-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
1/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 1 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
MATERIALES I:
CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS METALES
por Vicente Lorenzo
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
2/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 2 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LOS METALES
1. INTRODUCCIÓN 3
2. EL ENSAYO DE TRACCIÓN 3
3. ENSAYOS DE DUREZA 7
4. ENSAYOS DE RESILIENCIA 13
5. ENSAYOS DE FATIGA 18
6. EL ENSAYO DE FLUENCIA 24
EJERCICIOS 29
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
3/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 3 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
1. INTRODUCCIÓN
En la mayoría de las ocasiones, los materiales metálicos se emplean con fines
estructurales. Es decir, los componentes fabricados con metales deben responder de forma
adecuada a determinadas solicitaciones mecánicas. La expresión responder de forma
adecuada puede entenderse en muy diferentes sentidos. Así, en muchos casos, significa no
fallar en servicio pero en otros como, por ejemplo, un fusible mecánico, puede significar lo
contrario. En múltiples aplicaciones el factor que limita la vida útil de un componente no es su
fractura, si no que puede ser cierto grado de desgaste o el desarrollo de una grieta de cierto
tamaño. El abanico de posibilidades se abre más aún cuando se considera la naturaleza de las
solicitaciones mecánicas que deben ser soportadas. Éstas pueden ser constantes en el tiempoo variables, en este último caso, la velocidad de variación puede ser reducida o elevada,
pueden actuar de forma localizada o distribuida en el material y, en este último caso, la
distribución de esfuerzos puede ser uniforme o no.
A toda la casuística anterior, hay que añadir la que surge de la consideración de otras
etapas de la vida de una pieza como, por ejemplo, su conformación. En ciertos procesos de
fabricación, se confiere su forma a los productos metálicos por deformación plástica. Para
determinar cuáles son las condiciones óptimas de trabajo en estos casos, es necesario conocer
cuál es la relación entre los esfuerzos que se aplican y las deformaciones que se producen y
cuál es la máxima deformación que admite el material sin llegar a romper.
2. EL ENSAYO DE TRACCIÓN
Este ensayo permite obtener información sobre la capacidad de un material para soportar
la acción de cargas estáticas o de cargas que varían lentamente a temperaturas homólogas 1
que, aproximadamente, son inferiores a 0,5. Como los componentes metálicos se proyectan en
la mayoría de las ocasiones para trabajar en estas condiciones, probablemente este es el más
popular entre los ensayos que permiten caracterizar el comportamiento mecánico de un
material metálico.
El ensayo se realiza alargando una probeta de geometría normalizada con longitud inicial
L0 que se ha amarrado entre las mordazas de una máquina según se puede ver de forma
1 La temperatura homóloga es un parámetro adimensional que se define como el cociente entre las temperaturas
de ensayo y de fusión.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
4/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 4 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
esquemática en la figura 2.1. Una de las mordazas de la máquina está unida al cabezal móvil y
se desplaza respecto a la otra con velocidad constante durante la realización del ensayo. Las
máquinas de ensayo disponen de sistemas de medida, células de carga y extensómetros, que
permiten registrar la fuerza aplicada y la deformación producida mientras las mordazas se
están separando. La curva tensión-deformación resultante del ensayo se construye
representando la tensión, σ, que es la razón de la fuerza aplicada a la sección recta inicial de la
probeta, S0, frente al alargamiento, ε, que se define como la extensión porcentual referida a la
longitud inicial, (L – L0)/L0 x 100.
Figura 2-1. Representación esquemática del funcionamiento de una máquina para ensayos de tracción.
Las curvas esfuerzo-deformación que se han representado en la figura 2-2 son
características de los materiales metálicos. Algunas de las propiedades más importantes que
se pueden medir a partir de estas curvas son:
• El tramo inicial de la curva, que generalmente es recto, da información sobre elcomportamiento elástico del material, es decir sobre la relación entre esfuerzos y
deformaciones cuando éstas son recuperables. La pendiente del tramo inicial de la curva,
que se conoce como módulo elástico o módulo de Young, E, es una medida de la rigidez
del material. De dos piezas con la misma geometría, sometidas a la misma solicitación
mecánica y fabricadas con diferentes materiales que trabajan dentro del campo elástico,
aquélla con mayor módulo será la que presente menores deformaciones.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
5/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 5 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Figura 2-2. Curvas esfuerzo-deformación típicas de materiales metálicos. La explicación de los símbolos
se incluye en el texto.
• El límite elástico es la tensión mínima que hay que aplicar para que aparezcan
deformaciones permanentes en el material. Como la aparición de la deformación plástica
es difícil de observar, su valor se aproxima siguiendo los procedimientos que a
continuación se detallan. Si la curva esfuerzo-deformación obtenida tiene la forma de la
figura 2-2(a), se define un límite elástico convencional , Rp, como el esfuerzo necesario
para provocar una deformación plástica predefinida que se hace constar como subíndice
en el símbolo de la propiedad. Habitualmente, se fija una deformación plástica del 0,2% y el
valor Rp0,2 se calcula según se muestra en la figura 2.3. Cuando las curvas son del tipo de
la que aparece en la figura 2-2(b) se define un límite elástico aparente que puede coincidir
con el límite superior de cedencia, R eH , o con el límite inferior de cedencia, R eL. Esta
propiedad juega un papel de gran importancia en el proyecto mecánico porque, en la gran
mayoría de las ocasiones, las piezas se calculan para que no sufran deformaciones
permanentes en servicio y, en consecuencia, se debe garantizar que las tensiones que
actúan cuando la pieza trabaja no superan el límite elástico.
Figura 2-3. Determinación del límite elástico convencional Rp0,2 .
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
6/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 6 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Como ya se ha apuntado en capítulos previos el límite elástico de un metal es función
de su estructura. Cualquiera de los mecanismos de endurecimiento que se han descrito
con anterioridad (formación de solución sólida, control del tamaño de grano, maduración,
acritud o aparición de ciertas fases metaestables) se pueden emplear para controlar el
límite elástico de una aleación metálica.
• La resistencia a la tracción, Rm, coincide con el valor máximo del esfuerzo y es la tensión
que hay que aplicar para que se produzca la rotura de la probeta en las condiciones del
ensayo. Mientras la tensión aplicada es inferior a Rm, la deformación es uniforme pero al
alcanzar esta tensión comienza a desarrollarse un cuello en la probeta. La reducción
localizada de sección hace que la tensión que actúa en esa sección crezca localmente lo
que provoca un nuevo aumento del alargamiento en la zona del cuello con la consiguientecaída de la tensión nominal. Este proceso continúa hasta que la sección no es capaz de
seguir deformándose y se produce la fractura. Como la resistencia a la rotura es, en
general, una función creciente del límite elástico para cada una de las familias de
aleaciones metálicas, la influencia que los diferentes parámetros estructurales ejercen
sobre la resistencia a la tracción es similar a la que ejercen sobre el límite elástico. La
carga de rotura es una propiedad que también se puede utilizar para el cálculo de piezas
que trabajan sometidas a esfuerzos aunque, en la actualidad, se tiende a emplear
preferentemente el límite elástico.
• El alargamiento a la rotura, At , es la extensión que presenta la probeta tras el fallo. Esta
propiedad es una medida indirecta de la ductilidad del material. Un alargamiento a la rotura
elevado es una propiedad deseable porque los materiales con esta propiedad admiten
deformaciones plásticas importantes cuya observación, en muchas ocasiones, permite
adoptar medidas correctoras con anterioridad a la fractura. Además, el alargamiento a la
rotura es también un indicador de la capacidad del material para ser conformado por
deformación a la temperatura de ensayo.
• La estricción, Z, es la relación entre las áreas de las secciones rectas de rotura e inicial. La
estricción está relacionada con el alargamiento a la rotura de modo que cuando éste crece,
aquélla aumenta.
La tabla 2-1 que aparece a continuación muestra los valores de las propiedades que se
obtiene en ensayos de tracción a temperatura ambiente para algunas aleaciones metálicas
importantes entre las que se incluyen los aceros, las aleaciones de base cobre, aleaciones
ligeras y las aleaciones que presentan los valores de rigidez más elevados, las de wolframio, y
más reducidos, las de plomo. La gran amplitud de los intervalos es consecuencia de que los
valores de las distintas propiedades son función de la estructura del metal que se ensaya
(composición química, naturaleza, proporción y distribución de los constituyentes presentes,tamaño y morfología de grano, ...).
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
7/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 7 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Tabla 2-1. Valores resultantes de los ensayos de tracción para algunas aleaciones metálicas
E (Gpa)Límite elástico
(MPa)Rm (MPa) At (%)
Aleaciones de plomo 15-30 5-75 10-90 3-70
Aleaciones de magnesio 40-47,5 70-425 150-475 3-20
Aleaciones de aluminio 70-90 30-300 60-600 1-40
Aleaciones de cobre 75-150 30-1100 100-1250 1-40
Aleaciones de titanio 90-137 175-1200 240-1625 1-40
Aceros 190-215 150-2250 250-2500 0,5-70 Aleaciones de wolframio 250-450 450-3500 650-4000 0,5-25
Las máquinas que se utilizan para llevar a cabo los ensayos de tracción disponen de unconjunto muy amplio de accesorios que permiten la aplicación de solicitaciones de diferente
naturaleza y la realización de ensayos de muchos otros tipos como, por ejemplo, compresión,
flexión, plegado, cortadura, etc. Por esta razón, estos equipos se conocen con el nombre de
máquinas universales de ensayo o dinamómetros universales. Si bien estas pruebas son
fundamentales en ocasiones para seleccionar el material adecuado a cierta aplicación o como
método de control de calidad, su empleo es mucho menos frecuente que el del ensayo de
tracción y se deja su discusión para las asignaturas relacionadas con la Mecánica de los
Medios Continuos.
3. ENSAYOS DE DUREZA
La dureza de un material es una propiedad tan fácil de apreciar como difícil de definir. En
muchos textos aparece definida como una medida de su resistencia a la deformación
permanente o al daño. Una cuestión que surge inmediatamente a partir de esta definición es
cuál es el tipo de deformación o daño que nos interesa, pregunta cuya respuesta tiene, en
principio, una componente subjetiva muy importante. Para ilustrar la afirmación anterior se va a
considerar un ejemplo sencillo: la fabricación de un engranaje. El mecánico que va a tallar el
engranaje inevitablemente asociará dureza a facilidad de mecanizado, el usuario pensará en
resistencia al desgaste mientras que el técnico que lo proyectó ha debido considerar ambos
extremos.
De acuerdo con lo anterior, la determinación precisa de la dureza de un material depende
del método de medida, es decir, del modo en que el material se deforma durante el ensayo.
Entre los métodos que se pueden emplear para la medida de dureza de materiales metálicos,
los más habituales son los de penetración estática. En estos ensayos se apoya un penetrador
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
8/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 8 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
de geometría normalizada sobre la superficie del material a ensayar bajo la acción de una
carga prefijada y la dureza se determina en función de las dimensiones de la huella producida.
El más antiguo de los ensayos de este grupo es el Brinell que data de 1.900. El penetrador
Brinell es una esfera de acero tratado y la dureza, HB, se define como la presión media
ejercida por el penetrador expresada en kg/mm2. Es decir, la dureza se calcula como el
cociente entre la carga, P, y el área de contacto que se puede calcular como función del
diámetro de la bola, D, y del de la huella, d, llegándose a la expresión que se recoge en la
figura 3-1.
Figura 3-1. Para medir la dureza ensayo Brinell se apoya la bola de diámetro D sobre el material a
ensayar bajo la acción de al carga P (a). Tras retirar la carga, se mide el diámetro d de la huella (b) y la
dureza se calcula por medio de la expresión que aparece recuadrada
Como las huellas no son geométricamente semejantes, la dureza Brinell resulta función de
las condiciones de ensayo. Para garantizar que los resultados son comparables en todos los
casos y evitar las dificultades asociadas a la falta de semejanza de las huellas, las condiciones
del ensayo se deben seleccionar de modo que el diámetro de la huella quede comprendido
entre la cuarta parte y la mitad del diámetro del penetrador. Esto se consigue ajustando el
cociente Q = P/D2 en función de la naturaleza del material a ensayar según se indica en la tabla
que se presenta a continuación.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
9/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 9 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Tabla 3-1. Valores del parámetro Q que se deben utilizar en el ensayo de la dureza Brinell de
distintos materiales metálicos
Material HBP/D 2
(kg/mm 2 )
Acero 30
Fundición*
< 140 10≥140 30
Cobre y sus aleaciones < 35 10
35 a 200 30
> 200 30
Metales y aleaciones ligeros < 35 1,25 ó 2,5
35 a 80 5; 10 ó 15
> 80 10 ó 15Plomo, estaño 1 ó 1,25
*Para fundiciones se deben emplear bolas con diámetros de 2,5; 5 ó 10 mm.
El ensayo Brinell con penetrador de acero tratado está limitado a materiales no demasiado
duros (HB < 450) ya que el penetrador se deforma al ensayar materiales muy duros
obteniéndose medidas erróneas. Para evitar este problema, siempre que se midan durezas
mayores que 450 HB y menores que 650 HB, límite superior de la técnica, hay que emplear
bolas de metal duro. Estas bolas se fabrican por técnicas pulvimetalúrgicas siendo su
componente fundamental el carburo de wolframio (total de otros carburos < 2%, cobalto entre 5
y 7%). Para distinguir entre ambos tipos de medida, se utilizan las notaciones HBS y HBW para
referirse a los resultados obtenidos con bola de acero y con bola de metal duro,
respectivamente.
En 1920 se propuso un ensayo alternativo al descrito, el ensayo Vickers , que utilizaba un
penetrador fabricado en diamante con forma de pirámide recta de base cuadrada en la que las
caras opuestas forman un ángulo de 136°. El ángulo entre las caras de la pirámide Vickers se
escogió para garantizar que los valores de la dureza obtenidos resulten próximos a los delensayo Brinell en su campo de aplicación común tal como se ve en la figura 3-2. La realización
del ensayo es análoga a la del ensayo Brinell y la dureza, HV, que se define también como la
presión media en kg/mm2 sobre el área de contacto, se calcula por medio de la expresión:
HV = 2.sen 68°. P/d2 = 1,854 . P/ d2 [3-1],
donde P es la carga aplicada y d es la diagonal de la base de la huella.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
10/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 10 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Figura 3-2. Conversión aproximada entre los valores de las durezas Vickers y Brinell para aceros
Este ensayo permite superar las limitaciones del ensayo Brinell ya que, por un lado, la
dureza resulta, en principio, independiente de la carga al ser todas las huellas Vickers
semejantes y, por otro lado, un penetrador de diamante no se deforma por duro que sea el
metal a ensayar. Por ejemplo, hay que emplear el ensayo Vickers para comprobar que la
dureza del penetrador esférico de metal duro que se emplea en el ensayo Brinell resulta
superior a 1500 HV.
Un tercer método de medida de dureza por penetración estática que se emplea para
caracterizar materiales metálicos es el ensayo Rockwell. Para comenzar el ensayo se apoya el
penetrador sobre la superficie de la muestra a ensayar bajo la acción de una precarga F0 que,
en todos los casos, es de 10 kg. Como consecuencia de esto, el penetrador se introduce en el
material hasta una profundidad h0. A continuación, se añade una carga F1, se deja actuar la
carga total durante algunos segundos y, finalmente, se retira la última carga aplicada
manteniendo la precarga. Al terminar este proceso, el penetrador habrá profundizado en la
muestra hasta una distancia h0 + e, midiéndose la dureza como función de la distancia e
expresada en mm. Existen distintos tipos de ensayos Rockwell que difieren en la forma delpenetrador, en el valor de las sobrecargas F1 que se aplican y en el modo de calcular la dureza.
Estos procedimientos se identifican por una letra que se escribe tras las iniciales HR y son los
que se muestran en la tabla que se presenta a continuación.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
11/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 11 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Tabla 3-2. Modalidades del ensayo Rockwell
Penetrador
Sobrecarga
(kg)
Fórmula de
cálculo Valores Se aplica aHRA Cónico
* 50 100 - e/0,02 20 a 88 HRA Metal duro. Piezas finas de acero ycapas cementadas finas
HRB Bola acero 5/8" 90 130 - e/0,02 20 a 100 HRB Aleaciones de cobre y aluminio. Aceros blandos. Fundicionesmaleables
HRC Cónico* 140 100 - e/0,02 20 a 70 HRC Aceros, fundiciones templadas,capas cementadas gruesas,aleaciones titanio. Materiales condureza mayor que HRB 100
HRD Cónico* 90 100 - e/0,02 40 a 77 HRD Piezas finas de acero y capascementadas de espesor medio.Fundición maleable perlítica
HRE Bola acero 1 1/4" 90 130 - e/0,02 70 a 100 HRE Fundiciones grises. Aleaciones dealuminio y magnesio. Aleacionesantifricción
HRF Bola acero 5/8" 50 130 - e/0,02 60 a 100 HRF Aleaciones de cobre recocidas.Chapas finas
HRG Bola acero 5/8" 140 130 - e/0,02 30 a 94 HRG Bronces fosforosos. Cuproberilios
HRH Bola acero 1 1/4" 50 130 - e/0,02 80 a 100 HRH Aleaciones de aluminio, cinc y plomo
HRK Bola acero 1 1/4" 140 130 - e/0,02 40 a 100 HRK Aleaciones antifricción y muestrasmuy blandas o muy finas
*Cono de diamante con un ángulo de 120° y un radio de curvatura en la punta de 0,200 mm
La elección de un método Rockwell u otro de ensayo depende de la naturaleza del metal a
ensayar y de las dimensiones de la muestra ya que la profundidad de penetración depende de
las condiciones del ensayo.
Los valores de dureza Rockwell no se pueden convertir directamente a los valores de
durezas medidos por otros procedimientos ya que al ser diferente la forma de hacer la huella, la
distribución de esfuerzos varía de unos métodos a otros y, en consecuencia, las durezas
resultantes corresponderán a distintos grados de endurecimiento por deformación. A título
ilustrativo, en la figura 3-3 se presenta un gráfico que muestra la correlación experimental entre
distintas escalas de dureza Rockwell y la dureza Vickers para aceros. Conviene insistir en que
tanto las curvas que aparecen en la figura 3-3 como otras relaciones empíricas similares que
se puedan encontrar en otras fuentes son sólo aplicables para los materiales con los que
fueron obtenidas y, aún así, hay que ser precavido a la hora de manejarlas ya que, dentro de la
misma familia de metales, las relaciones entre escalas pueden cambiar de un grado a otro o de
un estado a otro.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
12/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 12 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Figura 3-3. Relaciones entre la dureza Vickers y las durezas HRA, HRB y HRC para aceros.
Para interpretar que es lo que se está midiendo en un ensayo de dureza es importante
tener presente que las huellas que se producen en estos ensayos tiene profundidades que van
desde unos pocos micrómetros en ensayos de microdureza Vickers (ensayos con carga que no
llega al kg) hasta algo menos de un milímetro en un ensayo Brinell con bola de 10. Como la
carga aplicada está soportada por el material que se encuentra en las proximidades de la
huella a una distancia que es inferior a unas pocas veces su profundidad de la huella, el
resultado de la medida es de carácter local. Para muestras homogéneas, los ensayos dedureza aportan información sobre las características del material y la dureza se puede
correlacionar con algunas de sus propiedades. Así, por ejemplo, para un material plástico ideal,
modelo que describe satisfactoriamente el comportamiento de muchas aleaciones metálicas,
se cumple la ley de Tabor:
HV = 3 . Rm [3-2].
Dado el carácter local de los ensayos de dureza, es posible obtener información sobre lavariación con la posición de las propiedades de materiales heterogéneos. En el límite, cuando
se aplican cargas muy reducidas en los ensayos de microdureza, se puede caracterizar cada
uno de los microconstituyentes que forman la aleación. Con cargas superiores, se consigue
medir la dureza de la periferia de la pieza que está ensayando. En estos casos, con una
elección juiciosa del método y de las condiciones de ensayo, es posible evaluar el resultado de
tratamientos térmicos superficiales, caracterizar recubrimientos, valorar la importancia de
ciertos defectos que pueden aparecer en la periferia de las piezas metálicas como
consecuencia de tratamientos incorrectos o estimar la resistencia al desgaste de la pieza en
cuestión ya que, en primera aproximación, esta propiedad crece al aumentar la dureza.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
13/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 13 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
4. ENSAYOS DE RESILIENCIA
Los ensayos de resiliencia tienen por finalidad medir la resistencia al choque de un
material. El método que se emplea con más frecuencia para obtener este tipo de medidas es el
ensayo de flexión por choque para el que se emplea el dispositivo conocido como péndulo
Charpy que se muestra en esquema en la figura 4-1(a). Para la realización del ensayo, se sitúa
una probeta de geometría normalizada sobre bloque de apoyo marcado con la letra A según se
muestra en la figura 4-1(b) y, a continuación, se deja caer una maza (B) con masa m desde
una altura h0 que debe romper la probeta al percutir contra ella. Si el péndulo alcanza en su
posterior movimiento ascendente una altura máxima h, la energía absorbida en el proceso defractura resulta m.g.(h0 – h) donde g es la constante de gravedad. La resistencia al impacto del
material que se ensaya se puede medir tanto por el valor de la energía absorbida en el choque
como por el cociente entre este valor y el área de la sección recta de la probeta.
Figura 4-1. Esquema de un péndulo Charpy (a) y detalle de la probeta (b)
Las probetas normales son prismáticas con sección recta cuadrada de 10 mm de lado y
una longitud de 55 mm. En el punto medio de su longitud presentan una entalla que, en la
mayoría de las ocasiones, tiene forma de U o de V. La finalidad de estas entallas es la de
simular las condiciones más desfavorables que se puedan dar en servicio: el ensayo se realiza
debajo la acción de cargas que varían rápidamente en el tiempo, en presencia de un
concentrador de tensiones y con una distribución triaxial de tensiones. Evidentemente, los
resultados del ensayo deben depender del tipo de entalla y, en consecuencia, ha de hacerse
constar la geometría junto con los valores obtenidos. Con este fin, los resultados del ensayo se
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
14/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 14 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
expresan tanto por la energía absorbida expresada en julios seguida de las siglas KU o KV
según se empleen probetas con entalla en U o en V como por el valor de la energía por unidad
de superficie expresado en J/cm2 seguido de las letras KCU o KCV.
Los resultados experimentales demuestran que la fractura de los materiales metálicos en el
ensayo Charpy se puede producir según dos mecanismos claramente diferenciados: la fractura
frágil y la dúctil. Desde un punto de vista macroscópico, ambos comportamientos se diferencian
en la extensión de la deformación plástica que precede a la fractura. Así, se habla de fractura
dúctil cuando la deformación plástica previa es importante mientras que se emplea el término
fractura frágil para referirse a aquellos procesos en que el fallo se produce sin deformación
apreciable.
Un criterio alternativo para distinguir entre ambos tipos de fractura es atender a la
naturaleza del mecanismo microscópico que actúa (figura 4-2). Este criterio, que no siempre
coincide con el macroscópico, es más profundo y significativo que el anteriormente descrito
porque permite hacer abstracción de ciertos detalles que pueden venir condicionados por
factores ajenos al propio metal como, por ejemplo, la geometría de la pieza. Cuando las
fracturas que se producen en el ensayo Charpy se clasifican atendiendo a su mecanismo
microscópico, se pueden distinguir dos comportamientos extremos:
(a) (b)
Figura 4-2. Representación esquemática de los modos de fractura que pueden aparecer en aleaciones
metálicas: fractura frágil (a) y fractura dúctil (b)
• La fractura frágil , desde el punto de vista metalográfico, es transcristalina y se produce por
descohesión o, lo que es lo mismo, por separación de ciertos planos cristalográficos que
generalmente tienen índices de Miller bajos, mecanismo que se conoce con el nombre de
clivaje. Las superficies de fractura frágil están facetadas a causa de las diferencias entre
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
15/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 15 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
las orientaciones de los granos. Como consecuencia de la formación de facetas, las
fracturas frágiles presentan un aspecto brillante característico que en ocasiones se
denomina “cristalino”.
• La fractura dúctil se produce en cambio por un mecanismo de nucleación y coalescencia de
microcavidades una vez agotados los mecanismos de deformación plástica (movimiento de
dislocaciones). Estas cavidades nuclean casi siempre en las proximidades de partículas de
segundas fases y, con mucho menos frecuencia, en los bordes de grano. La nucleación se
puede producir bien por rotura de las partículas dispersas cuando la adherencia entre éstas
y la matriz es elevada como, por ejemplo, sucede con los precipitados en las aleaciones de
aluminio tratadas o bien por despegue de la matriz como ocurre con las partículas de
sulfuro de manganeso en los aceros. Una prueba evidente del papel que juegan las
partículas dispersas y los bordes de grano es el hecho de que la fractura por deslizamientosobre planos cristalinos en metales intrínsecamente dúctiles sólo es observable en
monocristales de gran pureza. El crecimiento de estas cavidades, que se ve especialmente
favorecido por la acción de esfuerzos de tracción, conduce a su coalescencia, es decir, a
su crecimiento por unión de microcavidades próximas que provoca avance de las fisuras
presentes en el material hasta llegar finalmente a la rotura.
Una vez que se ha llegado a este punto resulta interesante discutir como influyen las
partículas dispersas de segundas fases sobre las propiedades mecánicas de los metales. Por
un lado, según discutió en le capítulo relativo a los defectos en cristales metálicos, las
partículas dispersas elevan la resistencia y el límite elástico de las aleaciones y, si su módulo
elástico es mayor que el de la matriz, también la hacen más rígida. Por otro lado, introducen
discontinuidades en la matriz que, bajo la acción de esfuerzos exteriores, pueden nuclear
microfisuras que disparen los mecanismos de clivaje o microcavidades que favorezcan la
fractura dúctil. Como consecuencia de lo anterior, la estructura de precipitados (naturaleza,
morfología y distribución) juega un papel fundamental a la hora de alcanzar un compromiso
entre las diferentes propiedades mecánicas de una aleación metálica.
El mecanismo de fractura en aleaciones metálicas está ligado a su estructura cristalina
según se ilustra en la figura 4-3. Así, los metales con estructura c.c.c. suelen presentar valores
elevados de la energía absorbida en la fractura y un comportamiento dúctil mientras que
aquéllos con estructura h.c. presentan, generalmente, fracturas frágiles y valores reducidos de
la energía absorbida. Especial atención merece el caso de las aleaciones metálicas con
estructura c.c. ya que estos materiales presentan uno u otro comportamiento dependiendo de
la temperatura. A temperaturas relativamente elevadas, los metales c.c. se comportan como
dúctiles y, a temperaturas reducidas, son frágiles. La transición entre ambos tipos de
comportamiento se produce en un intervalo de temperaturas más o menos estrecho en el quese forman superficies de fractura con texturas intermedias entre las correspondientes a los dos
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
16/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 16 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
casos extremos. Para estos materiales se puede definir una temperatura de transición que
separa ambos tipos de comportamiento atendiendo a diversos criterios como pueden ser, por
ejemplo, un valor dado la energía absorbida (normalmente 20 J) o una superficie de fractura
con un 50% de “cristalinidad”.
Figura 4-3. Curvas de variación con la temperatura de la energía absorbida en la fractura de una aleación
con estructura h.c.p. (la de magnesio), de otra con estructura c.c.c. (el latón) y una tercera c.c. (el acero)
La estructura cristalina y la presencia de fases dispersas no son los únicos parámetros
estructurales que controlan la resiliencia de una aleación metálica. Los resultados
experimentales demuestran que el endurecimiento por formación de soluciones sólidas, en
general, va acompañado de una fragilización de las aleaciones al contrario de lo que sucede
con el endurecimiento que acompaña a la reducción del tamaño de grano. El efecto de estos
parámetros estructurales sobre la temperatura de transición dúctil-frágil en aceros cuya
estructura está formada mayoritariamente por granos de ferrita poligonal se puede describir por
ecuaciones empíricas como la que se presenta a continuación:
T(°C) = -19 + 44 x %Si + 700 x %N libre + 2,2 x %Perlita – 11,5 x d -1/2 [4-1],
donde %Si y %N son las cantidades de estos solutos que aparecen disueltas en la ferrita, el
penúltimo sumando refleja la influencia de la presencia de segundos constituyentes (la perlita
es un agregado eutectoide de ferrita y cementita) y d es el diámetro medio del grano medido en
mm. Estos resultados resaltan la importancia que se da en la actualidad al control del tamaño
de grano en muchos procesos de fabricación ya que, controlando este parámetro, se hace
crecer de forma simultánea el límite elástico y la resiliencia de la aleación.
La influencia de la acritud sobre la resiliencia puede ser beneficiosa o perjudicial según los
casos. Así, en la figura 4-4(a) se presenta una orientación de las interfases con energía de
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
17/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 17 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
cohesión reducida que dificulta el avance de la fisura al disminuir la triaxialidad de tensiones en
su extremo ya que se anula una de las componentes de la tensión. En la figura 4-4(b) se
presenta otra orientación favorable ya que, en este caso, la placa se comporta como si
estuviera dividida en chapas cuyo espesor coincide con la separación entre interfases. En el
caso que se describe en la figura 4-4(c) la situación es radicalmente diferente ya que, con esta
orientación, la fisura avanza con facilidad a lo largo de las superficies sobre las que la cohesión
es menor.
Figura 4-4. Efecto de la anisotropía sobre la resiliencia. En los casos (a) y (b) la distribución de las
interfases de cohesión débil, que aparecen marcadas con trazo fino, dificultan el avance la fisura mientras
que en la (c) lo favorecen
Para finalizar conviene destacar que si bien el ensayo de resiliencia es una herramienta
útil para el control de calidad y permite obtener información precisa acerca de la influencia de
los diferentes parámetros que definen la microestructura sobre la resistencia al choque de un
material metálico, sus resultados tienen una utilidad limitada para el proyecto de elementos
estructurales. Por ejemplo, la temperatura de transición depende del espesor de la pieza yaque cuando crece, la triaxialidad de la distribución de tensiones aumenta. Para espesores muy
pequeños se llega a tener un estado de tensión plana mientras que para espesores grandes se
tiene un estado de deformación plana y, en consecuencia, la temperatura de transición debe
crecer al aumentar el espesor de la pieza. Otro factor importante a considerar es que la noción
de resiliencia no tiene en cuenta la presencia de posibles grietas y fisuras en el seno del
material. Para superar estas limitaciones, se ha desarrollado un cuerpo de doctrina
denominado "Mecánica de la Fractura" que permite predecir en qué condiciones es fiable un
elemento estructural y en qué condiciones se puede producir su fallo. El estudio de la
“Mecánica de la Fractura” es el objeto de otras asignaturas como “Resistencia de Materiales” o
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
18/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 18 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
“Mecánica del Sólido Real” de modo que no ha lugar entrar aquí a tratar en detalle el cálculo de
la fiabilidad de elementos metálicos.
5. ENSAYOS DE FATIGA
En muchas aplicaciones de interés técnico un componente estructural ha de trabajar
sometido a la acción de cargas oscilantes de diferente naturaleza (tracción, compresión,
torsión, flexión, ...) con un valor inferior al necesario para llegar a producir la deformación
plástica en condiciones de carga estática. La experiencia demuestra que bajo estas
solicitaciones que se dan, por ejemplo, en el funcionamiento de máquinas alternativas o en elcaso de elementos estructurales sometidos a vibraciones, se puede producir la rotura como
consecuencia del proceso que se conoce con el nombre de fatiga. Como estas condiciones de
carga son relativamente frecuentes, es necesario conocer cuál es la respuesta de un metal
sometido a la acción de cargas moderadas que varían en el tiempo, finalidad para la que se
han desarrollado los ensayos de fatiga.
Los esfuerzos aplicados en los ensayos de fatiga vienen descritos en la mayoría de las
ocasiones por una expresión del tipo:
σ = σa.sen(ωt) + σm [5-1]
donde σm, que coincide con la media aritmética de las tensiones máxima y mínima, es el
esfuerzo promedio y σa es la amplitud de los esfuerzos. Otros parámetros que también se
utilizan para caracterizar estas cargas cíclicas son la relación entre las componentes cíclica y
fija de la tensión (A = σa/σm) y la razón de la tensión mínima a la máxima (R = (σm - σa)/ (σm +
σa)) que puede tomar valores entre –1 y +1. Para analizar los resultados de los experimentos
se suelen trazar curvas donde se representa la tensión máxima aplicada frente al número deciclos necesarios para producir la fractura. Estas curvas son conocidas como curvas S-N o
curvas de Wholer y resultan similares a las de la figura 5-1. Esta figura muestra que un material
sometido a cargas fluctuantes cuya magnitud es inferior a su resistencia a la tracción puede
llegar a la fractura siempre que los esfuerzos se apliquen durante un número de ciclos
suficientemente elevado.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
19/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 19 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Figura 5-1. Tipos de curvas S-N que aparecen para distintos materiales metálicos
Antes de entrar a discutir estas curvas conviene señalar que las medidas que resultan de
los ensayos de fatiga son las que presentan mayor dispersión entre todas las resultantes de los
ensayos mecánicos descritos con anterioridad. Así, si se cuantifica la variación de una medida
por el cociente entre la desviación típica y el valor promedio obtenido, para el límite elástico se
obtiene valores del 3%, para la dureza y la resistencia a la tracción del 5% mientras que para la
fatiga raramente se baja del 10%. Por esta razón, las líneas que se han trazado en la figura 5-1
realmente corresponden a algún promedio de los resultados de varios experimentos. Una
consecuencia importante de lo anterior es que, en problemas cuyos datos proceden de
ensayos de fatiga, las decisiones deben tomarse atendiendo a criterios probabilísticos.
La figura 5-1(a) ilustra un hecho de carácter general: la resistencia a la fatiga de una
aleación depende de las condiciones de aplicación de la carga. Los resultados demuestran que
la capacidad de un metal para resistir esfuerzos oscilantes crece al aumentar el cociente R y,
por tanto, que las condiciones de trabajo más desfavorables se dan cuando el esfuerzo
promedio es nulo (R = -1).
La forma de las curvas S-N depende de la naturaleza del metal ensayado y así, en el caso
particular de los aceros no aleados y de los aceros de baja aleación, aparecen curvas como la
de la figura 5-1(b) con un tramo terminal que resulta ser horizontal. En este caso se define el
límite de fatiga, σe, como el valor máximo de la tensión aplicada para el cual no se produce la
fractura. Conforme a lo comentado en el párrafo anterior, el límite de fatiga a de determinarse
para el caso σm = 0. Para otros materiales metálicos con curvas S-N como las de la figura 5-
1(a) se pueden definir el límite de fatiga como el máximo esfuerzo de la tensión aplicada para
el cual no se produce la fractura al cabo de 107 ciclos. El valor del límite de fatiga de un metal
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
20/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 20 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
está relacionado con su resistencia a la tracción según se puede ver en la figura 5-2. Los
resultados demuestran que la resistencia a la fatiga de los metales es, en primera
aproximación, una función creciente de su resistencia a la tracción y que, a falta de otros datos,
es posible obtener una estimación conservadora del límite de fatiga al dividir por cuatro la
resistencia a la tracción.
Figura 5-2. Relación entre el límite de fatiga, σe, y la resistencia a la tracción, Rm,
para diferentes aleaciones metálicas.
Para calcular el valor del máximo esfuerzo que puede soportar en servicio un componente
metálico sometido a la acción de cargas alternativas con promedio no nulo, hay que recurrir a
relaciones empíricas como la que aparece a continuación:
α
σ−=
σσ
Rm1 m
e
a [5-2]
donde el exponente α toma valores entre 1 y 2 según se muestra en la figura 5-3. Esta
expresión permite acotar la amplitud del esfuerzo oscilante conocido el esfuerzo promedio o
viceversa.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
21/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 21 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Figura 5-3. Relación entre la amplitud del máximo esfuerzo alternativo admisible, σa, su valor promedio,
σm, la resistencia a la tracción del material que se ensaya, Rm, y su límite de fatiga, σe.
Como consecuencia de lo comentado en los párrafos anteriores se puede concluir que,
en primera aproximación, los factores microestructurales que controlan el límite a la fatiga de
un material metálico son los mismos que determinan la resistencia a la tracción. Así, los
resultados experimentales demuestran que el límite de fatiga crece con la adición de aleantes
que forman soluciones sólidas o al afinar la estructura.
La temperatura de ensayo es otra de las variables que influyen sobre la resistencia a la
fatiga de un material metálico. Se ha comprobado que, siempre que no se produzcan
transformaciones de fase de origen térmico o inducidas por la acción de los esfuerzos
aplicados en el intervalo de temperaturas a estudiar, el límite de fatiga crece al disminuir la
temperatura. Para la mayoría de los metales se cumple que el cociente entre el límite de fatiga
a la temperatura del nitrógeno líquido (-196°C) y la misma magnitud a temperatura ambiente
está entre 1,5 y 2,5. A temperaturas elevadas la situación es más compleja porque junto con
los mecanismos de fatiga pueden actuar los de fluencia que se discutirán en el próximo
apartado. Precisamente, por la acción de estos mecanismos, las aleaciones cuyo
comportamiento a temperatura ambiente viene descrito por curvas como la de la figura 5-1(b),
pasan a presentar un comportamiento como el mostrado en las curvas de figura 5-1(a) a
temperaturas elevadas.
En muchas ocasiones el fallo por fatiga de piezas que trabajan a temperaturas elevadas no
se debe a la aplicación de esfuerzos oscilantes sino a la acción de tensiones variables debidas
a los cambios de temperatura y se habla entonces de fatiga térmica. Estas tensiones de origen
térmico aparecen cuando existen diferencias de temperatura entre distintos puntos de piezasque no pueden dilatarse y contraerse libremente. La tendencia de un metal a fallar por fatiga
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
22/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 22 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
térmica resulta tanto más elevada cuanto mayor es el coeficiente de dilatación lineal y cuanto
menor es la conductividad térmica. Esto es así porque cuanto menor sea la conductividad, más
lento es el proceso de paso al equilibrio térmico y cuanto mayor sea coeficiente de dilatación,
mayor es la amplitud de las tensiones térmicas. Precisamente por sus propiedades, los aceros
inoxidables austeníticos que se utilizan con frecuencia para aplicaciones a temperaturas
elevadas resultan especialmente sensibles a este fenómeno.
Para frecuencias entre 500 y 10.000 Hz, que es el rango de frecuencias de las cargas
oscilantes que actúan sobre los elementos de máquinas en la mayoría de las ocasiones, las
variaciones en el límite de fatiga de los metales son muy reducidas. En general, se observa que
el límite de fatiga crece entre un 5 y un 10% al aumentar la frecuencia desde el límite inferior al
superior del intervalo que se considera.
El último factor cuya influencia sobre la resistencia a la fatiga se va a considerar es la
geometría y el estado superficial. La influencia de este factor es fundamental ya que en la gran
mayoría de las ocasiones los fallos por fatiga se inician en la superficie de la pieza. Esto debe
a que en las condiciones reales de carga es inevitable la aparición de momentos flectores y,
bajo estas circunstancias, las tensiones que actúan en la superficie son mayores que las que lo
hacen en el interior de la pieza.
La discusión acerca de la influencia del estado superficial sobre el límite de fatiga se va a
comenzar considerando el efecto de los concentradores de tensiones. Las fracturas por fatiga
de las piezas de maquinaria suelen iniciarse generalmente en las proximidades de entallas,
filetes, chaveteros, roscas o taladros. Como los concentradores de tensión de este tipo pueden
llegar a hacer caer la resistencia a la fatiga de un componente mecánico hasta en un 50%, su
presencia se debe reducir al máximo por medio de un proyecto cuidadoso y su efecto se debe
minimizar empleando radios de acuerdo suficientemente elevados. Ahora bien, estos no son
los únicos concentradores de tensión que se pueden encontrar en las piezas metálicas ya que
tanto las irregularidades de la superficie debidas al mecanizado como las que aparecen como
consecuencia de los procesos de corrosión pueden reducir de modo importante el límite de
fatiga. El examen de los datos de la tabla 5-1 permite comprobar que la contribución de estos
factores dista mucho de ser inapreciable.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
23/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 23 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Tabla 5-1. Factores a aplicar para corregir el límite de fatiga de piezas de acero tratadas con diferentes
valores de la resistencia a la tracción, Rm, y con distintos estados de rugosidad superficial.
500 1000 1500
Pulido especular 1,00 1,00 1,00
Pieza mecanizada 0,78 0,70 0,60
Pieza laminada en caliente 0,70 0,45 0,30
Pieza forjada 0,50 0,35 0,20
Pieza corroída en agua dulce 0,60 0,30 0,20
Pieza corroída en agua salada 0,45 0,20 0,12
Resistencia a la tracción (MPa)Estado superficial
La morfología de los microsconstituyentes y la concentración de tensiones a escala
microscópica también ejercen una influencia importante sobre el límite a la fatiga de un metal.Para ilustrar este extremo se va a considerar la resistencia a la fatiga de un acero de
composición eutectoide. El eutectoide presente en los aceros, que está formado por láminas
alternadas de ferrita y cementita, se puede modificar por tratamiento térmico obteniéndose una
estructura formada por glóbulos de cementita rodeados por una matriz de ferrita. Como los
extremos de las láminas que aparecen en la primera estructura actúan como concentradores
de tensiones, la resistencia a la fatiga del acero en este estado resulta sensiblemente menor a
la que presenta en estado globulizado.
Como el estado de la superficie de la pieza juega un papel fundamental en su resistencia ala acción de esfuerzos oscilantes, una posible estrategia para mejorar esta propiedad consiste
en actuar sobre la estructura de la periferia de piezas que han de trabajar a fatiga. Muchos
tratamientos superficiales buscan aumentar la resistencia a la fatiga tanto por cambio de la
composición química de la periferia como por modificación de la naturaleza de los
constituyentes presentes en esta zona. En ocasiones, la modificación química accidental de la
periferia de una pieza puede dar lugar a efectos contrarios a los que se acaban de describir.
Por ejemplo, si no se toman las precauciones adecuadas a la hora de tratar térmicamente los
aceros, la periferia puede quedar descarburada. Esto da lugar a la formación de
microconstituyentes con una resistencia a la tracción relativamente baja en la zona más
solicitada de la pieza y a la consecuente caída en la resistencia a la fatiga. La aparición de este
fenómeno resulta especialmente preocupante en la fabricación de piezas que deben trabajar
sometidas a esfuerzos alternativos como, por ejemplo, los muelles y resortes.
Otra alternativa para mejorar la resistencia a la fatiga es el granallado que busca crear un
estado tensional favorable en la periferia. Las tensiones de compresión que quedan retenidas
como consecuencia del bombardeo de la superficie de pieza con perdigones metálicos se
superponen a las tensiones aplicadas. Por este procedimiento se pueden conseguir mejorasnotables en el comportamiento de piezas sometidas a esfuerzos de tracción alternativos.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
24/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 24 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Conviene señalar que este mecanismo también puede producir efectos indeseados ya que si
por la aplicación incorrecta de un tratamiento mecánico o térmico se provocara la aparición de
un estado tensional de tracción en la periferia de la pieza, las tensiones retenidas facilitarían el
fallo por fatiga de la pieza.
6. EL ENSAYO DE FLUENCIA
Cuando un metal que se encuentra a temperaturas homólogas superiores a 0,5 se somete
a la acción de tensiones menores que su límite elástico, fluye: la muestra se deforma
plásticamente y puede llegar a romper. Para que se produzca este fenómeno, que se conoce
con el nombre de fluencia, es necesaria la activación de mecanismos microscópicos dedeformación diferentes de los que actúan a temperaturas moderadas.
El comportamiento en fluencia es de importancia fundamental para proyectar componentes
metálicos que han de trabajar a temperaturas elevadas como, por ejemplo, ciertos elementos
de calderas o los álabes de turbinas de gas. Para estudiar este comportamiento, se dispone
una probeta de la aleación a ensayar en un horno y, en la mayoría de las ocasiones, se la
somete a la acción de una tensión constante, σ0, mientras se registra la deformación como
función del tiempo. El aspecto de las curvas de fluencia es similar al de la mostrada en la figura
6-1(a). Al aplicar la carga, se produce de forma instantánea una deformación elástica, ε0, cuya
magnitud es inversamente proporcional al módulo de Young a la temperatura de ensayo. Al
avanzar el tiempo se entra en la primera etapa de la fluencia que se caracteriza por una
velocidad de deformación, dε/dt, que cae hasta estabilizarse en su valor mínimo. Cuando
sucede esto, comienza la segunda etapa de la fluencia que se distingue de la anterior por una
velocidad de deformación constante, f ε& , que se conoce como velocidad de fluencia.
Finalmente, se pasa a la tercera etapa de la fluencia en la que la velocidad de deformación
crece, se produce la formación de cuello y termina con el fallo de la pieza al cabo de un tiempo
de rotura tR.
La velocidad de fluencia y el tiempo de rotura resultantes de estos ensayos dependen
tanto de la tensión aplicada como de la temperatura de ensayo. Un aumento de cualquiera de
estas variables provoca el crecimiento de la velocidad de deformación y una disminución del
tiempo de rotura según se ilustra en la figura 6-1(b).
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
25/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 25 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
Figura 6-1. Curva de fluencia de un material metálico (a) y efecto de la variación de los parámetros del
ensayo sobre la curva de fluencia (b)
La influencia de las variables del ensayo sobre la velocidad de fluencia resulta ser en
muchas ocasiones tal como la que aparece en la figura 6-2(a). La dependencia del tipo
Arrhenius respecto a la temperatura demuestra que la fluencia se puede considerar como un
proceso térmicamente activado que viene descrito por la ecuación:
)kT
Hexp(..).estr (f f n0f
∆−σ=ε& [6.1]
donde f es una función que representa la influencia de la estructura, n se conoce como el
exponente de tensión, ∆Hf se puede interpretar como la energía de activación para la fluencia y
k es la constante de Boltzmann. La función f(s) que aparece en [6.1] viene determinada
fundamentalmente por la densidad de dislocaciones, el tamaño de grano y el tamaño de las
cristalitas mientras que los parámetros n y ∆Hf dependen del mecanismo microscópico de
deformación que predomine en las condiciones de ensayo.
En la figura 6-2(b) se han representado los valores de la energía de activación para lafluencia frente a los correspondientes a la autodifusión para diferentes metales puros. El
examen de la figura muestra que ambos valores son prácticamente coincidentes lo que apunta
a que la autodifusión juega un papel fundamental en la segunda etapa de la fluencia. En efecto,
se ha comprobado que el trepado de dislocaciones y el movimiento de vacantes tanto a través
de la red como a través del borde grano son los mecanismos microscópicos que, en la mayoría
de las ocasiones, controlan la fluencia estacionaria a temperaturas altas. En las condiciones del
ensayo, la población de vacantes es relativamente elevada y la agitación térmica es
suficientemente intensa para que se puedan producir saltos de átomos del metal hacia los
bordes de las dislocaciones o desde los bordes de las dislocaciones dando lugar a
σ = cte.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
26/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 26 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
movimientos no conservativos de las mismas y movimientos de vacantes desde las zonas
sometidas a esfuerzos de tracción hacia las que están sometidas a esfuerzos de compresión.
En este punto conviene precisar que los mecanismos descritos no son los únicos que pueden
actuar en la fluencia, así cuando el tamaño de grano es muy pequeño se puede producir la
fluencia por deslizamiento de bordes de grano: la deformación se produce por el deslizamiento
y giro relativos de cada grano respecto a sus vecinos. Cuando las condiciones son favorables,
los granos se mantienen equiaxiales y el material admite deformaciones muy elevadas,
fenómeno que se conoce con el nombre de superplasticidad.
Figura 6-2. La fluencia como un proceso térmicamente activado: dependencia de la velocidad de fluencia
con la temperatura de ensayo (a) y energía de activación para la fluencia (b).
La fluencia estacionaria finaliza cuando la velocidad de fluencia aumenta. Este crecimiento
está relacionado con la formación de huecos y microgrietas en las fronteras de grano. Los
huecos aparecen por coalescencia de vacancias o a causa del deslizamiento relativo de los
granos y tienden a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. Este proceso
continua hasta que se produce la rotura del material que, en estas condiciones, resulta ser
intercristalina. El alargamiento a la rotura que se alcanza cuando la deformación vienecontrolada por estos mecanismos es muy reducido ya que, en la mayoría de las ocasiones, no
es superior a unos pocos tantos por ciento, mucho menor que el medido en los ensayos de
tracción
La discusión de los párrafos anteriores muestra que un tamaño de grano reducido favorece
la fluencia estacionaria para dos de los tres mecanismos considerados y que las fronteras de
grano juegan un papel fundamental el desarrollo de la tercera etapa de la fluencia. De acuerdo
con esto, la resistencia a la fluencia crecerá, en principio, al aumentar el tamaño de grano y al
disponer los bordes de grano en la dirección paralela al esfuerzo a aplicar. Por medio de
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
27/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 27 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
técnicas de enfriamiento unidireccional se puede conseguir fabricar ciertas piezas metálicas
con estructura columnar para trabajar en condiciones especialmente exigentes como, por
ejemplo, álabes para turbinas de aviación. El comportamiento de estos componentes se puede
mejorar más aún si se utilizan monocristales en lugar de materiales policristalinos.
Las representaciones de las figuras 6-1 y 6-2 no resultan las más adecuadas para realizar
cálculos relativos al comportamiento en servicio de componentes metálicos que han de trabajar
a temperaturas elevadas. Cuando se pretenden emplear los datos con estos fines, se
acostumbra a reorganizarlos de diferentes modos para facilitar su interpretación. Una de las
posibilidades es la construcción de curvas como la que aparece en la figura 6-3(b) que
muestra cual es el valor de la tensión que hay que aplicar para que se produzca la rotura de la
probeta a una temperatura de ensayo determinada. Un detalle llamativo de estas curvas es queel eje de abscisas se extiende hasta más allá de 100.000 horas o, lo que es lo mismo, más allá
de 10 años. Como es evidente que estos resultados no pueden proceder de un experimento
de tal duración, cabe plantearse cuál ha sido el procedimiento seguido para construir la figura
en cuestión. Los diagramas como el que se considera se construyen a partir de los resultados
de experimentos de duración reducida aplicando la equivalencia entre tiempo y temperatura.
Estos métodos consisten en asumir que la tensión de rotura es función de un único parámetro
que depende de la temperatura de ensayo y del tiempo de rotura:
σ = σ(P) con P = P(T, tR) [6.2].
El parámetro más utilizado para estos fines es el de Larson-Miller que se define por la
expresión:
P = T.(C + log tR)/1000 [6.3]
donde T es la temperatura de ensayo medida en Kelvin, tR, el tiempo de rotura en horas y C es
una constante característica de cada material que, en general, toma valores próximos a 20.
Precisamente, este ha sido el método que se ha empleado para construir la figura 6-3(b) a
partir de los resultados de los ensayos que se recogen en la figura 6-3(a). Es importante
señalar que los cálculos de este tipo deben ser manejados con la precaución recomendable
para cualquier extrapolación.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
28/29
Propiedades mecánicas Fecha:29/10/01 Página 28 de 29
siderurgia.etsii.upm.es
(a) (b)
Figura 6-3. (a) Relación entre la carga de rotura y el tiempo de rotura a distintas temperaturas para un
acero con 0,20% de C, 1% de Cr, 1% de Mo y 0,25% de V. (b) Curva que describe el comportamiento en
fluencia del acero considerado anteriormente construida por superposición de los resultados de la figura
de la izquierda utilizando el parámetro de Larson-Miller
Cuando se va a seleccionar un material estructural que tiene que trabajar a temperatura
elevada no sólo hay que tener presentes las precauciones que se han mencionado en el
párrafo anterior. Además, hay que valorar la influencia de otros factores entre los que conviene
destacar los siguientes:
• Los ensayos de fluencia se suelen realizar bajo la acción de tensiones uniaxiales, mientras
que en las condiciones habituales de trabajo aparecen distribuciones de tensiones más
complejas con esfuerzos de flexión o torsión superpuestos a los de tracción.
• La resistencia a la corrosión seca de las aleaciones que trabajan a alta temperatura es
fundamental ya que este proceso puede dar lugar a la pérdida de sección resistiva y al fallo
prematuro del componente en cuestión.
• Los materiales que se utilizan a temperaturas elevadas no pueden sufrir transformaciones
de fase en servicio ya sean inducidas por los cambios térmicos o por los esfuerzos
mecánicos aplicados.
Los dos últimos puntos indican claramente que junto con las consideraciones de tipo
mecánico, la estabilidad es una condición indispensable de los materiales que han de trabajar a
temperaturas elevadas.
-
8/17/2019 Metalotecnia - Caracterización Mecánica de Los Metales
29/29
siderurgia.etsii.upm.es
EJERCICIOS
1. En cierta aplicación se desea estudiar la posibilidad de sustituir una barra de acero
laminado en caliente del tipo S 275 por otra fabricada con la aleación de aluminio 6060
en estado T6. Si la deformación elástica de la barra de aluminio no puede superar la
que experimenta la de acero, ¿estaría justificado el cambio de material?. Discuta la
viabilidad de la sustitución si no es admisible que la barra se deforme plásticamente en
servicio.
Material Módulo elástico
(GPa)Límite elástico
(MPa)Densidad(g/cm3)
Precio (€/kg)
S 275 210 275 7,8 0,8
6060-T6 70 210 2,7 1,8
2. Un componente de un motor debe trabajar sometido a esfuerzos alternativos con una
amplitud de 400 MPa y un valor promedio de 450 MPa con una frecuencia de 6.000
r.p.m. Discuta si es seguro fabricar este componente con un acero templado y revenido
con una resistencia a la tracción de 1.600 MPa y un límite de fatiga de 700 MPa.
3. El comportamiento en fluencia de una aleación metálica se ha ensayado en el
laboratorio y se ha comprobado que la velocidad de fluencia bajo la acción de un
esfuerzo de 200 MPa es del 1% por hora a 800°C y del 0,055% por hora a 700°C. ¿Es
posible emplear esta aleación para fabricar un componente que ha de trabajar a 600°C
con una deformación máxima admisible del 1% formando parte de una instalación que
se somete a paradas programadas con frecuencia anual?. Analice las hipótesis que
utilizó para responder a la pregunta anterior.