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CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES

1.1 Antecedentes Históricos

Los materiales son sustancias de las que cualquier cosa o producto esta compuesto.

Los materiales han sido usados desde comienzos de la civilización con el fin de mejorar

el nivel de vida. La figura 1.1 esquematiza la evolución de los materiales de ingeniería a

lo largo de los años. Como los productos están fabricados a partir de materiales, estos

se encuentran en todas partes alrededor nuestro. Los más comúnmente encontrados

son: madera, hormigón, ladrillo, acero, plásticos, vidrios, cauchos, aluminio, cobre y

papel.

Nuestro país es caracterizado por obtener minerales desde yacimientos mediante

procesos metalúrgicos (cobre y acero principalmente), donde el mineral es extraído y

posteriormente refinado para luego ser exportado como materiales primarios a países

desarrollados capaces de manufacturar nuevos diseños (figura 1.2).

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Figura 1.1 La evolución de los materiales en ingeniería. 1.2 Tipos De Materiales

La gran diversidad de materiales de los que disponen los ingenieros se pueden dividir

en cinco categorías (tabla 1-1).

Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructura y propiedades distintas.

La diferencia en resistencia que se comparan en la figura 1.3 ilustra la amplia gama de

propiedades disponibles.

Las tres primeras categorías pueden asociarse con tipos distintos de enlazamiento

atómico. La cuarta categoría, de los materiales compuestos, implica combinaciones de

dos o más materiales pertenecientes a las tres primeras categorías. Estas cuatro

categorías son de los materiales estructurales. El quinto tipo de materiales,

semiconductores, es una categoría aparte, la de los materiales electrónicos que se

distinguen por su conductividad eléctrica única e intermedia.

Figura 1.2 El ciclo de los materiales. 1. Materiales metálicos Estos materiales son sustancias inorgánicas compuestas de

uno o más elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no

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metálicos (carbono, nitrógeno, oxígeno). Los metales y sus aleaciones, incluyendo

acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre y níquel, generalmente

tienen como característica una estructura cristalina en la cual los átomos están

dispuestos de manera ordenada, además, de una buena conductividad eléctrica y

térmica, una resistencia relativamente alta, una alta rigidez, ductilidad o conformabilidad

y resistencia al impacto. Son particularmente útiles en aplicaciones estructurales o de

carga. Aunque en ocasiones se utilizan metales puros, las combinaciones de metales

conocidas como aleaciones proporcionan mejoría en alguna propiedad particularmente

deseable o permite una mejor combinación de propiedades.

2. Materiales poliméricos Producidos mediante un proceso conocido como

polimerización. La mayoría están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas

o redes, estructuralmente la mayoría no son cristalinas, pero se pueden encontrar

mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas.

Los polímeros incluyen el hule, los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Los

polímeros tienen bajas densidades, baja conductividad eléctrica y térmica, reducida

resistencia y no son adecuados para utilizarse a temperaturas elevadas. Los polímeros

termoplásticos, en los cuales las largas cadenas moleculares no están conectadas de

manera rígida, tienen buena ductilidad y conformabilidad. Los polímeros termoestables

son más resistentes, aunque más frágiles porque las cadenas moleculares están

fuertemente enlazadas. Los polímeros son la base de la pintura, caucho y las industrias

de fibra sintética, incluyendo dispositivos electrónicos. Además, es utilizado como

elemento alternativo para la industria automotriz (figura 1-4).

3. Materiales cerámicos Son materiales inorgánicos constituidos por elementos

metálicos y no metálicos cohesionados químicamente, pueden ser cristalinos, no

cristalinos o mezcla de ambos.

El ladrillo, el vidrio, la porcelana, los refractarios y los abrasivos tienen baja

conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y a

menudo son utilizados como aislantes. Los cerámicos son fuertes y duros, pero

relativamente frágiles y de bajo peso. Las nuevas técnicas de procesamiento han

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conseguido que los cerámicos sean lo suficientemente resistentes a la fractura para que

puedan ser utilizados en aplicaciones de carga, como los impulsores en motores de

turbina (figura 1-5).

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Tabla 1-1 Ejemplos, aplicaciones y propiedades representativas de cada familia de materiales. Un ejemplo de cerámicos es el óxido de aluminio (Al2O3), que como óxido tiene dos

ventajas con respecto al aluminio metálico, la primera es que el óxido de aluminio es

químicamente estable en una gran variedad de ambientes donde el aluminio metálico

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se oxidaría, la segunda es que el óxido de aluminio tiene un punto de fusión mayor

(2020 °C) que el aluminio metálico (66 °C).

Figura 1-3 Resistencia representativa de diversas categorías de materiales.

Figura 1-4 Los polímeros son utilizado como elemento alternativo para la fabricación de parachoques, tableros interiores, baterías, parlantes, etc de cada vehículo.

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Figura 1-5 Una diversidad de componentes cerámicos complejos, incluye impulsores y alabes, que permiten a los motores de turbina y motores en general operar con mayor eficiencia y temperaturas más elevadas. 4. Materiales compuestos Son mezclas de dos o más materiales, produciendo

propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de manera individual.

La mayoría consta de un material reforzante y una resina compatible aglomerante con

el objeto de obtener las características específicas y propiedades deseadas.

Normalmente los componentes no se disuelven recíprocamente y pueden ser

identificados físicamente gracias a la interfase entre los componentes.

Existen muchas combinaciones diferentes de refuerzos y matrices para producirlos. Dos

tipos de materiales compuestos modernos son la fibra de vidrio reforzada en matriz de

poliéster o de epóxi y las fibras de carbono en una matriz epoxídica.

Con materiales compuestos podemos producir materiales ligeros, fuertes, dúctiles,

resistentes a altas temperaturas, o bien, podemos producir herramientas de corte duras

y a la vez resistentes al impacto. Los vehículos aéreos y aerospaciales modernos

dependen de manera importante de materiales compuestos como los polímeros

reforzados de fibra de carbono (Figura 1-6).

5. Semiconductores No son significativamente cuantitativos, pero extremadamente

importantes para las nuevas tecnologías. Aunque el silicio, el germanio y una variedad

de compuestos como el GaAs son muy frágiles, resultan esencialmente útiles para

aplicaciones electrónicas de computadoras y de comunicaciones. La conductividad

eléctrica de estos materiales puede controlarse mediante el control preciso de su

pureza química, para su uso en dispositivos electrónicos como transistores, diodos y

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circuitos integrados. Los circuitos electrónicos pueden ser miniaturizados en un chip de

silicio (figura 1-7), además, los dispositivos microelectrónicos han hecho posible

muchos nuevos productos, como satélites, ordenadores, calculadoras, relojes digitales y

robots para soldadura.

Figura 1-6 El ala X de los helicópteros modernos depende de un material compuesto, en este caso de un polímero reforzado con fibra de carbono. 1.3 Competición Entre Materiales En El Mundo Actual

Los materiales compiten diariamente por su existencia y los nuevos mercados. El

tiempo, la tecnología y una diversidad de factores permiten la sustitución de los

materiales para diversas aplicaciones.

Factores como el costo, resistencia, ductilidad, densidad y resistencia a la degradación

por el ambiente permiten sustituir un material.

A lo largo de los últimos años se ha observado un incremento en el uso de aluminio y

polímeros por ser materiales ligeros.

En la industria aeronáutica comercial el metal ha sido parcialmente reemplazado por

materiales compuestos de menor densidad de tal forma, de reducir los costos directos

de combustible debido al peso muerto. La superficie exterior del avión esta estructurada

de compuestos avanzados, principalmente con refuerzos de kevlar y grafito (figura 1.8).

Debido que en algunas aplicaciones de diseño solo algunos materiales satisfacen las

necesidades, se debe considerar la disponibilidad y el costo. De este modo aunque el

costo sea un factor importante en el diseño de nuevos productos, los materiales

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utilizados deben reunir también características específicas. El reemplazo de un material

por otro continuará en el futuro, ya que se descubrirán nuevos materiales y nuevos

procesos se desarrollaran.

Figura 1-7 Revisión y empaque de microchips terminados.

Figura 1-8 Moderno avión estructurada de compuestos avanzados para reducir el costo en combustible por peso muerto. 1.4 Futuras Tendencias En El Uso De Materiales

Materiales metálicos La producción de metales básicos como hierro, acero, aluminio,

cobre, cinc y magnesio, se espera que sigan en la evolución de la economía. Sin

embargo, las aleaciones existentes pueden ser mejoradas por una química optimizada y

un mayor control de la composición y técnicas de procesamiento.

Nuevas y mejoradas aleaciones como las superaleaciones de base níquel a alta

temperatura, están siendo constantemente reformadas para aumentar su tenacidad a

altas temperaturas y su resistencia a la corrosión. Al ser usados en motores aumentan

su eficiencia trabajando a altas temperaturas.

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Nuevas técnicas de procesado como la presión isostática en caliente y la forja

isotérmica pueden mejorar la fatigosa vida de las aleaciones usadas en aviones. Así

mismo las técnicas de pulvimetalurgia seguirán siendo importantes, ya que optimizan

las propiedades de ciertas aleaciones a bajos costos.

La tecnología de solidificación rápida ya puede producir aleaciones metálicas en polvo

susceptibles de enfriamiento rápido, desde la fusión a velocidades tan altas como 1

millón de grados Celsius por segundo. Estos polvos son consolidados en barras por

varios procesos incluyendo la presión isostática en caliente.

Materiales poliméricos (plásticos) Es el material básico de mas alto crecimiento. Los

plásticos ya han sustituido a metales, vidrios y papel en la mayoría de los mercados de

volumen importante como la construcción, agricultura y medicina.

Se espera que sea el material menos caro a excepción del acero laminado en caliente.

Una tendencia es alear materiales poliméricos, así como producir nuevas aleaciones

plásticas sinergísticas.

Materiales cerámicos En la pasada década ha hecho su aparición una nueva familia

de cerámicos en ingeniería a base de nitruros, carburos y óxidos, estos materiales han

encontrado su uso para altas temperaturas y para cerámicos electrónicos. Los

materiales cerámicos son de bajo costo, pero su procesado hasta producto terminado

es lento y laborioso.

Estos materiales se dañan fácilmente por su baja ductilidad. Si se pudieran encontrar

nuevas técnicas para el desarrollo de cerámicos de alto impacto, estos materiales

podrían mostrar un resurgimiento para aplicaciones en ingeniería, donde existen altas

temperaturas y condiciones extremas. Las cerámicas de matriz compuesta son una

demostración del desarrollo/aplicación precomercial para aplicaciones a altas

temperaturas y tensiones mecánicas. Tales aplicaciones se incluyen en las turbinas de

gas e intercambiadores de calor.

Materiales compuestos Los plásticos reforzados con fibra son el tipo principal de este

material usado en la industria, siendo el vidrio la fibra dominante.

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Los materiales compuestos avanzado como las combinaciones epóxi de fibra de vidrio y

de grafito se aplican cada ves más en aplicaciones estructurales críticas.

Se espera que los aviones comerciales de nuevo desarrollo se construyan de

materiales compuestos. Muchos vehículos aeroespaciales modernos utilizan materiales

compuestos (epóxicos reforzados con carbono) en vez de aluminio, por su mayor

relación resistencia-peso.

Materiales semiconductores El uso del silicio y otros materiales semiconductores en

estado sólido y microelectrónico han mostrado un ostensible crecimiento desde 1970 y

se espera que este crecimiento continúe. El impacto de los ordenadores y otro tipo de

equipamiento industrial con circuitos integrados hechos de chips de silicio ha sido

espectacular. Los materiales electrónicos jugaran un papel vital en las factorías del

futuro, donde casi toda la manufactura puede ser hecha por robots asistidos por

máquinas controladas por ordenador.

1.5 Fuentes De Información Para Selección De Materi ales

Para realizar la selección de un material se debe recurrir a fuentes de información

concentradas en catálogos distribuidos por el fabricante, los cuales contienen la

información necesaria sobre las distintas propiedades de los materiales mediante una

relación tripartita, la cual relaciona la información proveniente de los ensayos

mecánicos, la microestructura del material conocida mediante microscopios y los

métodos de procesamiento (figura 1-9).

1.6 Consideraciones Involucradas En La Selección De Materiales

Los materiales se seleccionan para diversas aplicaciones y componentes adecuando

las propiedades del material a las condiciones funcionales requeridas por el

componente. El primer paso en el proceso de selección requiere que se analice la

aplicación para determinar las características más importantes que debe poseer el

material ¿Debe ser el material resistente, rígido o dúctil? ¿Estará sometido a la

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aplicación de una gran fuerza, o a una fuerza súbita intensa, a un gran esfuerzo, a

elevada temperatura o a condiciones de abrasión?.

Figura 1-9 Relación tripartita entre estructura, propiedades y método de procesamiento de los materiales. Información necesaria para la selección de un material. Deben tomarse una diversidad de decisiones importantes al seleccionar los materiales a

incorporar en un diseño, incluyendo si los materiales pueden ser transformados de

manera consistente en un producto, con las tolerancias dimensionales correctas y si

pueden mantener la forma correcta durante su uso. También, si las propiedades

mecánicas y físicas requeridas se pueden conseguir y mantener durante el uso; si el

material es compatible con otras partes de un ensamble y puede fácilmente unirse a

ellas; por otro lado, considerar que pueda reciclarse fácilmente y observar si el material

o su fabricación puede causar problemas ecológicos. Finalmente, si puede convertirse

de manera económica en un componente útil.

Como ejemplo, normalmente se calcula el costo del material con base en el costo por

libra de peso. Por lo tanto, en la selección debemos tomar en consideración la densidad

del material, la cual influye, por ejemplo, en el consumo de combustible de un vehículo

aeroespacial, donde el peso resulta crítico, ya que cualquier peso adicional incrementa

el consumo de combustible. Otro factor a considerar en la selección de materiales es la

temperatura, la cual altera de manera notable las propiedades de los materiales.

Dentro de la selección de materiales se debe plantear una pregunta sencilla y obvia

“¿Qué material debo seleccionar para determinada aplicación?”. En general los

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materiales de uso ingenieril (metálicos, poliméricos, compuestos, cerámicos y

semiconductores) son seleccionados por alguno de los siguientes criterios:

� Resistencia mecánica (propiedades mecánicas)

� Aplicaciones para altas temperaturas

� Resistencia a la fatiga

� Tenacidad

� Resistencia al desgaste

� Resistencia a la corrosión

� Características de procesamiento (maquinabilidad, soldadura, conformabilidad)

� Costo

� Disponibilidad

� Efectos ambientales sobre el comportamiento de los materiales

� Por ultimo se debe considerar el reciclaje del material

La selección de materiales es la decisión práctica final en el proceso de diseño

ingenieril, lo cual implica tomar dos decisiones importantes por separado. Primero, debe

decidirse qué tipo de material es adecuado (metálico, cerámico, etc.), considerando los

criterios descritos anteriormente, y en segundo lugar, en cada categoría debe

localizarse el mejor material especifico; por ejemplo, ¿es preferible una aleación de

magnesio al acero?, dentro de los materiales metálicos.

1.7 Propiedades Y Ensayos De Materiales

Para que un material cumpla su función durante un ciclo de vida esperado, debe tener

la forma correcta. La cual depende básicamente de la estructura interna del material, su

procesamiento y las propiedades finales del mismo. Cuando se modifica alguno de

estos tres aspectos de la relación, cualquiera de los restantes, o ambos, también

cambian.

El procesamiento de los materiales produce la forma deseada de un componente a

partir de un material inicialmente sin forma. Los metales se pueden procesar vertiendo

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metal líquido en un molde (fundición), conformando el metal sólido en formas útiles

mediante alta presión (forja, trefilado, extrusión, laminado, doblado), o compactando

pequeñas partículas de polvo metálico en una masa sólida (metalurgia de polvos). A

menudo un material se trata térmicamente por debajo de su temperatura de fusión para

lograr modificar su estructura, el tipo de procesamiento que utilizamos dependerá, por lo

menos de manera parcial, de las propiedades y por lo tanto, de la estructura del

material.

Las propiedades de un material se pueden definir en dos categorías: mecánicas y

físicas. Las propiedades mecánicas, que describen la forma en que el material

responde a una fuerza aplicada, incluyen resistencia, rigidez y ductilidad. Sin embargo,

a menudo estamos interesados en la manera en que se comporta un material al ser

expuesto a un golpe repentino e intenso (impacto), sometido a la aplicación de cargas

cíclicas en el tiempo (fatiga), expuesto a altas temperaturas (termofluencia) o sujeto a

condiciones abrasivas (desgaste). A menudo cambios estructurales pequeños tienen

un efecto profundo sobre las propiedades mecánicas.

Las propiedades físicas, que incluyen el comportamiento eléctrico, magnético, óptico,

térmico, elástico y químico dependen tanto de la estructura como del procesamiento de

un material.

Procesado de metales y aleaciones Los materiales metálicos de uso ingenieril

pueden ser obtenidos en tres categorías principales:

1. Aleaciones forjadas o conformadas

2. Aleaciones fundidas

3. Aleaciones obtenidas por pulvimetalurgia

Las aleaciones forjadas como las fundidas tienen en común el paso del estado líquido al

sólido (fusión y posterior solidificación). Las aleaciones fabricadas por pulvimetalurgia,

en cambio, tienen su origen en la aglomeración y sinterización de polvos metálicos (y/o

no metálicos), mezclados y tratados en estado sólido. La figura 1-10 esquematiza las

alternativas de fabricación de productos metálicos.

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Figura 1-10 Alternativas para procesado y fabricación de metales y aleaciones metálicas. 1. Aleaciones forjadas o conformadas Se obtienen inicialmente en la forma de

lingotes, por solidificación de un líquido en un gran molde ad hoc llamado lingotera. Los

lingotes tienen pesos entre algunos cientos de kilogramos y algunas toneladas, y

poseen dimensiones y formas no directamente utilizables. Por ello se le debe considerar

como un paso intermedio para la obtención de los productos forjados o conformados.

Por su origen, todos los lingotes tienen los defectos típicos de una pieza fundida, entre

las cuales destacan:

� Alta segregación en composición química.

� Gran tamaño de grano y orientación de estos en la dirección de la extracción de

calor.

� Microporosidades

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Estas características hacen que un material metálico en forma de lingote tenga

propiedades mecánicas heterogéneas (segregación en composición, y granos grandes

y orientados) y, además, pobres desde el punto de vista de la resistencia y tenacidad

(tamaño de grano grande). Si el lingote es deformado en caliente, por operaciones de

laminación y/o forja, se logra la eliminación de la microporosidad, la homogenización de

la composición química, y un fuerte refinamiento de la estructura de granos del material.

Con esto se obtiene la categoría de materiales forjados o conformados mostrados en la

figura 1-11.

Figura 1-11 Barras, laminas y perfiles son productos conformados obtenidos de un lingote. 2. Aleaciones para fundición Estas son vaciadas desde su estado líquido a un molde

con la geometría final, y con las dimensiones aproximadas de la pieza a utilizar. Tienen

los mismos defectos de las piezas fundidas comentados anteriormente, con la

diferencia que en este caso los defectos no son eliminados, por no haber operaciones

de conformado a continuación de la fabricación de la pieza fundida.

En esta categoría de materiales es posible disponer de piezas fundidas (figura 1-12) en

dos alternativas de condición final: piezas en la condición como fundida, y piezas

tratadas térmicamente. En el primer caso, la pieza mantendrá todos sus defectos, en

tanto en el segundo eliminará en gran medida la microsegregación, adquiriendo a la vez

un tamaño de grano más fino. Las microporosidades, en cambio, no se eliminan con el

tratamiento térmico.

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Figura 1-12 La diversidad de piezas fundidas ilustradas son obtenidas en moldes permanentes de fundición. 3. Aleaciones obtenidas por pulvimetalurgia La tercera categoría de materiales

incluye a aquellos fabricados por procesos de pulvimetalurgia. En este caso la pieza se

fabrica a partir de polvos metálicos, los cuales se mezclan en estado sólido, se

compactan en una matriz con la forma de la pieza, y se sinterizan a temperaturas

elevadas (figura 1-13). Mediante este último tratamiento, se logra el “pegado” de las

partículas metálicas entre sí, dándose lugar a un mayor grado de densificación del

producto. Esta última variable permite diseñar productos con un cierto grado de

porosidad.

La técnica de pulvimetalurgia es la única que permite la obtención de materiales

compuestos, prácticamente imposibles de obtener por otros medios: cobre-carburo de

tungsteno (contactos eléctricos), cobalto-carburo de tungsteno (herramientas de corte),

etc. La figura 1-14 muestra algunos ejemplos y aplicaciones de compuestos

pulvimetalúrgicos.

Propiedades mecánicas La gran mayoría de los materiales se utilizan en diseños

ingenieriles por muchas razones, pero por lo regular sirven como elementos

estructurales. Por esta razón nos concentraremos en las propiedades mecánicas, las

cuales pueden resumirse en.

� Resistencia a la tracción

� Resistencia a la fluencia

� Ductilidad

� Tenacidad

� Dureza

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Las propiedades pueden alterarse por:

� Tratamientos térmicos (ciclos térmicos)

� Tratamientos termoquímicos (carburización)

� Tratamientos termomecánicos (deformación)

� Procesos de fabricación (soldadura)

Figura 1-13 Los polvos metálicos se mezclan en estado sólido y compactan en una matriz con la forma geométrica de la pieza. La sinterización a elevadas temperaturas produce el pegado de las partículas densificando el producto.

Figura 1-14 Ejemplos y aplicaciones de compuestos pulvimetalúrgicos.

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Sin embargo, se debe saber cómo se obtienen las propiedades listadas en los

manuales, saber qué significan y darse cuenta que resultan de pruebas ideales que

pueden no aplicarse con exactitud a casos reales de la ingeniería.

Ensayos mecánicos Los ensayos son realizados según normas para asegurar

procedimientos, de tal forma de disponer de resultados comparables y realizar

especificaciones. Ejemplos de normas aplicadas en materiales son:

ASTM: American Society For Testing Materials

AISI : American Iron And Steel Institute

SAE : Society Of Automotive Engeneering

NCH : Norma Chilena

CDA : Copper Development Association

UNS : Unified Numbering System

DIN : Instituto de estándares alemán

ISO : Organización internacional de normalización

Deformación elástica y plástica Cuando una pieza es sometida a una fuerza de

tracción axial se produce una deformación del metal. Si el metal vuelve a sus

dimensiones cuando la fuerza cesa, se dice que el material a experimentado una

deformación elástica. Si el metal es deformado hasta un punto que no puede recuperar

completamente sus dimensiones originales, se dice que ha experimentado una

deformación plástica.

Esfuerzo y deformación en ingeniería La figura 1-15 entrega valores de la carga (F)

y desplazamiento (u) sobre una probeta normalizada de longitud l0 y un área de la

sección transversal A0 sometida a una fuerza de tensión uniaxial F. Por definición el

esfuerzo σ en la barra es igual al cociente entre la fuerza uniaxial media F y la sección

transversal original A0.

Esfuerzo σ = F (fuerza de tensión uniaxial) A0 (área original de la sección transversal)

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Al aplicar la fuerza de tensión uniaxial a la probeta se produce una elongación en la

dirección de la fuerza. Tal desplazamiento se llama deformación. Por definición la

deformación en la barra es igual al cociente del cambio de longitud de la muestra en la

dirección de la fuerza dividido por la longitud original.

Deformación e = l-l0 (∆l variación de la longitud de la muestra) l0 (longitud original de la muestra) La mayoría de los datos o resultados de las propiedades mecánicas (resistencia, ductilidad) se generan a partir del ensayo de tracción.

Figura 1-15 Diagrama esfuerzo-deformación para una probeta normalizada. Ensayo De Tracción El ensayo de tracción mide la resistencia de un material a la

aplicación gradual de una fuerza axial. La prueba consiste en romper la muestra de

metal en un periodo de tiempo relativamente corto a una velocidad constante. La figura

1-16 es una fotografía de una moderna máquina de ensayo de tracción e ilustra

esquemáticamente como se analiza una muestra por tensión.

Los resultados pueden aplicarse a todos los tamaños y formas si se transforma o

normaliza la fuerza a esfuerzo y el desplazamiento en deformación.

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Figura 1-16 A la izquierda una máquina de ensayo de tensión. La figura de la derecha es una ilustración esquemática del modo de operación. Los datos obtenidos del registro gráfico del ensayo permite construir una gráfica del

esfuerzo mecánico respecto a la deformación. La figura 1-17 muestra un diagrama de

esfuerzo-deformación.

Figura 1-17 Curva esfuerzo-deformación obtenida a partir del ensayo de tracción.

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Las propiedades mecánicas de metales y aleaciones que pueden ser obtenidas a través

del ensayo de tracción son:

Módulo de elasticidad Al iniciar el ensayo la deformación que sufre la muestra es de

naturaleza elástica. Para los metales la máxima deformación elástica es normalmente

inferior al 0.5%. En general, los metales y las aleaciones muestran una relación lineal

entre el esfuerzo y la deformación en la región elástica del diagrama esfuerzo-

deformación que esta descrito por la ley de Hooke.

σ (esfuerzo) = E e (deformación elástica)

E = σ (esfuerzo)

e (deformación elástica)

Donde E (propiedad de cada material relacionada con la temperatura de fusión) es el

módulo de elasticidad o módulo de Young, relacionado con la fuerza de enlace entre los

átomos en un metal o aleación.

Esfuerzo de fluencia El esfuerzo de fluencia corresponde a la fuerza o carga a la que

un metal o aleación experimenta una deformación plástica significativa. El esfuerzo de

fluencia se determina a partir del diagrama de la curva esfuerzo-deformación.

Resistencia máxima a la tensión La resistencia máxima a la tensión es la máxima

fuerza alcanzada en la curva esfuerzo-deformación. Al disminuir el área de la sección

transversal de la muestra (comúnmente llamado garganta o estricción) el esfuerzo

disminuirá hasta que se produzca la ruptura. Mientras más dúctil es un metal, más se

alargará la muestra antes de la ruptura y, por consiguiente, mayor será la disminución

en el esfuerzo sobre la curva esfuerzo-deformación más allá del máximo esfuerzo.

Porcentaje de elongación La cantidad de elongación que una muestra experimenta

durante la prueba proporciona información sobre la ductilidad de un metal, en general, a

mayor ductilidad (cuanto más deformable es el material), mayor es el porcentaje de

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elongación. El porcentaje de elongación puede calcularse uniendo la muestra ya

fracturada y midiendo la elongación final a partir de la ecuación:

% elongación = longitud final-longitud inicial * 100

longitud inicial

% elongación = l-l0 * 100 l0

Porcentaje de reducción del área La ductilidad de un metal o aleación también puede

expresarse en términos del porcentaje de reducción del área. Así, después del ensayo

se mide el diámetro de la sección transversal reducido luego de la fractura para calcular

el área final de la muestra. Usando las medidas del diámetro inicial y final el porcentaje

de reducción puede ser determinado a partir de la ecuación:

% reducción del área = Área inicial-área final * 100

área inicial

% reducción del área = A0-Af * 100 A0

Esfuerzo real-deformación real: El esfuerzo se calcula dividiendo la carga aplicada F

sobre la probeta ensayada por el área de su sección original, A0. Pero debido a que el

área de la muestra varia continuamente durante el ensayo, el calculo del esfuerzo no

puede ser preciso. De este modo, una vez que comienza la estricción durante el ensayo

de tensión, el esfuerzo real es mayor que el esfuerzo en ingeniería o real.

Ensayo de fatiga Los ensayos de fatiga permiten caracterizar y evaluar el

comportamiento de materiales frente a solicitaciones cíclicas. Las cargas aplicadas son

siempre menores que las necesarias para ocasionar macrofluencia. Con muchos ciclos

se va sumando las microdeformaciones y aparecen en la superficie grietas, que en

momentos de esfuerzos de tracción crecen, y por tanto el área resistente es menor y

luego de "n" ciclos se produce la falla por fatiga.

El ensayo de fatiga más común es la prueba de balancín rotatorio, en la cual la

superficie de la muestra se pule y se le da forma ligeramente afilada hacia el centro

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para luego ser sometida a esfuerzos alternativos de tensión y compresión de igual

magnitud mientras se la hace girar. La figura 1-18 es una fotografía de una moderna

máquina de ensayo de fatiga e ilustra un diagrama esquemático de una máquina de

fatiga.

Los datos obtenidos del registro gráfico del ensayo permite construir una gráfica de

curvas, en las cuales el esfuerzo que origina el fallo es representado frente al número

de vueltas o ciclos para las que se ha producido el fallo. La figura 1.19 muestra un

diagrama de esfuerzo y número de ciclos a la fractura de un acero de herramienta y de

una aleación de aluminio.

Figura 1-18 A la izquierda se ilustra una máquina para ensayo de fatiga. A la derecha diagrama esquemático de una máquina de fatiga de flexión alternada de R-R moore.

Figura 1-19 Curvas de esfuerzo frente a número de ciclos (SN).

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Al someter una muestra de metal dúctil homogéneo a esfuerzos cíclicos, se producen

cambios estructurales básicos durante el proceso de fatiga:

1. Iniciación de la fractura. Aparecen los primeros síntomas del daño ocasionado por

fatiga.

2. Crecimiento de la banda de deslizamiento de la fractura. El inicio de la fractura se

debe a que la deformación plástica no es un proceso completamente reversible. La

deformación plástica en una dirección, alternativamente en un sentido y después en

sentido opuesto, origina arrugas superficiales y ranuras llamadas extrusiones e

intrusiones en banda deslizante que se crean en la superficie de la muestra. Estas

irregularidades originan la fractura, las cuales se propagan dentro de la muestra a lo

largo de planos sometidos a altos esfuerzos cortantes. Esto se llama fase I del

crecimiento de la fractura por fatiga, donde la velocidad de crecimiento de la fractura es

por lo general muy baja.

3. Crecimiento de la fractura en planos de alto esfuerzo de tensión. Durante la fase I la

fractura puede crecer en un metal policristalino solamente unos diámetros granulares

antes de que cambie su dirección para ser perpendicular a la dirección del esfuerzo de

máxima tensión en la muestra. En la fase II una fractura definida se propaga a una

escala relativamente rápida y se crean estrías por fatiga a medida que la fractura

avanza a través de la sección transversal de la muestra. Estas estrías son útiles en la

determinación del origen y la dirección de propagación de las fracturas que producen el

fallo.

4. Fallo dúctil terminal. Finalmente cuando la fractura cubre un área suficiente para que

el metal restante en la sección transversal no pueda soportar la carga aplicada, la

muestra se rompe por un fallo dúctil.

La resistencia a la fatiga de un material puede verse afectada por factores como: 1. Concentración de esfuerzos.

2. Rugosidades superficiales.

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3. Estado de la superficie: Debido a que los fallos por fatiga se producen en la superficie

del material, cualquier cambio (como tratamientos de endurecimiento) en las

condiciones de la superficie afectara la resistencia a la fatiga.

4. El medio ambiente. El ambiente corrosivo acelera la velocidad a la cual se propaga la

fatiga.

Ensayo de termofluencia Para diseños que operan a elevadas temperaturas, la

termofluencia de los materiales es el factor limitante con respecto a la temperatura

máxima de operación.

Para determinar las características de termofluencia de un material se aplica un

esfuerzo constante a una probeta cilíndrica policristalina colocada en un horno a

temperatura constante (muchos ensayos son realizados usando diferentes grados de

esfuerzo a temperatura constante o diferentes temperaturas a esfuerzo constante). En

la figura 1-20 se puede observar una máquina utilizada en los ensayos de termofluencia

y un esquema representativo. Cuando el cambio de longitud de la muestra, por encima

de un periodo de tiempo, se representa frente a incrementos de tiempo, se obtiene una

curva de termofluencia tal como muestra la figura 1-21.

Figura 1-20 A la izquierda una moderna máquina utilizada en los ensayos de termofluencia. A la derecha se observar un esquema general del ensayo.

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Figura 1-21 Curva típica de termofluencia para un metal. En la gráfica se representa el tiempo frente al comportamiento bajo deformación de un metal o aleación sometido a una carga constante y temperatura constante. La segunda etapa de la termofluencia es la de mayor interés para el ingeniero por las condiciones en las cuales se produce la termofluencia generalizada. La curva de termofluencia indica primero una instantánea y rápida elongación de la

muestra. Seguidamente la muestra exhibe una etapa en la que la rapidez de la

deformación decrece progresivamente con el tiempo. La pendiente de la curva se llama

rapidez de la termofluencia. Así durante la primera etapa, la rapidez de la termofluencia

decrece con el tiempo y el metal se endurece por deformación para soportar la carga

aplicada. Después de la etapa primaria tiene lugar la segunda etapa en la que la

rapidez de la termofluencia se mantiene constante, por lo cual se denomina

termofluencia de estado estacionario. Finalmente, en la tercera etapa, se produce un

incremento exponencial de la rapidez de la termofluencia con el tiempo debido a la

estricción de la muestra hasta la deformación para la cual se produce la fractura. La

curva depende básicamente de la carga aplicada y de la temperatura. Así esfuerzos y

temperaturas elevadas aumentan notablemente la rapidez de la termofluencia.

Ensayo de impacto (Charpy) La capacidad de un material de resistir un impacto y

absorber la energía antes de fracturarse suele denominarse tenacidad. El ensayo de

impacto es realizado para poder seleccionar y/o evaluar un material ante solicitaciones

de impacto. Una fotografía y un diagrama esquemático de una máquina sencilla de

ensayo de impacto aparecen representados en la figura 1-22. Un método de utilización

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de este aparato consiste en colocar una muestra con talla V Charpy (mostrado en la

parte superior de la figura) entre mordazas paralelas en la máquina. En el ensayo, un

péndulo pesado que parte desde una altura H0, gira describiendo un arco para luego

golpear y fracturar la probeta alcanzando una altura final Hf. Conociendo la masa del

péndulo y la diferencia entre su altura inicial y final, se puede medir la energía absorbida

por la fractura. La figura 1.23 muestra el efecto relativo de la temperatura sobre la

energía de impacto. Este ensayo puede ser usado en la determinación del rango de

temperaturas para la transición de dúctil a quebradizo, en metales y aleaciones, a

medida que la temperatura disminuye. Los materiales BCC al ser ensayados a distintas

temperaturas presentan el comportamiento típico descrito en la curva de la figura 1-23.

Baja temperatura frágil, alta temperatura dúctil.

Figura 1-22 A la izquierda se ilustra una moderna máquina para el ensayo de impacto. A la derecha un esquema de un aparato estándar.

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Figura 1-23 Efecto de la temperatura sobre la energía absorbida durante el impacto. Resultados del ensayo de impacto El contenido de carbono en los aceros afecta a

este rango de temperatura de transición, como muestra la figura 1-24. No todos los

materiales presentan una temperatura de transición. En el diagrama se observa que los

materiales de estructura BCC tienen temperatura de transición y la mayoría de los

metales de estructura FCC no la tienen, pero pueden absorber altas energías las cuales

decrecen gradual y lentamente. Obsérvese que en los aceros al carbono (BCC) a

medida que disminuye su % de carbono, aumenta la energía absorbida en impacto a

altas temperaturas, y no así a bajas temperaturas. Además, cuando aumenta el

contenido en carbono, los aceros se vuelven más quebradizos y se absorbe menos

energía en el impacto durante la fractura. Otro factor importante es el tamaño de grano,

un material con tamaño de grano grande posee un comportamiento más frágil.

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Figura 1-24 Representaciones del efecto del contenido en carbono sobre la temperatura de la energía de impacto para distintos aceros, propiedades de dos aceros al carbono (BCC) y un acero inoxidable (FCC) en un ensayo charpy con probeta con muesca en V.

Ensayo de dureza La dureza es una medida de la resistencia de un metal a la

deformación (plástica) permanente. El ensayo de dureza mide la resistencia a la

penetración o deformación puntual sobre la superficie de un material, efectuada por un

elemento penetrador que es generalmente una esfera, una pirámide o un cono,

fabricado de un material mucho más duro que el material que está siendo ensayado

(por ejemplo, de acero endurecido, de carburo de tungsteno, o de diamante). Para la

mayoría de los ensayos se emplea una carga conocida, presionando gradualmente el

penetrador a 90° en la superficie de la muestra. Después de realizada la hendidura se

retira el elemento penetrador de la superficie (figura 1-25).

Los valores de dureza empíricos se calculan a partir de fórmulas usando las mediciones

de la geometría de la hendidura. Las mediciones de microdureza se hacen mediante el

uso de un microscopio de alta potencia. La figura 1-26 muestra un moderno controlador

de dureza.

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Se han diseñado diversas pruebas de dureza, pero las más comúnmente usadas son

los ensayos Brinell, Vickers, knoop y Rockwell, dependiendo el número de dureza de la

forma del penetrador y la carga aplicada.

Figura 1-25 Prueba de dureza, etapas en la medida de dureza con penetrador cono de diamante.

Figura 1-26 Moderno controlador de dureza.