CARGA MAXIMA APLICADA PARA EL ACERO A-105Las normas de prueba de pernos indican cargarlo contra su propio hilo, sin utilizar una probeta representativa. Esto genera un valor llamado carga de prueba, la cual puede utilizarse para diseñar en reemplazo de la resistencia a la fluencia. Se adjuntan las marcas con que se indica el grado de resistencia de los pernos, para las normas SAE, ASTM y Métrica. Se adjunta también la tabla de marcas de los productos American Screw.

MARCAS DE GRADOS DE RESISTENCIA PERNOS DE ACERO

MARCA A.S. GRADO

RESISTENCIA

ESPECIFICACION ALGUNOS USOS

RECOMENDADOS

Resistencia a la tracción

mínima

[Kg/mm2]

Límite de fluencia

mínima

[Kg/mm2] DUREZA SAE

grado ISO

clase ASTM

GRADO 8

8 10,9  

Para requerimientos de alta resistencia a la tracción, flexión, cizalle, etc.  Culata de motores, paquete de resortes, pernos para ruedas vehículos pesados, bielas, etc.

105 88 31 - 38 Rc

Fuente: Catálogo de productos American Screw

Es importante distinguir dos casos: perno en tracción y perno en corte. En el primer caso se puede usar el límite de fluencia o la carga de prueba como carga admisible.

En la figura, cada perno soporta F/2 en tracción y el cálculo de su resistencia sería:

 

F

2 * A <=

Q

n

en donde:

Q es la resistencia a la fluencia o la carga de prueba en su defecto A es la sección transversal del perno n es el factor de seguridad

En esta experiencia simulada, se va a medir el módulo de elasticidad de un hilo de un metro de longitud, de sección circular cuyo radio en mm podemos modificar.

 

Módulo de elasticidad

Un hilo metálico sometido a un esfuerzo de tracción sufre una deformación que consiste en el aumento de longitud y en una contracción de su sección.

Supondremos que el aumento de longitud es el efecto dominante, sobre todo en hilos largos y de pequeña sección. Estudiaremos el comportamiento elástico de los hilos, aquél en el que existe una relación de proporcionalidad entre la fuerza F aplicada al hilo y el incremento L de su longitud o bien, entre el esfuerzo F/S y la deformación unitaria L/L0.

Donde S es la sección del hilo S= r2, y Y es una constante de proporcionalidad característica de cada material que se denomina módulo de elasticidad o módulo de Young.

Representando el esfuerzo en función de la deformación unitaria para un metal obtenemos una curva característica semejante a la que se muestra en la figura. Durante la primera parte de la curva, el esfuerzo es proporcional a la deformación unitaria, estamos en la región elástica. Cuando se disminuye el esfuerzo, el material vuelve a su longitud inicial. La línea recta termina en un punto denominado límite elástico.

Si se sigue aumentando el esfuerzo la deformación unitaria aumenta rápidamente, pero al reducir el esfuerzo, el material no recobra su longitud inicial. La longitud que corresponde a un esfuerzo nulo es ahora mayor que la inicial L0, y se dice que el material ha adquirido una deformación permanente.

El material se deforma hasta un máximo, denominado punto de ruptura. Entre el límite de la deformación elástica y el punto de ruptura tiene lugar la deformación plástica.

Si entre el límite de la región elástica y el punto de ruptura tiene lugar una gran deformación plástica el material se denomina dúctil. Sin embargo, si la ruptura ocurre poco después del límite elástico el material se denomina frágil.

En la figura, se representa el comportamiento típico de esfuerzo - deformación unitaria de un material como el caucho. El esfuerzo no es proporcional a la deformación unitaria (curva de color rojo), sin embargo, la sustancia es elástica en el sentido que si se suprime la fuerza sobre el material, el caucho recupera su longitud inicial. Al disminuir el esfuerzo la curva de retorno (en color azul) no es recorrida en sentido contrario. La falta de coincidencia de las curvas de incremento y disminución del esfuerzo se denomina histéresis elástica. Un comportamiento análogo se encuentra en las sustancias magnéticas.

Puede demostrarse que el área encerrada por ambas curvas es proporcional a la energía disipada en el interior del material elástico. La gran histéresis elástica de algunas gomas las hace especialmente apropiadas para absorber las vibraciones.

Medida del módulo de elasticidad

En la figura, se muestra el dispositivo experimental. Se emplea un hilo de un metro de longitud dispuesto horizontalmente fijado por un extremo, mientras que el otro pasa por una polea. Del extremo libre se cuelgan pesas de 100 g, 250 g ó 500 g.

Al poner pesas sobre el extremo libre del hilo, el alambre se alarga y la polea gira un ángulo igual a L/r. Siendo r el radio de la polea.

Como el alargamiento L es pequeño, se puede medir mediante una aguja indicadora que marca sobre un sector circular cuyo radio es R=10·r veces el radio de la polea.

Como vemos en la figura, las longitudes de los arcos son proporcionales a los radios, de modo que

El arco s es 10 veces mayor que el alargamiento L.

Ejemplo:

Radio de la sección del hilo, 0.25 mm Material, Aluminio Se colocamos 6 pesas de 250 g en el extremo libre del hilo

La fuerza aplicada es F=mg=6·0.25·9.8 N

La lectura en la escala graduada semicircular es s=1.19 cm, que corresponde a una deformación de L=1.19 mm.

El cociente entre el esfuerzo y la deformación es el módulo de Young

Y=6.29·1010 N/m2

Representación gráfica de los datos "experimentales"

A medida que se van colgando pesas en el extremo libre del hilo, en el control área de texto situado a la izquierda del applet se recogen los pares de datos  (fuerza que ejercen las pesas en kg, deformación en mm)

Una vez que se ha recolectado suficientes datos, se pulsa el botón titulado Gráfica. Se representa los datos "experimentales"

En el eje vertical la deformación L, en mm En el eje horizontal se representa el peso m en kg.

En la práctica real se calcula y representa la recta que mejor ajusta a los datos experimentales por el procedimiento de los mínimos cuadrados. En el programa interactivo, se proporciona le valor de la pendiente a de la recta L=a·m . A partir de este dato, se calcula el módulo de Young.

Sea a=L/m la pendiente de la recta en m/kg. El módulo de Young se calcula a partir del valor de la pendiente a

Supongamos que se ha realizado la "experiencia" con un hilo

El radio de la sección del hilo, r=0.25 mm El material, Aluminio

El programa interactivo calcula la pendiente de la recta a= 7.92·10-4 m/kg. El módulo de Young es, entonces

 El ensayo de tracción' o ensayo a la tensión de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Las velocidades de deformación en un ensayo de tensión suelen ser muy pequeñas (ε = 10–4 a 10–2 s–1).

Máquina para ensayo de tracción por computadora.

En un ensayo de tracción pueden determinarse diversas características de los materiales elásticos:

Módulo de elasticidad o Módulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad anterior. Es el resultado de dividir la tensión por la deformación unitaria, dentro de la región elástica de un diagrama esfuerzo-deformación.

Coeficiente de Poisson, que cuantifica la razón entre el alargamiento longitudinal y el acortamiento de las longitudes transversales a la dirección de la fuerza.

Límite de proporcionalidad: valor de la tensión por debajo de la cual el alargamiento es proporcional a la carga aplicada.

Límite de fluencia o límite elástico aparente: valor de la tensión que soporta la probeta en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.

El límite de fluencia es el el nivel de tensión a partir del cual el material elástico lineal se deforma plásticamente en un ensayo de uniaxial de tracción. Hasta el punto de fluencia el material se comporta elásticamente, siguiendo la ley de Hooke, y por tanto se puede definir el módulo de Young. No todos los materiales elásticos tienen un límite elástico claro, aunque en general está bien definido en la mayor parte de metales.

También denominado límite elástico aparente, indica la tensión que soporta una probeta del ensayo de tracción en el momento de producirse el fenómeno de la cedencia o fluencia. Este fenómeno tiene lugar en la zona de transición entre las deformaciones elásticas y plásticas y se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable de la carga aplicada.

GRAFICA LIMITE DE LA FLUENCIA

Límite elástico (límite elástico convencional o práctico): valor de la tensión a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en función del extensómetro empleado. Es la máxima tensión aplicable sin que se produzcan deformaciones permanentes en el material.

Carga de rotura o resistencia a tracción: carga máxima resistida por la probeta dividida por la sección inicial de la probeta.

En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:

1. Deformaciones elásticas: Las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del material. Así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno. Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de la tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este último valor carece de interés práctico y se define entonces un límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación inicial igual a la convencional.

2. Fluencia o cedencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de Luders). No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara.

3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas que en la zona elástica.

4. Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente hasta el comienzo de la estricción) entre la sección inicial: cuando se produce la estricción la sección disminuye (y por tanto también la fuerza necesaria), disminución de sección que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura.

Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las energías elástica y total absorbida y que vienen representadas por el área comprendida bajo la curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el primer caso y hasta la rotura en el segundo.

Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre dos puntos cuya posición está normalizada y se expresa en tanto por ciento.

Estricción: es la reducción de la sección que se produce en la zona de la rotura.

Normalmente, el límite de proporcionalidad no suele determinarse ya que carece de interés para los cálculos. Tampoco se calcula el Módulo de Young, ya que éste es característico del material; así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes.

Probeta de cobre durante el ensayo de tracción.

Probeta de cobre fracturada después del ensayo de tracción.

Curva tensión-deformación

Curva tensión-deformación.

Gráfica obtenida por computadora en el ensayo de tensión.

Diagrama de tensión–deformación típico de un acero de bajo límite de fluencia.

En el ensayo se mide la deformación (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa gráficamente en función de la tensión (carga aplicada dividida por la sección de la probeta). En general, la curva tensión-deformación así obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:

1. Deformaciones elásticas: Las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequeña magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperaría su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensión y la deformación se denomina módulo de elasticidad o de Young y es característico del material. Así, todos los aceros tienen el mismo módulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. La tensión más elevada que se alcanza en esta región se denomina límite de fluencia y es el que marca la aparición de este fenómeno. Pueden existir dos zonas de deformación elástica, la primera recta y la segunda curva, siendo el límite de proporcionalidad el valor de la tensión que marca la transición entre ambas. Generalmente, este último valor carece de interés práctico y se define entonces un límite elástico (convencional o práctico) como aquél para el que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformación inicial igual a la convencional.

2. Fluencia o cedencia. Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente. La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de Luders). No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara.

3. Deformaciones plásticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera sólo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta región son más acusadas que en la zona elástica.

4. Estricción. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por esa zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente hasta el

comienzo de la estricción) entre la sección inicial: cuando se produce la estricción la sección disminuye (y por tanto también la fuerza necesaria), disminución de sección que no se tiene en cuenta en la representación gráfica. Los materiales frágiles no sufren estricción ni deformaciones plásticas significativas, rompiéndose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga última o resistencia a la tracción: la máxima resistida por la probeta dividida por su sección inicial, el alargamiento en (%) y la estricción en la zona de la rotura.

Otras características que pueden caracterizarse mediante el ensayo de tracción son la resiliencia y la tenacidad, que son, respectivamente, las energías elástica y total absorbida y que vienen representadas por el área comprendida bajo la curva tensión-deformación hasta el límite elástico en el primer caso y hasta la rotura en el segundo.

En uniones a corte, el objetivo es aplicar una precarga al perno para generar un apriete de magnitud tal, que el roce equilibre la carga cortante. En caso que dicho preapriete se suelte por vibraciones, corrosión, dilataciones térmicas, etc., el perno recibe la carga en corte. Considerando la unión de las planchas de la figura, el criterio para el diseño del perno sería:

 

=F

A<=

Q

2n

en donde:

F es la fuerza aplicada al perno en corte Q es la carga de fluencia o la carga de prueba en su defecto A es la sección transversal del perno n es el factor de seguridad

TENACIDAD Se denomina dureza a la resistencia a ser rayado que ofrece la superficie lisa de un mineral, y refleja, de alguna manera, su resistencia a la abrasión. Mediante el estudio de la dureza de un mineral se evalúa, en parte, la estructura atómica del mismo pués es la expresión de su enlace

más débil

Si un mineral puede estirarse fácilmente hasta formar un hilo se dice dúctil. Ductilidad es una propiedad característica de minerales con enlaces metálicos pues dicho enlace transmite a la materia la capacidad de convertir toda tensión aplicada en deformación plástica.

Se denomina tenacidad a la resistencia que opone un mineral a ser partido, molido, doblado o desgarrado, siendo, en cierto modo, una medida de su cohesión

Piezas forjadas de acero al carbono para aplicaciones con tuberías de acuerdo al estándar ASME/ASTM A 105/A 105M

Uso:

Los componentes de tuberías forjados en acero al carbono de acuerdo con esta especificación son comúnmente usados en sistemas de presión que operan en condiciones ambientales y a mayor temperaturas. 

No sólo suministramos Bridas en este grado, sino también diversos accesorios como válvulas, codos, reducciones  y partes similares. La cuales se pueden fabricar de acuerdo a las dimensiones especificadas por el cliente con las normas dimensionales tales como: ANSI, MSS, ASME, EN y la API.

Composición química acero A105  Composición, %Carbono, max 0.35Manganeso 0.60-1.05Fósforo, max 0.035Azufre, max 0.040

Silicio 0.10-0.35

Cobre, max 0.4Níquel, max 0.4Cromo, max 0.3Molibdeno, max 0.12Vanadio, max 0.08

Clases disponibles

Clase 150, Clase 300, Clase 400, Clase 600, Clase 900, Clase 1500 y Clase 2500.

Propiedades mecánicas acero A105

 Propiedad

Resistencia a la tracción, min:

70,000 psi (485 MPa]

Min. Punto de 36,000 psi [250

fluencia: MPa]Reducción de la superficie, min:

30% min

Dureza, HB, max 187

ceros al carbono A105

Todas las propiedades disponibles del acero al carbono A105 se presentan a continuación.

Propiedades de diseñoA 105 es una especificación de ASTM, que incluye piezas forjadas de acero al carbono

para componentes de tuberías. Esta es una aleación de acero de bajo carbono, con contenidos de manganeso y silicio similar al AISI 1330, pero con menor contenido de

manganeso.

AplicacionesEsta especificación ASTM cubre piezas forjadas de acero al carbono para

componentes de tuberías tales como bridas y fijaciones.

MaquinabilidadLa maquinabilidad es buena como para cualquier acero de baja aleación.

ConformadoEsta especificación cubre conformado por forja solamente.

SoldaduraEl acero cubierto por esta especificación es soldable. Los procedimientos de soldadura

usados deben ser aprobados por la sección IX del Código ASME "Calderas y recipientes presurizados".

Tratamiento térmicoEl tratamiento térmico no se requiere excepto para pestañas o componentes de

tuberías como los nombrados en ASTM A 105/A sección 5.1. Cuando se requiere tratamiento térmico este consiste en normalizar de 1550 a 1700 F y enfriar al aire. El

enfriamiento directo desde la forja en caliente debe ser seguido por un revenido a 1100 F y un enfriamiento al aire.

ForjaEsta es una aleación forjable que debe ser forjada a temperaturas en un rango de

2200 a 1700 F seguida por temple y revenido o normalizado.

Trabajo en calienteVer "Forja".

Trabajo en fríoEsta especificación no cubre otro trabajo en frío más que el de mecanizado.

RecocidoEl recocido puede ser hecho primero por enfriamiento hasta por debajo de 1000 F de las piezas forjadas y luego por recalentamiento entre 1550 y 1700 F, seguido por un

enfriamiento lento en el horno.

EnvejecimientoNo aplica.

RevenidoEl revenido se hace a 1100 F seguido por un enfriamiento al aire.

EndurecimientoVer "Tratamiento térmico" y "Revenido".