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FIUBA - MATERIALES INDUSTRIALES II MATERIALES METALICOS

MATERIALES INDUSTRIALES II

Capitulo 1 MATERIALES METALICOS

segunda parte


��titaniotitanio

Ti

22

47.867


��Titanio sus propiedadesTitanio sus propiedades

Propiedades básicas del Ti comparada con otros metales

Propiedad Ti Fe Ni Al

Temperatura de Fusión [0C] 1670 1538 1455 660

Transformación alotrópica [0C] 882 β→α 912 γ→α - -

Estructura cristalina bcc → hcp fcc → bcc fcc fcc

E (modulo de elasticidad) [GPa] 115 215 200 72

Densidad [gr./cm3] 4,5 7,9 8,9 2,7

Resistencia a la corrosión Muy alta Baja Media Alta

Reactividad con el oxígeno Muy alta Baja Baja Alta

Precio comparativo Muy alto Bajo Alto Medio

Por qué utilizar Aleaciones de Titanio

Alta relación » resistencia/densidad

Buenas propiedades mecánicas hasta 5500C

Alta resistencia a la corrosión

Alto costo

Excelente biocompatibilidad

Ácido sulfúrico, clorhídrico, fosfórico, fluorhídrico

Soluciones salinas, cloruros, hipocloritos, sulfatos, soluciones de

ácido nítrico y crómico

Inadecuado en ambientes reductores

Adecuado en ambientes oxidantes

En agua de mar potencial similar a aleaciones como :

Hastelloy, Inconel, Monel y acero inoxidable

Mayor resistencia a la corrosión por picado

Resistencia a la corrosión


��estabilizadores estabilizadores α

β

αTemperatura

Ti % aleante

Neutros: Zr, Sn

β

α+βα

Temperatura

Ti % aleante

Isomorfos: Al, O, N, C


��estabilizadores estabilizadores β

β

α+βα

Temperatura

Ti % aleante

Isomorfos: V, Mo, Nb, Ta

β

α+βα

Temperatura

Ti % aleante

α++++ TiXAY

β++++ TiXAY

β eutectoides: Fe, Cr, Si


��caractercaracteríísticas de las aleaciones de titaniosticas de las aleaciones de titanio

�diagrama Ti-Al

Características de aleaciones α

• Endurecimiento por solución sólida

• Tienen una relativamente amplia solubilidad sólida

• Alta temperatura de transición alotrópica

• Baja Densidad

• Resistencia moderada

• Buena estabilidad Térmica

• Monofásica o con pequeñas cantidades de 2da fase

• No responden a Tratamiento Térmico

• Buena soldabilidad

Características de aleaciones β

• Son las aleaciones de Ti mayor de mayor resistencia

• Son más densas por el alto contenido de Mo, V, Fe

• Responden a Tratamiento de solubilizaciòn y envejecimiento

• Son fácilmente deformadas en frìo (BCC)

• Se puede aumentar su resistencia con un posterior

envejecimiento

Características de aleaciones α-β

• La más importante de estas aleaciones es Ti-6Al-4V

• Buen balance entre resistencia, ductilidad y propiedades de

fatiga y fractura

• Buena respuesta a Tratamiento Térmico


��titanio usostitanio usos

•Chapas y flejes para uso industrial • Barras para uso industrial • Caños con y sin costura • Tubos con y sin costura para condensadores y/o intercambiadores de calor • Titanio sin alear para implantes quirúrgicos • Ti 6Al 4V ELI para uso en implantes quirúrgicos • Varillas y electrodos para soldadura


��energiaenergia de la fracturade la fractura

Energía (trabajo) para producir a fractura ≥

Energía de superficie γs + Energía de deformación plástica γp

γs : Energía por unidad de área superficial ( Joule/m2)

γp: Energía por unidad de volumen ( Joule /m3)

En los metales γp aprox. 104 γs


��concentraciconcentracióón de esfuerzosn de esfuerzos

Concentración de esfuerzos:

si abrimos un hueco de radio r a través de

una barra reducimos la sección transversal

de la barra, con lo cual:

trw

PSn

)2( −=



trw

PSn

)2( −=

El esfuerzo que se mide a los lados del hueco no es el esfuerzo nominal, sino que es mucho mayor . Los esfuerzos se concentran en el borde del hueco

Sn : esfuerzo nominal

P : carga

w: ancho

t: espesor



Mientras menor sea larelación del radio del hueco respecto al anchode la barra mayor será

el factor de concentración

de esfuerzos Kσ , el cualEs aproximadamente 2,8 para una relación de 0,05, tal como se puede apreciar en el grafico presente


��tenacidad a la fracturatenacidad a la fractura

1. La capacidad de un defecto o un concentrador de esfuerzos para ocasionarfalla “catastrófica” depende de la tenacidad a la fracturatenacidad a la fractura, que es una una propiedad el materialpropiedad el material

2. La concentración del esfuerzo depende de la geometría del defecto y delcomponente , pero no de las propiedades del material.

Para predecir la resistencia a la fractura debemos predecir la severidad de

la concentración del esfuerzo y la tenacidad a la fractura del material.

Considerando estos puntos procedamos a investigar la evaluación cuantitativa de la tenacidad a la fractura


��Griffith : la mecGriffith : la mecáánica de la fractura del vidrionica de la fractura del vidrio

El esfuerzo para ocasionar una falla disminuye a medida que aumenta el tamañodel defecto. Desarrolló la siguiente expresión:

σf : esfuerzo de fractura ( lb/pulg2 o Mpa)a: mitad de la longitud de la grieta (pulg. o m )E: modulo de elasticidad ( lb/pulg2 o Mpa )γs : energía necesaria para aumentar la grieta por unidad de área ( pulg.lb/pulg2 o J/m2)

a

Cf

.πσ =

a

sEf

πγ

σ2

=

La constante C (lb./pulg2 pulg. o MPa√m es proporcional a la energia necesaria para la fractura


��la mecla mecáánica de la fractura aplicada a los metalesnica de la fractura aplicada a los metales

La diferencia en la fractura de los metales es la presencia de deformación plástica

en la raíz de la grieta que se esta propagando. La tenacidad a la fractura es pro-porcional a la energía consumida en la deformación plástica

Se utiliza un parámetro denominado factor de intensidad de esfuerzo o KI paradeterminar la tenacidad a la fractura de muchos materiales , que es una medidade la concentración de los esfuerzos en la raíz de una grieta aguda. Para unmaterial agrietado la falla catastrófica ocurre cuando le factor de intensidad llegaa un valor critico conocido como K Ic que precisamente se denomina tenacidad

a la fractura del material

KIc : tenacidad a la fractura (Mpa √m )σf : esfuerzo nominal de fractura (Mpa)a: long. de la grieta ( o la mitad s/geometría )Y: factor adimensional función de la geometríadel componente que contiene la fisura

aY

Kf

Ic

πσ =


��la mecla mecáánica de la fractura aplicada a los metalesnica de la fractura aplicada a los metales

Cuando Y = 1 , KIc es equivalente a la cte C de la ecuación de Griffith

Para una grieta en el borde la longitud de la grieta es a . Para una grieta en

el centro la longitud de la grieta es 2a

En la ecuación anterior para una grieta en el borde el valor de a es la longitud de la grieta y para una grieta en el centro el valor de a es la longitud de la grieta dividida por dos.

La relación entre la intensidad de esfuerzo KI y la tenacidad a la fractura K Ices semejante a la relación entre esfuerzo y resistencia a la tracción.

Para una longitud de grieta dada KI es 0 si σ es 0, y aumenta en forma lineal con el esfuerzo aplicado y la raíz de la longitud de la grietaK Ic siempre tiene un valor pues depende del material !!!

YaKIc ×= πσ

�modos de fractura

de abertura de deslizamiento de desgarramiento


��Espesor de la muestra y tenacidad a la fracturaEspesor de la muestra y tenacidad a la fractura

Hemos introducido un factor de corrección geométrico Y .

El ancho y el espesor también se deben tener en cuenta junto con el comportamiento estructural.

El factor Y incluye estos efectos geométricos , excepto por el espesor, el cual es importante pues un material puede presentar un

comportamiento dúctil en una lamina delgada y frágil en una placa

gruesa


��esfuerzo planoesfuerzo plano

Consideremos que se carga en la dirección y, a) la región cercana a la muesca se comporta como sihubieran varias barras de tensión .Si cada barra se pudiera contraerlibremente en la dirección x , el dia-metro se contraería a medida que lamuestra se estirara.

La relación de la deformación en ladirección x respecto a la producidapor la tensión en la direccióny se denomina Relación de Poisson

que para el acero tiene un valoraproximado de 0,3


��esfuerzo planoesfuerzo plano

En el material las pequeñas “probetas”bajo tensión no se pueden contraerentre si por lo cual aparece un esfuerzo

localizado σx que impide la contracciónen la dirección x. Este esfuerzo es 0 en lamuesca pues no hay material y varia verFig. ( c ).

Debido a ser delgada la muestra no sedesarrolla una condición similar en la di-rección z .Tenemos esfuerzos finitos solo en lasdirecciones x e y , que están en un planolo cual se denomina esfuerzo plano.

También debido a que las muestrasdelgadas se pueden contraer según z através del espesor , la deformación enla dirección z no es igual a cero.


��deformacideformacióón planan plana

Usando el mismo razonamiento anterior en caso de una placa gruesa, las “probetas” están restringidas en ladirección z, también se desarrolla unesfuerzo en la dirección z , ya no tenemoscondición de esfuerzo plano, sin embargoen el centro de la muesca no tiene libertadde estrecharse, como en el caso de la lamina delgada, pues esta restringidapor la masa de material en la dirección z. La deformación en la dirección z es aprox. cero.La deformación es finita en las direc-ciones x e y por lo cual tenemos deformación plana.


��variacivariacióón de la tenacidad de fractura con el espesorn de la tenacidad de fractura con el espesor

En resumen tenemos esfuerzo plano enmuestras delgadas y deformación plana enplacas gruesas.

Para placas delgadas la tenacidad a la fractura se denomina KC .

Para placas gruesas la tenacidad a laFractura se denomina KIC

Muchos años de ensayos han demostradoque una placa es “gruesa” si su

Espesor ≥2,5.

2

y.s.σ

ICK

σ y.s. es la tensión de fluencia

tenacidad a la fractura

El valor critico que causa la falla de la placa se denomina

tenacidad a la fractura ( ka sub uno ce )

KIC = Y σf √πa

�medida de la tenacidad a la fractura

Para ser valido no debe haber deformación en la dirección de la entalla (z)

B >> a deformación plana

B = 2,5 (KIC/σy elástico)2

El valor de la tencidad a la fractura se usa en diseño para predecir el tamaño de fisurapermitido


��mecmecáánica de fractura y disenica de fractura y diseññoo

La relación mencionada esta incorporada en las normas ASTM (“ American Societyfor Testing Materials “) E 399 , para los ensayos de tenacidad la fractura .

1.La tenacidad a la fractura KIC o KC se determina por ensayos según ASTM E399

2.La longitud de la grieta “a” se puede determinar por inspección rigurosa o bien estimar conservadoramente.

3. El esfuerzo σ y su distribución se puede determinar por análisis de esfuerzos . Esta es una variable de diseño

aY

Kf

Ic

πσ =

2 de los 3 parámetros enunciados determina el tercero

“Y” esta relacionado con el tamaño de la fisura adoptadoSe adopta como seguridad que la longitud de la grietasea un fracción del tamaño critico


��tenacidad a la fractura vs. resistencia a la fluenciatenacidad a la fractura vs. resistencia a la fluencia

La tenacidad a la fractura de los metales y aleaciones disminuye a medida que aumenta la resistencia a la fluencia , por lo tanto cuando usamos un material de muyalta resistencia ( para reducir el tamaño y peso) , el tamaño de las fisuras que se pueden admitir son cada vez mas pequeñas.

�tenacidad a la fractura de aleaciones metálicas

Los materiales con baja deformación plástica antes de la fractura poseen bajos valores de KIC y tienden a ser mas frágiles


��ejemplo para resoluciejemplo para resolucióónn

Dos soportes rectangulares están tensionados y se trataron para producir martensita. El soporte A es de 4340V ( Cr,Mo+V) y se dio un revenido a 427°C y el soporte B se ha revenido a 260°C. El espesor de cada soporte se ha ajustado de tal manera que cada uno soporta una tensión σD = 60% de la resistencia a la fluencia

L

B

w

a


��ejemplo para resoluciejemplo para resolucióón ( n ( cont.cont. ))

Calcule con la sig. formula los tamañoscríticos de las fisuras

2/3IC

1

265,0857,01265,0

−

++

−=

w

a

w

a

w

aa

K

c

c

cc

D

πσ

Despejando ac calcule los resultados ysaque sus conclusiones !!!!!

51 ksi√pulg

97 ksi√pulg

K Ic

137 ksi115 ksiσD

228 ksi191 ksiσ Y.S.

4340Vrev a 260°C

4340Vrev a 427°C

Propiedades del

material

0,59 pulg.

0,7 pulgB

4 pulg.4 pulg.W

16 pulg.16 pulg.L

Soporte

B

Soporte

A

Dimensiones

de los soportes

�fallas por fatiga

Sometido a esfuerzos cíclicos rompe a una tensión muy por debajo de la que soporta estáticamente.

Fallas comunes en: Ejes-Bielas-Engranajes

Factores que más afectan:

� Concentración de tensiones� Rugosidad superficial� Estado superficial� Medio ambiente


��fallas retardadas : la fatiga y el agrietamiento por corrosifallas retardadas : la fatiga y el agrietamiento por corrosióónn

NI: no. de ciclos para iniciar la fallaNP:no. de ciclos para la propagación de la fallaNI + NP = Ntotal

La falla catastrófica se produce cuando NT=NI+NP


��iniciaciiniciacióón de las grietas por fatigan de las grietas por fatiga

Zona de iniciación de las grietas pueden ser zonas libres de defectos por la formación de pequeños concentradores de tensiones o por estado superficial


��iniciaciiniciacióón de las grietas por fatigan de las grietas por fatiga

Zona con defectosinternos quepueden ser poros ( de gas )o inclusiones nometálicas


��propagacipropagacióón de las grietas por fatigan de las grietas por fatiga

Dos muestras idénticas I y II , sometidas a iguales cargas pero con grietas previas diferentes aI>aII , se ensayan a fatiga y durante el ensayo se para periódicamente para medir el tamaño de las grietas vs. numero de ciclos acumulados en el momento de la medición

�propagación de las grietas por fatiga

dA velocidad de crecimiento de la fisura

dn

A y m constantes que dependen del material, medio ambiente, temperatura

∆ K = K máx - K mín variación del factor de intensidad de tensión

dAdN

═ A∆Km

�velocidad de propagación de las grietas por fatiga


��propagacipropagacióón de las grietas por fatigan de las grietas por fatiga

Conclusiones

1. Cuando la longitud de la grieta es pequeña , la velocidad de crecimiento de lagrieta ∆a/∆N es pequeña

2. La velocidad de crecimiento de la grieta aumenta a medida que aumenta la lon-gitud de la grieta

3.Bajo condiciones idénticas de esfuerzo cíclico ,las grietas inicialmente mas grandes se propagan y fallan en menor cantidad de ciclos

4. A igual esfuerzo cíclico e igual geometría de las muestras y de las grietas , la longitud de las grietas, en el momento de la falla será también la misma, indepen-diente de la longitud inicial de la grieta y del numero de ciclos antes de que sePresente la falla


��agrietamiento por corrosiagrietamiento por corrosióón con esfuerzo ( SCC, Stress ,n con esfuerzo ( SCC, Stress ,CorrosionCorrosion , , CrackingCracking))

Los ambientes industriales no son inertes , además existen interacciones mas sutilesque pueden limitar la vida de servicio , una de las mas peligrosas es el agrietamientopor corrosión con esfuerzos ( SCC ) que es muy difícil de detectar porque :

• Los medios ambientales que son ligeramente corrosivos para el material pueden ocasionar SCC severo

• La presencia del componente nocivo del medio ambiente puede ser muy pequeña y su presencia difícil de detectar.

• El ataque puede ser muy localizado y se pueden propagar pequeñas grietas sin ser detectadas

• Los esfuerzos residuales son a veces suficientemente grandes y producen SCC , aún en ausencia de la aplicación de esfuerzos.



Variación del tiempo de falla debido a SCC Variación de la velocidad de crecimientode la grieta con la intensidad del esfuerzo



Recipiente conformado por em-butido profundo que se agrietoen pocas horas en contacto conatmósfera no agresiva. Básica-mente por altas tensiones resi-duales.


��apariencia de la fracturaapariencia de la fractura

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