hasta la fractura, que se produce en un tiempo relativamente corto.

A través del ensayo de tracción se obtienen, entre otros, los siguientes valores de interés:

2) Módulo de elasticidad: en la primera parte del ensayo, si la fuerza sobre la probeta desaparece, la misma vuelve a su longitud inicial. Para los metales, la máxima deformación elástica es menor al 0,5 %. En esta parte, la tensión y deformación siguen una relación lineal que viene determinada por la Ley de Hooke : E = / , donde E = módulo de elasticidad de Young

Está relacionado con la fuerza del enlace entre los átomos del metal o aleación.

16Hueso

23Hormigón

70Aluminio

81Oro

90Bronce

100Hierro fundido

110Cobre

190Hierro forjado

200Acero

205Níquel

Módulo de Young (GN/m2)

Material

Problemas2. ¿Cuál debe ser el diámetro mínimo de un cable de acero que

se quiere emplear en una grúa diseñada para levantar un peso máximo de 10.000 kg? El esfuerzo de ruptura por tracción del acero es de 30×107Pa.

2. Una varilla metálica de 4 m de largo y sección 0,00005 m2

se estira 0.20 cm al someterse a una fuerza de 5000 N. Calcule el módulo de Young del metal

3. Una varilla de acero de 5 cm de de diámetro y 50 cm de largo sufre la acción de una fuerza de 10.000 N. ¿Cuál será su deformación?. ¿Cuál será la deformación si la varilla es de aluminio? . Dato Eacero=200 GPa y Ealuminio=70GPa

4. Si las barras anteriores se deforman un 0,1%, ¿cuáles son las fuerzas ejercidas?

1. Este problema lo podemos resolver aplicando la ecuación σ = F/A, de donde A = F/ σ

A = (10.000 kg * 9,8 m/s2)/ 30*107 Pa = 0.0033 m2

Como el área del cable es un círculo, la fórmula para el área será de A = πR2 = π D2/4

De donde el diámetro es D = √ (4A)/ π = √(4*0.0033)/3.1416 = 0.065 m

2. E = / , donde σ = F/A

σ = 5000 N/ (0.00005m2) = 100.000.000 Pa

= 0.002/4 = 0.0005

E = 100.000.000/0.005 = 200*109 Pa

3. Para este caso, debemos calcular el área de la barra, a partir de esta la tensión sobre la misma y finalmente con la Ley de Hooke obtenemos la deformación:

A = π * R2 = π * (0,025)2 = 0,002 m2

σ = F/A = (10.000 N / 0,002 m2) = 5*106 Pa

E = / , de donde para el acero = 5*106 Pa/ 200*109Pa = 0,000025

La deformación es del 0,0025%

Para el aluminio = 5*106 Pa/ 70*109Pa = 0,00007

La deformación es del 0,007

4. Es el caso contrario al problema anterior, ahora debemos encontrar la fuerza aplicada. Para el acero:

E = / , de donde obtenemos

= E = 0,001*200*109Pa = 2*108Pa

= F/A, de donde

F = *A = 2*108Pa * 0,002m2 = 400.000 N

Lo mismo para el aluminio

= E = 0,001*70*109Pa = 7*107Pa

F = *A = 7*107Pa * 0,002m2 = 140.000 N

2) Límite elástico: es el nivel de tensión al que un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa.

Es arbitrario y normalmente se determina cuando se produce una deformación del 0,2%

3) Resistencia a la tracción: es la máxima tensión que se alcanza en la curva tensión-deformación. Puede producirse un adelgazamiento de la sección de la probeta, que se denomina estricción. La tensión desciende luego ya que la tensión se calcula con el área original.

Cuanto más dúctil, mayor es la estricción antes de la fractura, y más desciende la tracción.

No es útil para aleaciones dúctiles porque se produce mucha deformación antes de alcanzarlo, pero puede aportar información sobre la presencia de defectos.

Si el material tiene porosidad o inclusiones, estos defectos pueden producir un descenso de la resistencia máxima respecto al valor normal.

4) Porcentaje de alargamiento: este valor proporciona un valor de la ductilidad del metal.

Tiene importancia no sólo como medida de la ductilidad, sino también como índice de la calidad del metal. Si existe porosidad o inclusiones, o deterioro debido a sobrecalentamiento, el porcentaje decrecerá por debajo del valor normal.

5) Porcentaje de estricción: también puede expresar la ductilidad, así como un índice de su calidad.

Dureza y ensayo de dureza

La dureza es una medida de la resistencia de un metal a la deformación permanente (plástica).

Se mide forzando la indentación de un penetrador en la superficie del metal.

Éste adopta diversas formas, y está fabricado con un material mucho más duro que el material a ensayar (acero templado, carburo de tungsteno o diamante)

Es mucho más simple que un ensayo de tracción, no es destructivo; por lo que se utiliza en control de callidad.

Deformación plástica de cristales metálicos por el mecanismo de deslizamiento

Si el deslizamiento de un conjunto de átomos sobre otro conjunto de átomos se realizara en forma simultánea, la resistencia de los cristales a la rotura debería ser de entre 1.000 a 10.000 veces mayor que la resistencia observada.

Para que se produzca la deformación , es necesaria una alta densidad de imperfecciones cristalinas, conocidas como dislocaciones .

Las dislocaciones se forman durante el enfriamiento del metal.

Efecto de los límites de grano sobre la resistencia de los metales.

Los límites de grano aumentan la resistencia de metales y aleaciones porque actúan como barreras al movimiento de dislocaciones.

Los metales de grano fino son más sólidos, duros, resistentes y más susceptibles de endurecimiento. Tienen una conducta más uniforme e isotrópica

Sin embargo, son menos resistentes a la corrosión y termofluencia.

Las dislocaciones que se mueven a lo largo de un determinado plano de deslizamiento no pueden seguir en línea recta al pasar de un grano a otro.

Además del trabajo en frío, el endurecimiento por disolución sólida también permite aumentar la resistencia de los metales.

Cuando los átomos sustitucionales se mezclan, se crean estados de tensión alrededor de cada átomo de soluto.

En el endurecimiento por disolución sólida hay dos factores:

2) Factor de tamaño relativo: la diferencia de tamaño produce una distorsión de la red cristalina, que dificulta el movimiento de las dislocaciones, lo que endurece el metal.

3) Orden de corto alcance: las soluciones sólidas tienden a formar una cierta ordenación que impide el movimiento de las dislocaciones.

Recuperación y recristalización de los metales deformados plásticamente.

Durante el procesado y fabricación de metales y aleaciones, algunas veces es necesario tratar térmicamente el metal trabajado en frío para ablandarlo y aumentar así su ductilidad.

El metal pasa por los siguientes estados: 1) Recuperacion, 2) Recristalización y 3) Crecimiento de grano.

El tratamiento térmico que ablanda el metal trabajado en frío se denomina recocido

Fractura de los metales

Uno de los aspectos a tener en cuenta en la selección de materiales es la posibilidad de que el componente falle durante su funcionamiento habitual.

La falla es la incapacidad del material de 1) realizar la función prevista, 2) cumplir los criterios de desempeño o 3) tener un desempeño seguro y confiable incluso después de deteriorarse

La fractura es la separación de un sólido en dos o más piezas. Se distingues dos tipos:

La fractura dúctil tiene lugar después de una deformación plástica intensa

La fractura frágil se produce en forma rápida, con una propagación veloz de la fisura

Las fracturas dúctiles son menos frecuentes que las frágiles, su principal causa es el exceso de carga

Las fracturas frágiles ocurren normalmente por la existencia de defectos en el metal

Tenacidad y prueba de impacto

La tenacidad es una medidad de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse.

Uno de los métodos más simples para medirla es la prueba de impacto.