TEMA 5 TEMA 5. Propiedades Mecánicas de los MilMateriales. · ambos tipos de dislocación....

TEMA 5 Propiedades TEMA 5. Propiedades Mecánicas de los

M i lMateriales.

Mecanismos de deformación elástica y plástica

El ensayo de tensión se efectúa en una máquina universal capaz de aplicar una carga axial de tensión ouniversal capaz de aplicar una carga axial de tensión o compresión a una probeta, dando como resultado la carga ejercida y la elongación producida en el material durante el ensayado.

Ciencia de Materiales MT1113

http://www.mts.com/stellent/groups/public/documents/library/dev_002047.pdf

Mecanismos de deformación elástica y plástica


Ensayo de Tracción. Cuantificación de propiedades mecánicas

d i i d f ióy endurecimiento por deformación.

Carga (F): Fuerza axial aplicada sobre el material (Kgf)

Elongación (Dl=l-l0): Variación en la longitud del material sometido a una fuerza axial (m)

Esfuerzo Ingenieril (S=F/A0): Fuerza axial aplicada sobre el mate ial ent e el á ea t ans e sal a la di ección de lael material entre el área transversal a la dirección de la fuerza.





Esfuerzo deformación ingenieril



E f d d i fl i (S )Esfuerzo de cedencia o fluencia (Sy):Esfuerzo donde la pendiente s/n deja de ser constante, limite de diseño entre la zona elástica y plástica. Se determina porzona elástica y plástica. Se determina por el método del offset 0,2 %

Esfuerzo Máximo ingenieril (Su):Determinación de S por el metodo Esfuerzo donde se inicia la formación

del cuello o extrangulación en la probeta de ensayo de tracción.

Determinación de Sy por el metodo del OffSet 0,2%

OA = 0,002 * nF

Esfuerza de fractura ingenieril (Sf): Esfuerzo que puede soportar el material antes de fracturarse

Se traza un linea paralela a la curva S vs. n en la zona elástica, y el punto donde interceptan las dos curvas es S


material antes de fracturarse.Sy.


d i i d f ióy endurecimiento por deformación.Esfuerzo-Deformación Real

P i i i d C ió d lPrincipio de Conservación de volumen.lo*Ao = ls*As = lu*Au = lf*Af

Coeficiente de Poisson υ = ε /εCoeficiente de Poisson υ = −εx/εy

Esfuerzo Real (σ): σ=F/Ai donde Ai es el área instantanea.Aplicando conservación de volumen s = F/(lo*Ao/li), Aplicando conservación de volumen s F/(lo Ao/li), donde li = lo + Δl, lo cual debe coincidir si en efecto lo corresponde a la longitud de la sección de prueba.

Deformación Real (ε): dε =dl/l il

i o oi

1 l l l Adl ln(l ) ln(l ) ln ln lnε⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ Δ

= = − = = =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟∫Ciencia de Materiales MT1113

o

i oo o il

dl ln(l ) ln(l ) ln ln lnl l l A

ε ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠

∫

CURVAS ESFUERZOCURVAS ESFUERZO--DEFORMACIONDEFORMACION

EsfuerzoEsfuerzo –– DeformaciónDeformación IngenierilIngenieril:: LaLa tensióntensión sese calculacalcula dividiendodividiendo lala fuerzafuerzaaplicadaaplicada FF sobresobre unauna muestramuestra aa lala queque sese aplicaaplica unun ensayoensayo dede tensióntensión porpor elel áreaáreainicialinicial AA oo.. .. LaLa deformacióndeformación sese determinadetermina comocomo elel cambiocambio dede longitudlongitud entreentre lalalongitudlongitud inicialinicial..

o

lAFingenierilesfuerzoS

Δ

=)(

ollingenierilndeformacióe Δ

=)(

EsfuerzoEsfuerzo –– DeformaciónDeformación RealReal:: ConsideraConsidera elel cambiocambio deldel áreaárea dede lala secciónsección dede lalaEsfuerzoEsfuerzo –– DeformaciónDeformación RealReal:: ConsideraConsidera elel cambiocambio deldel áreaárea dede lala secciónsección dede lalamuestramuestra aa medidamedida queque avanzaavanza elel ensayoensayo..

)( dtlbdii i lfF

)1(ll

)1()tantan(

)(

óllD f i

eSmuestraladeeainsáreaA

ensayodemuestralasobremediauniaxialfuerzaFrealEsfuerzo

i

i

+=

=

σ

σ

)1(lnln eól

realnDeformacioo

i +== εε



S I i ilS vs. n Ingenierilσ vs. ε Real




Incógnitas:

E = Modulo de elasticidad o modulo de Young.m

0σ σ ε=zona plástica

g

σ0= Esfuerzo necesario para

Eσ ε=zona elástica

zona plásticaprovocar una deformación verdadera unitaria.

zona elásticam= Coeficiente de endurecimiento por deformación


deformación



Resilencia: Energía capaz de absorber un material en lade absorber un material en la zona elástica, área bajo la curva en la zona elástica.

y yε ε

Zona Plástica Tenacidad: Energía capaz

y y

0 0

d E dσ ε ε ε=∫ ∫

Zona Elástica

Plástica e ac dad e g a capade absorber un material antes de fracturarse, área bajo la curva en la zona Elásticaplástica y plástica.

yf fm

0d E d dεε ε

σ ε ε ε σ ε ε= +∫ ∫ ∫


y0 0 ε∫ ∫ ∫



Recuperación Elástica yElástica y Endurecimiento por deformación


DEFORMACIÓN PLÁSTICA

La deformación plástica corresponde al movimiento de un grannumero de dislocaciones. Una dislocación de cuña se mueve enrespuesta a un esfuerzo de cizalladura aplicado en una direcciónp pperpendicular a la línea de dislocación.

Los campos de deformación queexisten alrededor de lasdislocaciones influyen en lamovilidad de las dislocaciones.

Cuando los metales experimentandeformación plástica, una fracciónes retenida (~5%) el resto sedi i f d ldisipa en forma de calor.

La mayor parte de esta energíaretenida esta asociada con lasdislocaciones

DISLOCACIÓN DE BORDE

Dislocación de bordeLa línea de dislocación se extiende a lo largo del borde de un medioLa línea de dislocación se extiende a lo largo del borde de un medioplano adicional de átomos en la red.


DISLOCACIÓN DE TORNILLO

Dislocación de tornillo o helicoidal El defecto (línea dedislocación) se extiende a lo largo del eje de la espiral producida al torcer

i t lun cristal.



Deslizamiento Proceso mediante el cual se produce la deformación plástica porDeslizamiento. Proceso mediante el cual se produce la deformación plástica porel movimiento de dislocaciones se denomina dislocaciones.Plano de deslizamiento: Plano cristalográfico a lo largo del cual se desplaza la líneade dislocación.

El i i t d l di l i i il l i i t d


El movimiento de las dislocaciones es similar al movimiento delocomoción empleado por la oruga. Formación de una joroba

cerca de su extremo posterior al encoger su último par de patasúltimo par de patas

La joroba es impulsada hacia delante al alzar y desplazar las patas

La oruga se ha movido hacia delante una distancia igual a la separación entre patas.


(a) Dislocación de borde(b)Dislocación helicoidal(b)Dislocación helicoidal

En una dislocación de borde la línea de dislocación se mueve en ladirección del esfuerzo de cizalladura aplicado τ.

En la dislocación helicoidal el movimiento es perpendicular a ladirección del esfuerzo.

La deformación plástica neta es la misma para el movimiento deLa deformación plástica neta es la misma para el movimiento deambos tipos de dislocación.

SISTEMAS DE DESLIZAMIENTO


Dislocaciones en cristales

Las dislocaciones siempre están presentes en los materiales:

•Durante la deformación plástica, el número de dislocacionesDurante la deformación plástica, el número de dislocacionesaumenta significativamente. Se conoce que la densidad dedislocaciones en un metal que ha sido deformado puede ser tan altacomo 1010 mm-2.

•Un material recocido (baja densidad de dislocaciones) puedecontener más de 1000 km de dislocaciones por milímetro cúbico.

•Una fuente importante de estas nuevas dislocaciones son lasdislocaciones existentes que se multiplican.

•Otra fuente serian los límites de grano, los defectos internos y lasirregularidades superficiales como muescas y ralladuras que actuancomo concentradores de esfuerzos y pueden servir como sitios dey pformación de dislocaciones durante la deformación.

Endurecimiento por reducción del tamaño de granog a o

El tamaño de grano o diámetro promedio del grano del un metalpolicristalino influye en sus propiedades mecánicas. Los granoscontinuos tienen diferentes orientaciones cristalográficas y un límite degrano común. El limite de grano actúa como barrera al movimiento delas dislocaciones.

Por no atravesar lasdislocaciones este limite degrano durante la deformación,las dislocaciones tienden aacumularse en los límites degrano, concentrando esfuerzosmas allá de los planos de

grano A grano B

mas allá de los planos dedeslizamiento, lo que generanuevas dislocaciones en la zonaadyacente.g g

Efecto del Tamaño de Grano en el endurecimientoe du ec e o

Un material de grano fino es mas duro que uno de grano grueso ya que el primerotiene una mayor área total del limite de grano para impedir el movimiento de lasdislocaciones. En los materiales metálicos, el límite elástico σy varía con el tamañode grano

σy = σo + kyd1/2

Ecuación de Hall-Petch

de grano.

Donde d es el diámetro promedioy σo y Ko son contantes delmaterialEcuación de Hall Petch material.

Latón (70%Cu + 30%Zn)

ENDURECIMIENTO POR DISOLUCIÓN SÓLIDASÓ

Otra forma de endurecer los metales y hacerlos más resistentes es formaraleaciones con átomos de impurezas en disoluciones sólidas sustitucionales ointersticiales. Por esto se le denomina endurecimiento por disolución sólida.p

Los metales muy puros son casii bl dsiempre blandos y menos

resistentes que las aleacionesformadas con el mismo metalbase


Esto ocurre por interacciones en el campo de deformaciones de la red entre lasdislocaciones y estos átomos de impurezas lo que restringe el movimiento de lasdislocaciones.

Un átomo de impureza que es máspequeño que el átomo del solvente alp q qque sustituye, ejerce deformacionesde tracción en la red cristalinacircundante y uno de mayor tamañoimpone fuerzas de compresión en susimpone fuerzas de compresión en susinmediaciones.

En relación a una dislocación laresistencia al deslizamiento es mayorresistencia al deslizamiento es mayorcuando están presentes estos átomosdebido a que la deformación total dela red debe aumentar si se separa de

óellos una dislocación.

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN

E l f ó l t l dú til h á dEs el fenómeno por el que un metal dúctil se hace más duro yresistente a medida que es deformado plásticamente. Se le denominaendurecimiento por trabajo o endurecimiento por trabajo en frío.

Ocurre a una temperatura "fría" en relación a la temperatura de fusión del metal.

Se genera el endurecimiento del metal o aleación al incrementar elnúmero de dislocaciones.La densidad de dislocaciones aumenta de 107 cm-2 hasta 1012 cm-2.

La mayoría de los metales se endurecen por deformación atemperatura ambiente.

Lo que sucede es que el movimiento de una dislocación es obstruidopor la presencia de otras dislocaciones, aumentando así la resistenciaal movimiento de las mismas es por ello el esfuerzo necesario paraal movimiento de las mismas es por ello el esfuerzo necesario paradeformar un material aumenta al aumentar el trabajo en frío.

TRABAJO EN FRÍO

El Grado de deformación plástica como % deplástica como % de trabajo en frío se mide por la reducción de área

A A−0% 100d

o

A AdfA

= ×


EFECTO DEL TRABAJO EN FRÍO EN LA RESISTENCIA A LA FLUENCIA Y A LA S S C U C

TRACCIÓN

Acero 1040Acero 1040

Latón Latón

Cobre

Cobre

Cobre

Limite elástico vs. % de trabajo en frío Resistencia a la tracción vs. % de trabajo en frío

EFECTO DEL TRABAJO EN FRÍO EN LA DUCTILIDADUC

Latón

Acero 1040

Cobre

1040

Ductilidad vs. % de trabajo en frío

COMPORTAMIENTO ANISOTRÓPICO DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS.S O S C C S

A lo largo del proceso, los granos giran y al mismo tiempo se d

here

in u

nder

giran y al mismo tiempo se alargan, haciendo que ciertas direcciones y planos cristalográficos queden alineados. on

Lea

rnin

g ™is

a tr

adem

ark

used

g qSe desarrollan orientaciones, o texturas preferenciales, causando el comportamiento anisotrópico. Th

omso

n Le

arni

ng, I

nc.

Thom

solic

ense

.

p pTrefilado: textura fibrosa, se orientan las direcciones cristalográficas 20

03 B

rook

s/C

ole,

a d

ivis

ion

of T

gLaminado: Textura laminar. se orientan las direcciones y los planos cristalográficos.

©2

planos cristalográficos.

MILLAN, J, RIVAS, A. L, CABRERA, J. M et al. Proceso de recristalización durante el recocido de un acero 0,04%c calmado al aluminio. Rev. Fac. Ing. UCV. [online]. mar. 2005, vol.20, no.1 [citado 24 Marzo 2008], p.17-31. Disponible en la World Wide Web: <http://www2.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0798-40652005000100002&lng=es&nrm=iso>. ISSN 0798-4065.

PROCESOS INDUSTRIALES DE ENDURECIMIENTO DE METALESU C O S

RECOCIDO

Tratamiento térmico para eliminar los efectos del trabajoen frío.S d li i t t l t l d i i tSe puede eliminar totalmente el endurecimiento pordeformación.Después del recocido, se puede aplicar trabajo en fríop , p p jadicional, ya que la ductilidad ha sido restablecida.Combinando ciclos repetidos de trabajo en frío y derecocido se pueden alcanzar grandes deformacionesrecocido, se pueden alcanzar grandes deformacionestotales.A baja temperatura se puede eliminar los esfuerzosresiduales sin afectar las propiedades mecánicas de laresiduales, sin afectar las propiedades mecánicas de lapieza terminada.

LAS ETAPAS DEL RECOCIDO

R ió E l i d l d idRecuperación: Es la primera etapa del proceso de recocido.Durante esta etapa parte de la energía de deformaciónalmacenada se libera debido al movimiento de las dislocaciones,

d d l l dif ió ó i l dproducto de la alta difusión atómica a temperaturas elevadas.Se reduce el número de dislocaciones y se producenconfiguraciones de dislocaciones con bajas energías ded f iódeformación.Con mayor temperatura se produce el alivio de esfuerzosinternos causados por el trabajo en frío, (tensiones residuales), y

d i t bi i t t lse producen ciertos cambios microestructura les.


Recristalización:La recristalización es la formación de un nuevo conjunto de granos equiaxiales( con dimensiones aproximadamente iguales en todas las direcciones) y libresde deformación con bajas densidades de dislocaciones. Estos nuevos cristalesjsurgen en zonas con alta densidad de dislocaciones.

Estos granos nuevos se forman como núcleos muy pequeños y crecen hastareemplazar completamente al material matriz. La fuerza motriz para producirreemplazar completamente al material matriz. La fuerza motriz para produciresta nueva estructura de granos es la diferencia en energía interna entre elmaterial deformado y el no deformado.

Estructura de grano del material t b j d f í

Etapa inicial después de calentar durante 3 s a 580ºC, los

trabajado en frío (33%df)

,granos pequeños han recristalizado.


La temperatura de recristalización corresponde a la temperaturaaproximada a la que un material altamente trabajado en frío seaproximada a la que un material altamente trabajado en frío serecristaliza por completo en una hora. Esta temperatura depende el% de deformación en frío.

L i t li ió d l t l t b j d f í d tiliLa recristalización de los metales trabajados en frío puede utilizarsepara refinar la estructura de lo granos.

También, durante la recristalización, las propiedades mecánicas quefueron modificadas durante el proceso de trabajo en frío sonrestauradas a sus valores previos a la deformación; es decir, el metalse hace más blando, menos resistente y más dúctil.


Sustitución parcial de los granos del

Recristalización terminada 8s a 580ºCg

material trabajado en frío después de 4s a 580ºC.

Crecimiento de grano después de de 10 min a 700ºC.

Crecimiento de Grano después pde 15 min a 580ºC


C i i t d Si l l i d l t lCrecimiento de grano: Si se prolonga la permanencia del metalrecristalizado a alta temperatura, los granos pequeños tienden adesaparecer y los grandes crecen aún más, de esta manera el tamaño

di D d l f ió d l imedio, D, de los granos crece en función del tiempo.

TEMPERATURAS DE RECRISTALIZACIÓN

T recristalización ~1/3 y ½ T absoluta

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO

TRABAJO EN CALIENTE

Las operaciones de deformación plástica de los metales y aleacionesque se realizan a temperaturas superiores a la temperatura derecristalización.El material permanece relativamente blando y dúctil durante laEl material permanece relativamente blando y dúctil durante ladeformación debido a que no se endurece por deformación, demanera que se pueden alcanzar grandes deformaciones.

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

L i t i l t ió d i d t 82 000 iLa resistencia a la tensión es de aproximadamente 82,000 psi.

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

TEMA 6 Fallas en TEMA 6. Fallas en Materiales.

1. Ensayo de Impacto y la tenacidad a1. Ensayo de Impacto y la tenacidad ala fractura.

2. Termofluencia.a Condiciones de ocurrenciaa. Condiciones de ocurrencia.b. Curvas ε vs. t. Etapas de una

curva de termofluencia.c. Uso de datos de termofluencia.

Tipos de Fallas

Mecánicas: son aquellas donde las aplicación de unq pestado externo de esfuerzos es la fuerza motriz de lapérdida de integridad del material.

Químicas: son aquellas en las que se pierde integridaddel material por acción de reacciones químicas en lap qsuperficie.

Fallas Químicas

Fallas Mecánicas

Resistencia y Fractura

La resistencia de un material es la capacidad del mismo aresistir las fuerzas aplicadas sin que este fluya o se fracture.

La resistencia de un material puede variar notablementesugún la manera que este es deformado. Por ejemplo, unmaterial resistente y ductil bajo cargas estáticas puedematerial resistente y ductil bajo cargas estáticas puedecomportarse débil y fragil bajo esfuerzos ciclícos o de impacto.Los materiales también muestran diferencias en la resistenciacuando el método o tasa de aplicación de esfuerzos esvariado.

La deformación elástica y plástica de un material sujeto aesfuerzos externos puede terminar un una forma no-homogénea de deformación llamada FRACTURAhomogénea de deformación llamada FRACTURA.

Fractura

Es la separación de un cuerpo por la acción de fuerzasquímicas o físicas en dos o más partes, resultando en lacreación de nuevas superficies.creación de nuevas superficies.

La fractura involucra la rotura de los enlaces atómicos a travésde la propagación de grietasde la propagación de grietas.

Mecanismos que condicionan la fractura:• Naturaleza del material• Naturaleza de los esfuerzos aplicados• Condiciones de temperaturaCondiciones de temperatura• Ritmos de deformación• Factores ambientales

Tipos de Fractura

Los tipos de fractura se basan en la capacidad del material deLos tipos de fractura se basan en la capacidad del material deexperimentar deformación plástica.

Fractura dúctil: Los materiales presentan una deformación plásticaFractura dúctil: Los materiales presentan una deformación plásticaconsiderable con alta absorción de energía antes de la fractura.

Fractura frágil: Existe poca o ninguna deformación plástica y bajag p g p y jabsorción de energía durante el proceso de fractura.

Comportamiento Dúctil y Frágil

(a) Fractura muy dúctil en la cual la probeta forma una t i ió ll t ( l ) testricción que llega a un punto (oro y plomo), muestra

una reducción de área de hasta un 100%.

(b) Fractura dúctil después de cierta estricción

(c) Fractura fragil sin deformación plástica

Etapas de la fractura(a) Comienza la deformación(a) Comienza la deformación

(b) Formación de pequeñas cavidades o microcavidades en el interior de la sección transversal.

(c) Las microcavidades se hacen mayores y coalescen formando una grieta elíptica.

(d) La grieta crece.

(e) Finalmente se produce la fractura por una rápida propagación de la grieta alrededor del perímetro exterior de la estricción por deformación en un ánguloestricción por deformación en un ángulo aproximadamente de 45° (ángulo en el que el esfuerzo de cizalladura es máximo)

Fractura de copa y cono en el aluminio

Fractura Dúctil

Región fibrosa de una superficie de copa y cono

Cavidades esféricas u hoyuelos esféricos. Cada hoyuelo es la mitad de una microcavidad que se formo.

Fractura Frágil

Tiene lugar sin una deformaciónapreciable separación rápida de lagrieta. La dirección es casiperpendicular a la dirección delesfuerzo de tracción y se produceuna superficie de fractura casi plana.

La superficie presentan líneas o crestas . Producen una superficie relativamente brillante

Fractura Frágil

En la mayoría de los metales frágiles la propagación de la grieta corresponde auna ruptura sucesiva y repetida de enlaces atómicos a lo largo de planos

i t l áfi t d i li jcristalográficos este proceso se denomina clivaje.

Fractura Transgranular debido a que las grietas de la fracturan atraviesan losgranos

Fractura Intergranular Ocurre a lo largo de los límites de grano

Ejemplos de Fractura

Acero Forjado, fractura frágil i t lintergranular.

Fragilidad por segregación de impurezas (P y Sn) a los limites de pu e as ( y S ) a os tes degrano, luego de un proceso de soldadura.

Ejemplos de Fractura

Acero Forjado, fractura frágil i t l l d lintergranular, en la zona de la entalla.

Luego de ensayo de impactouego de e sayo de pacto

Marcas de playa (macroscópicas se ven a simple vista o con lupa)

Estriaciones(microscópicas observadas

en MET o MEB)simple vista o con lupa) en MET o MEB)

Medición de mecanismos de fractura

Mecánica de la Fractura significa análisis general de laMecánica de la Fractura significa análisis general de lafalla de materiales estructurales con defectospreexistentes.

Factor de Intensidad de Esfuerzo: KI

Tenacidad de Fractura: KIC valor crítico del factor esfuerzo intensidad en un punto de la grieta necesario

d i f ll ófipara producir una falla catastrófica.

I Modo uniaxial y C crítico.

Y Factor de Geometría adimensional del orden de 1 aYK πσ=σf esfuerzo total aplicado

a longitud de una grieta de la superficie

Unidades MPa (m)1/2

aYK fIC πσ=

Unidades MPa (m)

Este KIC está asociada con las llamadas condiciones de deformación en el plano donde el espesor es relativamente más grande comparado con la dimensión d l P b t d l d di i dde la ranura. Para probetas delgadas condiciones de esfuerzo plano la tenacidad a la fractura se denota como

Kc.

ENSAYO DE IMPACTO

LaLa probetaprobeta poseeposee unun entalleentalleestándarestándar parapara facilitarfacilitar elel inicioinicio dedelala fisurafisura;; esteeste entalleentalle reciberecibe elelnombrenombre dede VV--NotchNotch..

PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR EL ENSAYO

nombrenombre dede VV NotchNotch..

REALIZAR EL ENSAYO CHARPY

En la prueba se lanza unpesado péndulo desde unaaltura conocida, que golpea lamuestra en su trayectoriadescendente fracturándolo.

Mediante el conocimiento deMediante el conocimiento dela masa del péndulo y de ladiferencia entre su alturainicial y final, puede medirse laenergía absorbida por laenergía absorbida por lafractura (diferencia entre h yh´)

ENSAYO DE IMPACTO

LasLas probetasprobetas queque fallanfallan enen formaforma frágilfrágil sese rompenrompen enen dosdos mitadesmitades enen cambiocambio aquellasaquellas conconLasLas probetasprobetas queque fallanfallan enen formaforma frágilfrágil sese rompenrompen enen dosdos mitades,mitades, enen cambiocambio aquellasaquellas conconmayormayor ductilidadductilidad sese doblandoblan sinsin romperseromperse.. EsteEste comportamientocomportamiento eses muymuy dependientedependiente dede lalatemperaturatemperatura yy lala composicióncomposición química,química, estoesto obligaobliga aa realizarrealizar elel ensayoensayo concon probetasprobetas aadistintadistinta temperatura,temperatura, parapara evaluarevaluar lala existenciaexistencia dede unauna "temperatura"temperatura dede transicióntransición dúctildúctil--frágil"frágil" EsteEste ensayoensayo sese llevalleva aa unun gráficográfico comocomo elel mostradomostrado enen dondedonde sese puedepuede apreciarapreciar ununfrágil"frágil".. EsteEste ensayoensayo sese llevalleva aa unun gráficográfico comocomo elel mostrado,mostrado, enen dondedonde sese puedepuede apreciarapreciar ununfuertefuerte cambiocambio enen lala energíaenergía disipadadisipada parapara algunosalgunos acerosaceros dede bajobajo carbonocarbono.. MientrasMientras queque elelníquelníquel nono muestramuestra unauna variaciónvariación notablenotable..

No experimentan transición dúctil frágil

La energía de impacto también es casi insensible a la T

Termofluencia (creep)

El fenómeno de termofluencia o fluencia lenta se definecomo la acumulación de deformación plástica opermanente con el tiempo, en un material que seencuentra sometido a un esfuerzo σ<σy y atemperaturas elevadas (T>0,4Tf), trayendo comote pe atu as e e adas ( 0, f), t aye do co oconsecuencia alteraciones irreversibles en la geometríadel mismo.O t l l b d l t biOcurre en componentes como los alabes de las turbinasen los jet y generadores de vapor con esfuerzoscentrífugos, líneas de vapor de alta presión.g p pEs a menudo un factor limitante de la vida delcomponente.

1 C b j

Ensayos de termofluencia o creep

1. Cargas bajas 2. Medición precisa de la

deformación (ε<0,5%)3 Ensayo largo 2000 100003. Ensayo largo 2000-10000

horas4. Equipo costoso5 Énfasis en la velocidad5. Énfasis en la velocidad

mínima de deformación y la temperatura

transductortransductor

Creep primario (transitorio). La pendiente disminuye con el tiempo: endurecimiento por deformaciónpCreep secundario (estado estacionario). Velocidad de deformación constante: balance del endurecimiento por deformación y procesos de recuperaciónCreep terciario. Rápida aceleración de la velocidad de deformación hasta la falla: formación de fisuras internas

EFECTOS DEL ESFUERZO Y DE LA TEMPERATURA

Al aumentar el esfuerzo o latemperatura se observa

(1) La deformación instantánea en elmomento de la aplicación del esfuerzoaumenta

(2) La velocidad de fluencia estacionariaaumentaaumenta

(3) La vida útil a la ruptura disminuye

D d i d l l id d d d f ió d l fl i tDependencia de la velocidad de deformación de la fluencia con respecto al esfuerzo

•Donde K y n sonn

s K σ1=∈ Donde K1 y n son constantes

EFECTOS DEL ESFUERZO Y DE LA TEMPERATURA

U fi d l l itn

s K σ1=∈• Una grafica del logaritmo genera una

recta de pendiente igual a n.

Esfuerzo vs. vida útil de ruptura para una aleación de níquel con bajo contenido de carbono

Cuando se incluye la influencia de la temperatura

ti

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=∈•

RTQK cn

s exp2σse tiene:

K2 y Qc son constantes siendo Qc la energía de ⎠⎝ RTactivación para fluencia

Método de extrapolación de Larson-MillerEnsayos de Fluencia a T porEnsayos de Fluencia a T porencima de la requeridas,durante periodos de tiemposmuy cortos y a nivel de

f blesfuerzos comparables, paraluego extrapolarlos acondiciones de servicio.

P=T(C + log t )P=T(C + log tr)

P= Parámetro de Larson-MillerT T t (°K)T= Temperatura (°K)C= Constante (entre 10 y 40)tr = tiempo en horas para r p p

rupturaPara cada combinación del material y nivel de esfuerzo existe un valor único del parámetro “P”

Fatiga

La fatiga se define como la fractura de estructuras o componentesbajo la acción de esfuerzos cíclicos repetitivos inferiores a laresistencia a la tracción del materialresistencia a la tracción del material.Las fracturas por fatiga comienzan por grietas diminutas que crecenprogresivamente bajo la acción de esfuerzos fluctuantes, y quellegan generalmente a ocasionar la fractura completa de unllegan generalmente a ocasionar la fractura completa de uncomponente.Los factores que primariamente son responsables del fenómeno defatiga son:fatiga son:

Esfuerzos cíclicos o variablesEsfuerzos de tensiónDeformación plástica

La ausencia de cualquiera de los tres factores mencionados impideque se produzca la fatiga.q p g


Fatiga

Ocurre después de un largo período de esfuerzos cíclicos o dedeformaciones cíclicasdeformaciones cíclicas.90% de las fallas de materiales están relacionadas con fatiga.Normalmente catastrófica, sin avisoApariencia frágil, aún en materiales dúctiles. Con pocadeformación plástica macroscópica.

Mecanismos del agrietamiento

Etapas del proceso :Periodo de incubación de la grietag

Cambios sub-microscópicos muy complejos en el material no totalmente esclarecidosEl tiempo para nuclear y propagar una microfisura es muyEl tiempo para nuclear y propagar una microfisura es muy variable

Propagación progresiva de la grietaRepresenta la mayor parte del tiempo del proceso que puedeRepresenta la mayor parte del tiempo del proceso que puede tardar hasta varios años. Se va reduciendo el área de la sección transversal del componente y eventualmente la carga llega a superar sucomponente, y eventualmente la carga llega a superar su resistencia remanente.

Ruptura finalSe produce en un solo cicloSe produce en un solo ciclo.


Ensayos de fatiga

MidenMiden lala resistenciaresistencia aa lala fatigafatiga expresadaexpresada porpor elel númeronúmero dede ciclosciclosqueque puedenpueden soportarsoportar sinsin presentarpresentar fractura,fractura, parapara unun determinadodeterminadonivelnivel dede esfuerzoesfuerzo..EstosEstos ensayosensayos sese realizanrealizan concon máquinasmáquinas dinámicasdinámicas dede vigaviga dedeflexiónflexión rotativa,rotativa, oo dede flexiónflexión pura,pura, oo concon máquinasmáquinas instrumentadasinstrumentadasservoservo--hidráulicashidráulicas dede traccióntracción--compresióncompresión uniaxial,uniaxial, entreentre otrasotras..LosLos resultadosresultados obtenidosobtenidos sese presentanpresentan enen gráficosgráficos dede númeronúmero dedeciclosciclos soportadossoportados parapara diferentesdiferentes nivelesniveles dede esfuerzoesfuerzo (curvas(curvas dedeWOHLERWOHLER oo SS--N)N)

Ensayo a flexiónEnsayo a flexión

Ensayos de fatiga

1. Actuador2. Sistema hidraulico3. Unidad de Control4. Sistema de medición de

grieta

Ensayos de fatiga

Ensayo de probetas

Ensayos de fatiga

Ensayo de componentes

Se miden cargas y deflecciones para generar un curva que describe las reacción de la pieza ensayada a las cargas. En fatiga se repite de manera ciclicarepite de manera ciclica el nivel de deflección

Ensayos de fatiga

Curvas de WOHLER o S-N

Número de ciclos soportados para diferentes niveles de esfuerzoAmplitud máxima 60% de Su.

Características

A mayor amplitud del esfuerzo, menor el número de ciclos antes defallar.

Aleaciones ferrosas y de titanio muestran un nivel mínimo deesfuerzo por debajo del cual no ocurre falla.

“Límite de fatiga” es el valor máximo del esfuerzo que no causaráLímite de fatiga es el valor máximo del esfuerzo que no causaráfalla en un número infinito de ciclos.

“Resistencia a la fatiga” es el nivel del esfuerzo para el cual lafalla ocurrirá en un número especifico de ciclosfalla ocurrirá en un número especifico de ciclos.

“Vida a fatiga” es el número de ciclos para que ocurra una fallacon un nivel de esfuerzo específico.

TEMA 5 TEMA 5. Propiedades Mecánicas de los MilMateriales. · ambos tipos de dislocación....

Documents

Transcript of TEMA 5 TEMA 5. Propiedades Mecánicas de los MilMateriales. · ambos tipos de dislocación....