1. El átomo

El átomo, estructura eléctrica formada por la agrupación de partículas elementales. Diferenciaremos dos partes fundamentales:El núcleo, de carga positiva y con toda la masa atómica concentrada en él.La corteza, constituida por electrones, exenta de masa.

Todo átomo es neutro desde el punto de vista eléctrico, la carga de los electrones de la corteza es igual a la carga del núcleo. El núcleo está formado por protones y neutrones (nucleones); los primeros aportan la carga, y su número coincide con el número atómico, Z.

En relación a la composición del núcleo, los átomos se denominan:Isótopos: tienen el mismo número de protones y distinto de neutrones.Isótonos: tienen el mismo número de neutrones y distinto de protones.Isóbaros: tienen el mismo número másico.

El comportamiento del átomo en los problemas técnicos que debemos tratar reside primordialmente en los electrones corticales y, de estos, en los periféricos.

En la corteza del átomo existen niveles energéticos y los electrones pueden ocuparlos. Los saltos electrónicos de un nivel inferior a uno superior o viceversa se traducen en absorciones o emisiones de energía, respectivamente.

La estructura electrónica de los átomos son bastante complejos, las ideas básicas son las siguientes:

1. Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones, numerados del 1, el más interno, al 7, el más externo.

2. A su vez, cada nivel tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f.

3. En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2 electrones cada uno. Así, hay 1 orbital tipo s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 del tipo f. De esta forma el número máximo de electrones que admite cada subnivel es: 2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7).

La distribución de orbitales y número de electrones posibles en los 4 primeros niveles se resume en la siguiente tabla:

Ver vídeo en: concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva.../atomo/celectron.htm

1.1. Estructura electrónica y reactividad química

Las propiedades químicas de los átomos dependen de la reactividad de sus electrones más externos. Los más estables y menos reactivos son los gases nobles.

A. Elementos electropositivos y electronegativos

Los elementos electropositivos son metálicos por naturaleza y ceden electrones en las reacciones químicas para producir iones positivos o cationes. El número de electrones cedidos por un átomo es representado por un número de oxidación positivo (grupos I A y II A)de la tabla periódica.

Los elementos electronegativos son no metálicos y aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones negativos o aniones. El número de electrones aceptados se representa por un número de oxidación negativo (grupos VI A y VII A) de la tabla periódica.

B. Electronegatividad

La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí. La tendencia de un átomo a mostrar un comportamiento electropositivo o electronegativo puede cuantificarse asignando a cada elemento un número de electronegatividad, que se mide en una escala desde 0 hasta 4,1. Los elementos menos electronegativos son los valores entre 0,9 y 1,0. Los más electronegativos son de 4,1, 3,5 y 3,1

1.2. Tipos de enlaces atómicos y moleculares

Los átomos en estado enlazado se encuentran en unas condiciones energéticas más estables que cuando están libres. Los enlaces pueden dividirse en: enlaces fuertes o primarios y enlaces débiles o secundarios.

Los enlaces atómicos son los enlaces iónicos, covalentes, metálicos y moleculares.

1. Enlaces iónicos. Fuerzas interatómicas debidas a la transferencia de un electrón de un átomo a otro, se producen iones unidos por fuerzas coulombianas (atracción de iones cargados positiva y negativamente). Un enlace relativamente fuerte. Se forma entre átomos muy electropositivos (metálicos) y átomos muy electronegativos (no metálicos). Se transfieren los electrones desde los elementos electropositivos a los electronegativos, produciendo cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente

2. Enlaces covalentes. Fuerzas interatómicas creadas por la compartición de electrones. El enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad. Los átomos, comparten sus electrones externos. En un enlace covalente sencillo, cada uno de los dos átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones de enlace. En el enlace covalente se pueden formar enlaces múltiples.

3. Enlaces metálicos. Fuerzas interatómicas creadas mediante la compartición de electrones deslocalizados para formar un enlace fuerte no direccional entre los átomos. En metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados en una ordenación sistemática o estructura cristalina. Los átomos están tan juntos que sus electrones externos de valencia son atraídos por los núcleos de sus átomos vecinos. Como consecuencia, los electrones de valencia no están asociados a un núcleo único y se extiendan entre los átomos en forma de una nube electrónica

Los electrones de valencia están débilmente enlazados a los núcleos de iones positivos y pueden moverse con relativa facilidad dentro del metal cristalino.

4. Enlaces moleculares se producen en moléculas bipolares y pueden ser del tipo dipolo permanente o dipolo inducido.

Enlaces de dipolo permanente. Se forman entre moléculas que poseen dipolos permanentes. Enlaces de dipolo inducido. Se llama inducido debido a que la densidad electrónica está continuamente cambiando con el tiempo.

1.3. Estructura cristalina

La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos, moléculas e iones en el espacio, así como de las fuerzas de interconexión entre ellos. Si esta distribución espacial se repite, tiene estructura cristalina. Los metales, aleaciones y determinados materiales cerámicos tienen estructura cristalina.La ordenación atómica en los sólidos se representa situando los átomos en el origen de una red tridimensional, que se denomina retículo espacial.Una estructura cristalina o, se puede definir como una repetición en el espacio de celdas unitarias. El volumen y la orientación espacial de cada celda unitaria vienen caracterizados por: tres vectores, a, b, c, que convergen en un punto común o vértice y tres ángulos, α, β y γ

2. Propiedades mecánicas de los materiales y su medida

Las propiedades mecánicas de los materiales definen el comportamiento de los metales en su utilización industrial.Elasticidad: capacidad que tienen los materiales de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma. Si se rebasa el límite elástico, la deformación es permanente.Plasticidad: capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. Cuando se presenta en forma de láminas, se denomina maleabilidad y, si se presenta en forma de filamentos, ductilidad.Cohesión: resistencia que ofrecen los átomos a separarse y depende del enlace de estos. Dureza: es la mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados y depende de la cohesión atómica.

Tenacidad: capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores.Fragilidad: propiedad opuesta a la tenacidad.Resistencia a la fatiga: resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos.Resiliencia: energía absorbida en una rotura por impacto.

2.1. Clasificación y tipos de ensayos de medida

Los ensayos industriales realizados para determinar las características técnicas de los materiales pueden clasificarse

2.2. Deformaciones elásticas y plásticas

Cuando sometemos un material a una tensión, se deforma. Si al cesar la fuerza recupera sus dimensiones, ha experimentado una deformación elástica.

No debemos confundir deformaciones plásticas y elásticas con materiales plásticos y elásticos.

2.3. Tensión y deformación

Consideremos una varilla cilíndrica de longitud lo y una sección Ao sometida a una tensión uniaxial F de tracción. Tensión σ (sigma) cociente entre la fuerza de tracción uniaxial F y la sección transversal Ao de la varilla:

La unidad de tensión en el Sistema Internacional es el pascal: 1 Pa = 1 N/m².

Cuando se aplica a una varilla una fuerza de tracción uniaxial, se provoca un alargamiento o elongación de esta en la dirección de la fuerza. Este desplazamiento se llama deformación. (ε) (épsilon) es el cociente entre el cambio de longitud en la dirección de la fuerza y la longitud original.

donde:lo = longitud inicial de la muestra.l = nueva longitud de la muestra después de haber sido alargada por una fuerza de tracción uniaxial.∆l = variación de la longitud de la muestra.La unidad para la deformación en el Sistema Internacional es metro partido por metro (m/m). La deformación resulta una magnitud adimensional. Es habitual convertir la deformación en un porcentaje de deformación o porcentaje de alargamiento:

% deformación = Deformación · 100 = % alargamiento

Ley de HookeExisten materiales en los que la relación entre tensión (σ) y alargamiento (ε) es constante. Se dice que estos materiales cumplen la ley de Hooke.

σ1/ε1 = σ2/ε2 = σ3/ε3 = σ/ε = cte = E

La relación entre ambas magnitudes (σ/ε) se llama Módulo de elasticidad (E) o Módulo de Young.

E = σ/ε

L a F i g u r a m u e s t r a d o s c i l i n d r o s c o n c é n t r i c o s q u e s o p o r t a n u n a c a r g a a x i a l d e 1 0 0 k N .

F i g . 1 . 2 6 . D o s c i l i n d r o s .

S i e l c i l i n d r o d e l a i z q u i e r d a e s d e a c e r o ( E = 2 0 0 G P a ) y e l d e l a d e r e c h a d e h i e r r o f u n d i d o ( E = 8 0 G P a ) , c a l c u l a :

a ) E l e s f u e r z o u n i t a r i o d e c a d a c i l i n d r o e n M P a .

b ) L a d e f o r m a c i ó n u n i t a r i a d e c a d a c i l i n d r o .

c ) E l a l a r g a m i e n t o d e c a d a c i l i n d r o e n m m .

2.4. Ensayo de tracción (UNE 7-474)

Consiste en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un sistema de fuerzas exteriores (esfuerzo de tracción) en la dirección de su eje longitudinal hasta romperla.

Dos tipos de probetas:1. Probetas cilíndricas, se utilizan en ensayos con materiales forjados, fundidos, barras, redondos laminados y planchas de espesor grueso.

2. Las probetas prismáticas o planas, que se emplean en planchas de espesores medios y pequeños.

A. Máquinas de tracciónDispositivos mecánicos o hidráulicos que someten a las probetas a un esfuerzo o tensión de tracción creciente en todas las secciones transversales.

La máquina detecta, cuantifica y relaciona las fuerzas aplicadas y las deformaciones (alargamientos) producidos.

B. Análisis de un diagrama de tracciónLos resultados obtenidos en ensayo se representan en una gráfica en la que se reflejan los valores de las deformaciones (alargamientos) producidas (Δl) en el eje de abscisas y las fuerzas de tracción aplicadas (F) en el eje de ordenadas. Cada material presenta una gráfica de tracción característica.

Una primera zona las deformaciones son proporcionales a las tensiones de tracción.

Una segunda zona, a pequeñas variaciones de tensiones aplicadas, se generan grandes deformaciones.

Esta información, no es suficiente desde el punto de vista práctico. Se hace necesario un cambio de escala en abscisas y ordenadas, obtenemos una curva que relacione las tensiones de una sección transversal con las deformaciones relativas a la longitud inicial, llamadas alargamientos unitarios

Eje de abscisas: ε = Δl/lo

Eje de ordenadas: σ = F/Ao

ε = alargamiento unitario (adimensional).Δl = l - lo = incremento de longitud.σ = tensión en una sección transversal cuando se aplica una fuerza F.Ao = sección inicial de la probeta.

Podemos distinguir dos zonas fundamentales:

Zona elástica (OE). Al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud original lo.Zona plástica (ES). Rebasado la tensión del límite elástico σE, aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el material ya no recupera su longitud original, ha sufrido deformaciones permanentes.

Dentro de la zona elástica:

Zona de proporcionalidad (OP). Recta, existe una proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos unitarios.

σ = cte · ε

Zona donde deben trabajar los materiales.

Zona no proporcional (PE). Se comporta de forma elástica, pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas linealmente. No se puede controlar la relación deformación-tensión aplicada.

Dentro de la zona plástica se distinguen otras dos zonas:

Zona límite de rotura (ER). A pequeñas variaciones de tensión se producen grandes alargamientos. Los materiales no tienen un comportamiento elástico, las deformaciones son permanentes. El límite es el punto R, llamado límite de rotura, a la tensión aplicada se la denomina tensión de rotura. A partir de este punto, el material se considera roto.Zona de rotura (RS). Superado el punto R, el material sigue alargándose progresivamente hasta que se produce la rotura física total en el punto S.

Este comportamiento de los materiales se puede generalizar. Existen algunas excepciones. Entre ellas se encuentra el acero, existe una zona localizada por encima del límite elástico, donde se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se conoce como fluencia, el material fluye sin causa aparente. El punto donde comienza dicho fenómeno se llama límite de fluencia (F), y la tensión aplicada en dicho punto tensión de fluencia.

Indica a qué tipo de esfuerzo están sometidas cada una de las siguientes piezas:

Sabiendo que la carga máxima aplicada en un ensayo de tracción sobre una probeta normalizada de 150 mm² de sección es de 50 000 N, calcula la tensión de rotura.

2.5. Ley de Hooke

Las tensiones aplicadas sobre un elemento resistente son directamente proporcionales a las deformaciones producidas, dentro del comportamiento elástico de los materiales.

La ley de Hooke se aplica preferentemente al ensayo de tracción.

Las deformaciones producidas en un elemento resistente son proporcionales a las tensiones que las producen.

A. Aplicación de la ley de Hooke al ensayo de tracción

En la representación gráfica de un ensayo de tracción existe la zona de proporcionalidad (OP), que abarca desde el origen de coordenadas hasta el límite de proporcionalidad y se representa por una recta.

Las fuerzas aplicadas se refieren a las fuerzas de tracción (F) y a las deformaciones producidas en los alargamientos (Δl), se cumple

Si se aplica en el diagrama σ-ε, se obtiene:

El valor de tan α se conoce como módulo elástico o módulo de Young (E), Representa la pendiente de la curva tensión-deformación en la región elástica.

Depende de cada material y se mide en kp/cm², kp/mm² o N/m² como σ, ya ε es adimensional.

La ley de Hooke en la tracción es como sigue:

Los alargamientos unitarios (deformaciones) son proporcionales a las tensiones que los producen, cuya constante de proporcionalidad es el módulo elástico

Matemáticamente, resulta: E = σ/ε

Sustituyendo: σ = F/Ao y ε = Δl/lo

En la primera ecuación, resulta:

Es la ecuación fundamental de la tracción, solo es aplicable en la zona de proporcionalidad, una vez rebasado dicho límite, el comportamiento no es lineal.

2.6. Tensiones máximas de trabajo

Cuando se plantea el diseño de una pieza o elemento simple de una estructura, debemos tener presente el diagrama de las fuerzas que actúan sobre dicha pieza o elemento para trabajar en zonas de deformaciones plásticas.

Además, pueden aparecer otros tipos de tensiones «imprevistas».

Para solucionar este tipo de problemas, se establece una tensión máxima de trabajo (σt), es el límite de carga al que podemos someter una pieza o elemento simple de estructura.

El valor de esta tensión es inferior a la tensión correspondiente al límite de proporcionalidad.

Desde el punto de vista de la seguridad, se puede decir:

1. Que el elemento resistente no padece deformaciones plásticas.2. Que cumple la ley de Hooke.3. Que permite un margen de seguridad que asume la posibilidad de la aparición de fuerzas imprevistas.

Para determinar la tensión máxima de trabajo en un diagrama de tracción se hace referencia a los puntos críticos; límites de fluencia (σF) y límite de rotura (σR), y se obtiene dividiendo las tensiones de fluencia o de rotura por un número n que llamaremos coeficiente de seguridad:

σt = σF/n σt = σR /n 

La elección de una u otra ecuación depende de la utilización final de la pieza o elemento simple y de la normativa legal técnica vigente en cada país.

Una barra cilíndrica de acero, con un límite elástico de 5 000 kp/cm, es sometida a una carga o fuerza de tracción de 8 500 kp. Sabiendo que la longitud de la barra es de 400 mm, el diámetro de 50mm y el módulo de elasticidad del material es 2,1 · kp/cm², determina:a) Si recuperará o no la barra la longitud inicial al cesar la fuerza aplicada.b) La deformación producida en la barra (ε en %). c) La mayor carga que soportará la barra para que trabaje con un límite de seguridad de 5. d) El valor del diámetro de la barra para que su alargamiento total no supere 50 · 10ˉ²mm.

a) Si recuperará o no la barra la longitud inicial al cesar la fuerza aplicada.

b) La deformación producida en la barra (ε en %).

c) La mayor carga que soportará la barra para que trabaje con un límite de seguridad de 5.

d) El valor del diámetro de la barra para que su alargamiento total no supere 50 · 10ˉ²mm.

2.7. Ensayos de dureza

La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. La propiedad mecánica que se determina a través de los ensayos de dureza es la cohesión.

Entre las técnicas para determinar la dureza de los materiales, se encuentran los ensayos de penetración. Se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación. En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante.

La dureza, es una propiedad de la capa superficial del material, y no una propiedad del material en sí. La dureza puede ser cuantificada dentro de una escala.

A. Ensayo Brinell (UNE 7-422-85)

El penetrador es una esfera de acero templado, de gran dureza, de diámetro D, que oscila entre 1 y 10 mm, y a la que se aplica una carga preestablecida de valor comprendido entre 3000 y 1,25 kp durante un intervalo de tiempo que suele ser de 15 segundos.El ensayo Brinell (HB), se calcula dividiendo el valor de la fuerza aplicada al penetrador entre la superficie de la huella que produce en el material:

La fuerza se suele expresar en kp y la superficie en mm². La unidad Brinell será el kp/mm².La huella producida por el penetrador tiene la forma de un casquete esférico cuya superficie será:

Del triangulo rectángulo se deduce que:

Y, por tanto:

De este modo, la superficie del casquete esférico será:

Y el valor de la dureza Brinell vendrá dado por:

Para medir el diámetro, d, de la huella se utiliza una lupa microscópica. Es necesario que la huella no presente realces ni rebajes en sus bordes, pues de lo contrario se obtendrían valores falsos en la medición. Para comprobarlo el diámetro de la huella ha de cumplir la condición 0,25 D < d < 0,5 D. La superficie del casquete de la huella es:

D = diámetro de la bola (mm), f = profundidad de la huella (mm).

El diámetro de la bola debe elegirse adecuadamente en función del espesor de la pieza sometida al ensayo, para conseguir que la deformación plástica que experimenta el material no se extienda a todo el espesor de la pieza. Para que las huellas obtenidas con bolas de diferente diámetro sean semejantes y que, las durezas obtenidas resulten comparables, se debe cumplir la relación de proporcionalidad:

K puede tomar distintos valores, recogidos en la tabla.

El tiempo de aplicación de la carga suele ser de 15 segundos, si se trata de materiales blandos el tiempo puede hacerse mayor.La prueba Brinell presenta los siguientes inconvenientes:- No se puede realizar sobre superficies esféricas o cilíndricas.- Se cometen grandes errores en la medida del diámetro de la huella cuando la deformación es pequeña.- Únicamente es aplicable en el caso de materiales de durezas no muy altas, que sean inferiores a la del penetrador.

18. En una pieza sometida a un ensayo de dureza Brinell, con una carga de 500 kp y un diámetro de bola de 5 mm, se ha obtenido un diámetro de huella de 2,3 mm. Halla el grado de dureza Brinell.

ACTIVIDADES:

19. En un ensayo de dureza Brinell se ha utilizado una bola de 10 mm de diámetro. Al aplicar una carga de 1 000 kp se ha obtenido una huella de 2,5 mm. Calcula la dureza del material.

B. Ensayo Vickers (UNE 7-423-84)

Para este ensayo, el penetrador que se utiliza es una pirámide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136°.

Se recomienda utilizar este ensayo para durezas superiores a 500 HB. Ventajas: se puede usar tanto para materiales duros como blandos y, los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños (hasta 0,05 mm). Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120 kg, lo normal es emplear 30 kg.

El grado de dureza Vickers (HV) se obtiene de modo similar al Brinell:

La diagonal de la huella se mide utilizando un microscopio. En caso de que la carga no se aplique en dirección exactamente vertical, la forma de la huella no será estrictamente cuadrada, siendo necesario medir las dos diagonales y utilizar el valor medio en la expresión anterior.En comparación con la prueba Brinell, el ensayo Vickers presenta las siguientes ventajas:

No es necesario sustituir el penetrador al variar la carga.Se puede utilizar en superficies curvas.El valor de la dureza es prácticamente independiente del valor de la carga.La prueba se puede realizar sobre materiales muy duro.

20. En una pieza con dureza Brinell de 300 HB se ha aplicado una carga de 500 kp. Si se ha utilizado como penetrador una bola de 10 mm, ¿cuál será el diámetro de la huella producida?

C. Ensayo Rockwell (UNE 7-424-89)

El método Brinell no permite medir la dureza de los aceros templados porque se deforman las bolas. Para evitarlo se utiliza la máquina Rockwell, que se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados. Se determina la dureza en función de la profundidad de la huella

Es un ensayo muy rápido y fácil de realizar, pero menos preciso que los anteriores. Es válido para materiales blandos y duros.

Se utiliza un penetrador en forma de bola para materiales blandos, con lo que se obtiene el grado de dureza Rockwell bola (HRB), o bien con un cono de diamante de 120° para materiales duros, del que resulta el grado de dureza Rockwell cono (HRC).

Para el ensayo Rockwell deben seguirse estas normas (UNE 7-424-89):1. Se aplica una carga de 10 kp al penetrador (cono o bola), hasta conseguir una pequeña huella. Se mide su profundidad h1, que se toma como referencia, colocando el comparador de la máquina a cero.2. Se aumentan las cargas en 90 kp para el penetrador de bola y 140 kp para el de cono, se mantiene la carga un tiempo comprendido entre 3 y 6 segundos, y se mide la profundidad producida h2.

3. Se retiran las cargas adicionales. El penetrador se recuperará y ascenderá hasta la posición h1 + e. El valor de e no es 0, ya que las deformaciones que se producen en el material son plásticas y elásticas, y al dejar de aplicar las cargas adicionales permanecen únicamente las deformaciones permanentes o plásticas, cuyo valor es e.

La dureza Rockwell no se expresa directamente en unidades de penetración, sino por el valor de la diferencia entre dos números de referencia:

Dureza Rockwell HRB = 130 - e

Dureza Rockwell HRC = 100 - e

6> En la determinación de la dureza en una rueda dentada, cuya capa superficial ha sido tratada térmicamente por cementación, se procede del modo siguiente:

• En la zona central no cementada, se determina la dureza Brinell aplicando una carga de 187,5 kp y utilizando un penetrador de bola de 2,5 mm de diámetro. La dureza obtenida tiene un valor de 350 HB. • En la zona superficial cementada, se determina la dureza Vickers aplicando una carga de 30 kp. Se obtiene una huella cuyas diagonales miden 0,272 y 0,274 mm, respectivamente.

Calcula:a) El diámetro de la huella obtenida en el ensayo Brinell.

b) El índice de dureza Vickers obtenido.

2.8. Ensayos de fatiga

Cuando determinadas piezas están sometidas a esfuerzos variables en magnitud y sentido que se repiten con cierta frecuencia, se pueden romper con cargas inferiores a las de rotura, incluso cuando se trabaja por debajo del límite elástico, siempre que las cargas actúen durante un tiempo suficiente. A este fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga.

Las leyes fundamentales de la fatiga son las siguientes:

1. Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzos unitarios inferiores a su carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite un número suficiente de veces.

2. Para que la rotura no tenga lugar, con independencia del número de ciclos, es necesario que la diferencia entre la carga máxima y la mínima sea inferior a un determinado valor, llamado límite de fatiga.

Los ensayos de fatiga más habituales son los de flexión rotativa y torsión.

En el proceso de fatiga se distinguen tres fases esenciales: una de incubación a partir de la fisura interna, otra de maduración progresiva y la última, instantánea, es la rotura efectiva.

2.9. Ensayos tecnológicos

Este grupo de ensayos se diferencia fundamentalmente del resto en el hecho de que, con ellos, no se pretende obtener valores cuantitativos en cálculos numéricos, sino que únicamente sirven para estudiar el comportamiento del material ante un fin al que se destina. En consecuencia, el ensayo reproduce, a escala conveniente, las condiciones prácticas en las que se encontrará el material.A continuación, se muestran dos ejemplos de ensayos tecnológicos.A. Ensayo de plegadoSirve para estudiar las características de plasticidad de los materiales metálicos. Se doblan las probetas en condiciones normalizadas y se observa si aparecen grietas en la parte exterior de la curva, donde los esfuerzos de tracción son elevados.El ensayo se puede realizar en frío o en caliente.

B. Ensayo de embutición

Es uno de los más importantes para las planchas, pues es conveniente conocer el grado de embutido.

El ensayo consiste en presionar un vástago sobre la chapa hasta que se produce la primera grieta. Se comprueba el grado de embutición midiendo la penetración en milímetros del punzón o vástago hasta la aparición de la primera grieta.

Vídeos de ensayos

ACTIVIDADES:Propiedades mecánicas de los materialesPiensa las propiedades descritas para completar el crucigrama:

Ensayos en los materiales

La corrosión paso de un metal en estado libre a estado combinado, que es consecuencia de la tendencia de los metales a volver a su estado natural por la acción destructora del oxígeno del aire y de los agentes electroquímicos que, favorecen el proceso de corrosión.

3. La corrosión y sus efectos

El fenómeno consiste en una oxidación del metal. Si el óxido formado no es adherente y es poroso, puede dar lugar a la destrucción de la estructuraLa oxidación es un proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden electrones.

La zona en la que se produce la oxidación se denomina ánodo, por lo que la oxidación también se conoce como reacción anódica.

La reacción inversa a la oxidación es la reacción de reducción.

La zona donde se produce se denomina cátodo. Una reacción catódica o de reducción es la que toma los electrones de la oxidación.

Los iones metálicos también se pueden reducir. Ello depende de la mayor o menor avidez por ceder electrones de una pareja de metales. Así, uno los puede ceder y el otro tomarlos. Esta situación formara parte de un método de protección contra la corrosión que es la electrodepositación.

3.1. Celda electroquímica. Ecuación de Nernst. Velocidad de corrosión

Una celda electroquímica se forma cuando se introducen dos metales en un líquido conductor de la electricidad. En una celda electroquímica se pueden observar los dos fenómenos comentados: la oxidación (pérdida de electrones) y la reducción (ganancia de electrones), que pueden dar lugar a dos procesos: la corrosión electroquímica y la electrodepositación (esta última, solo ocurre en condiciones especiales).

Si se realiza el montaje de la Figura en el que se ha introducido una barra de hierro y otra de cobre puros en una disolución, se observa que en esta celda electroquímica se tienen los siguientes componentes:a) Cátodo: recibe electrones por el circuito externo a causa de la reacción química que sufre el ánodo.b) Ánodo: cede electrones al circuito y se corroe al perder su superficie iones metálicos positivos.c) Circuito externo: el ánodo y el cátodo deben estar conectados, en contacto, para que los electrones circulen del ánodo al cátodo.d) Electrólito: es el conductor que completa el circuito. Es un líquido que sirve de medio para que los iones metálicos que abandonan el ánodo puedan desplazarse hacia el cátodo.

La influencia de la concentración está dada por la ley de Nernst, que se expresa en la siguiente ecuación:

donde:

n: número de electrones que participa en las reacciones.

concentración molar de los iones metálicos.

U2 y U1: tensión de referencia respecto del hidrógeno de la disolución 1 M.

La cantidad de metal depositado en el cátodo es la electrodepositación o el removido por la corrosión. Se determina por la ecuación de Faraday:

donde:

m = masa de material depositado o corroído en un tiempo t.I = intensidad de la corriente en amperios.t = tiempo en segundos.M = masa molecular del metal.n = valencia del ion metálico.f = constante de Faraday, 96 500 culombios/mol.

23. Un depósito de acero de construcción, con el 0,1 % de carbono, de 120 cm de altura y 60 cm de diámetro, contiene SO4 H2 al 2% hasta un nivel de 75 cm. El depósito muestra una pérdida de peso por corrosión según la tabla siguiente:

Suponiendo una corrosión generalizada y uniforme, calcula:a) La intensidad de corrosión al cabo de 8 semanas, sabiendo que se cumple la expresión:

donde: W es la pérdida de peso.M para el Fe es de 55,85 g/mol, yF es la constante de Faraday (96 500 A · s/mol).

b) La densidad de corriente (= A/cm) implicada en la corrosión del tanque.

3.2. Tipos de corrosión

Nos podemos encontrar varios tipos de corrosión:

Corrosión uniforme Cuando se coloca un metal en un electrólito (puede ser aire húmedo),unas zonas actúan como cátodo y otras como ánodo, lo que da lugar a una corrosión uniforme. Es el caso de la herrumbre en el acero o la capa que recubre algunos objetos decorativos. Es la forma más común se puede evitar con recubrimientos o barnices protectores.

Vídeo sobre la corrosión uniformeCorrosión galvánicaTiene lugar al poner próximos dos metales o aleaciones distintas que están expuestos a un electrólito (agua, aire húmedo, etc.). El metal menos noble o más activo en el ambiente del electrólito es el que se corroe. Los que tienen potenciales más electronegativos tendrán mayor facilidad de corrosión, aunque esto puede variar según el electrólito presente. Para conocer esta variación se realizan ensayos y unas tablas, que son las series galvánicas.

No poner juntos metales o aleaciones separados en la serie galvánica.

- Si hay que utilizar dos metales distintos, se deben tomar los más próximos posible en la serie galvánica.- Se debe utilizar un área anódica lo más grande posible.- Los metales distintos se pueden mantener excluidos con aislantes eléctricos.

Vídeo sobre la corrosión uniforme

Corrosión por aireación diferencial.En los elementos de un mismo metal que presentan grietas y rendijas: en ellas penetra la suciedad y la humedad, con lo que las zonas exteriores están más aireadas mientras que las interiores quedan empobrecidas de oxígeno, al gastarse en la oxidación y no poder renovarse. Si en lugar de uniones remachadas, atornilladas o por plegado se emplean soldadas, el efecto se puede reducir.

Picadura.

Es una forma localizada de corrosión que penetra desde la superficie al interior. una pequeña grieta donde se inicie una oxidación hará que la superficie de debajo se quede sin oxígeno: la corrosión va profundizando

Corrosión intergranular.Sucede cuando en los límites del grano ha precipitado una segunda fase, con lo que se produce una celda galvánica (dos componentes que tienen distinta electronegatividad).

Corrosión selectiva.

En realidad, no es una variedad de corrosión, pues puede darse con todas las demás. Se trata de que el material que se corroe sea preferentemente uno de los que forman parte de una aleación

Corrosión por erosión.No es una corrosión propiamente dicha, pues en realidad consiste en eliminar la capa protectora de óxido que se forma en los metales. Esta eliminación se produce por la acción mecánica (desgaste) de un fluido que circula por una conducción. Suele presentarse en tuberías, codos, válvulas, bombas y, en general, cualquier elemento que conduzca un fluido.

Corrosión bajo tensiones.Un esfuerzo externo o una tensión interna (por ejemplo, tras una deformación en frío) hace que puedan existir pequeñas grietas.

3.3. Protección contra la corrosión

Tratan de evitar las causas que producen la corrosiónA. DiseñoSeleccionar adecuadamente el material para el ambiente en que se va a trabajar.Otra precaución que hay que tener en cuenta es que la superficie del ánodo sea mayor que la del cátodo. Por ejemplo, una arandela de cobre sobre una chapa de acero tiene poca superficie si se compara con la de la chapa de acero, con lo que el cobre toma pocos electrones del acero y la corrosión de este último se realiza de manera más lenta.

B. InhibidoresCuando los recipientes que contienen fluidos han de ser totalmente cerrados, como en el caso de un radiador de automóvil, se utilizan sustancias que reaccionan con el oxígeno y lo eliminan, o bien «atacan» la superficie que se desea preservar formando un recubrimiento protector.

C. Recubrimientos protectoresTratan de aislar el ánodo y el cátodo. Los hay, como el aceite o la grasa, que son temporales. Los recubrimientos más usuales son los metálicos, los polímeros y las cerámicas. Debe realizarse una escrupulosa limpieza de la superficie que se quiere cubrir.

Metálicos. Así, si se recubre el acero con Mg, Al, Zn o Cd, se acelera la corrosión de estos, pero si se efectúa con Sn, Cu, Au o Ni sucede lo contrario, con lo que en este último caso el recubrimiento debe quedar bien adherido para evitar puntos de corrosión.

Polímeros orgánicos. Son las pinturas, se aplica en capas finas sobre la superficie del metal.

D. Protección anódica o pasivaciónRecubrimiento con reacción superficial. Se forma una película de óxido o de hidróxido, adherente e impermeable.

E. Protección catódicaSe trata de hacer que el metal que se va a proteger deje de ser ánodo para forzarlo a ser cátodo.

F. Selección del materialEn lugar de proteger el material, podemos emplear otro; o sea, aleaciones resistentes a la corrosión.

3.4. Corrosión seca u oxidaciónNos a referirnos a la combinación de un metal con el oxígeno del aire, que es lo que se conoce como corrosión seca.