Materiales metálicos (2011)

Introducción a la

Ingeniería �aval

“Materiales Metálicos”

Integrantes: Governatori, Juan Pablo

Governatori Juan P. Materiales Metálicos

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Materiales Metálicos

Introducción:

Al momento de elegir un material, se tendrán que considerar varios factores. El primero, es considerar las propiedades requeridas por el material para dicho servicio. En raras ocasiones un material reúne una combinación ideal de propiedades, por lo que habrá que reducir una en beneficio de otra. La segunda es considerar la degradación que el material experimenta en servicio (por ejemplo las altas temperaturas y los ambientes corrosivos disminuyen la resistencia mecánica). Finalmente la consideración económica, ya que el material puede reunir todas las condiciones anteriores y los gastos en los procedimientos de conformación de la pieza sean muy elevados.

Tipos de materiales: Los materiales sólidos se clasifican en cinco grupos: metales, cerámicos, polímeros, materiales compuestos y semiconductores. En este trabajo nos abarcaremos a los materiales metálicos.

En el plano de la Ingeniería Naval, el conocimiento de los materiales es muy importante. Algunos de estos motivos son:

• Los materiales representan más del 50% del costo total del buque.

• Los materiales son un factor determinante en la vida útil del buque.

• Los materiales son un factor determinante en la seguridad del buque, de la tripulación, de la carga y del medio ambiente.

• Los materiales muchas veces son un factor determinante para que un proyecto se pueda llevar a cabo o no (su construcción), no solo por una imposibilidad técnica, sino la mayoría de las veces por una imposibilidad económica relacionada con los costos de los materiales.

• El peso de buque vacío, junto con los consumos de combustible y los tiempos de estadía en puerto son los factores que más trata de minimizar una empresa naviera.

Se mostrarán, también, algunos de los mecanismos que se aplican a los materiales con el fin de modificar las propiedades químicas, físicas y mecánicas de los mismos como por ejemplo los tratamientos térmicos.


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Propiedades Mecánicas de los Metales

Antes de comenzar a explicar cuáles son las principales propiedades mecánicas de los metales, es conveniente aclarar que los metales son elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad, poseen alta densidad y son sólidos en temperatura ambiente (excepto el mercurio). El concepto de metal refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con características metálicas, como el acero.

• Deformación elástica Bajo cargas uniaxiales: El grado con que una estructura se deforma depende de la magnitud de la tensión impuesta. Para muchos metales sometidos a esfuerzos de tracción pequeños, la tensión y la deformación son proporcionales según la relación: εE=σ . conocida con el nombre de ley

de Hooke, y la constante de proporcionalidad E (Mpa) es el módulo de elasticidad o módulo de

Young. Cuando se cumple que la deformación es proporcional a la tensión, la deformación se denomina deformación elástica.

Al representar la tensión en el eje de ordenadas en función de la deformación en el eje de abscisas se obtiene una relación lineal, cuya pendiente del segmento lineal corresponde al módulo de elasticidad E. Este módulo puede ser interpretado como la rigidez, o sea la resistencia de un material a la deformación elástica. Cuanto mayor es el módulo, más rígido es el material, o sea, menor es la deformación elástica que se origina cuando se aplica una carga. La deformación elástica no es permanente, es decir que cuando se retira la fuerza aplicada, la pieza vuelve a su forma original.

• Anelasticidad Existe una componente de la deformación elástica que depende del tiempo. Es decir, la deformación elástica continúa aumentando después de aplicar la carga, y al retirar la carga se requiere que transcurra algún tiempo para que el material se recupere completamente. Este comportamiento elástico dependiente del tiempo se denomina anelasticidad. En los metales, la componente anelástica es normalmente pequeña y, a menudo, despreciable.

• Deformación plástica: Para la mayoría de los materiales metálicos, la deformación elástica únicamente persiste hasta deformaciones de alrededor de 0,005. A medida que el material se deforma más allá de este punto, la tensión deja de ser proporcional a la deformación (la ley de Hooke deja de ser válida) y ocurre la deformación plástica, la cual es permanente, es decir, no recuperable. Desde el punto de viste atómico, la deformación plástica corresponde a la rotura de los enlaces entre los átomos vecinos más próximos y a la reformación de éstos con nuevos vecinos. Al eliminar la carga no vuelven a sus posiciones originales.


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• Fluencia y límite elástico.

La mayoría de las estructuras se diseñan de tal manera que solamente ocurra deformación elástica cuando sean sometidas a tensiones. Por lo tanto, es deseable conocer el nivel de tensiones para el cual empieza la deformación plástica, o sea, cuando ocurre el fenómeno de fluencia. El límite elástico es la tensión al cual la deformación plástica se hace importante. En los metales, es por lo general el esfuerzo requerido para que las dislocaciones se deslicen. El límite elástico, es entonces, el esfuerzo que divide los comportamientos elásticos y plásticos del material. Cuando no se puede determinar con precisión este punto, se traza una línea recta paralela a la línea elástica del diagrama tensión vs deformación desplazada usualmente 0,002.

• Resistencia a la tracción Después de iniciarse la deformación plástica, la tensión necesaria para continuar la deformación en los metales aumenta hasta un máximo y después disminuye hasta que se produce la fractura. La resistencia a la tracción es la tensión en el máximo del diagrama tensión vs deformación. Cuando se alcanza la tensión máxima, se empieza a formar una disminución localizada en el área de la sección transversal en algún punto de la probeta, lo cual se denomina estricción.

• Ductilidad

Es una medida del grado de deformación plástica que puede ser soportada hasta la fractura. La ductilidad puede expresarse cuantitativamente como alargamiento relativo porcentual, o bien mediante el porcentaje de reducción de área. El alargamiento relativo porcentual, %EL, es el

porcentaje de deformación plástica %�� = �� − ��/��100

donde;

� � es la longitud en el momento de la fractura

� 0l es la longitud de prueba original.

� El porcentaje de reducción de área %AR se define como %�� = �� − ��/��100

donde

� �� es el área de la sección inicial

� � es el área de la sección en el momento de la fractura.

Los valores del porcentaje de reducción de área son independientes de �� y ��, y tanto � como

� se miden después de la rotura, volviéndose a colocar juntas las dos piezas resultantes.

El conocimiento de la ductilidad de un material es muy importante, por ejemplo, indica al diseñador el grado de en que una estructura podrá deformarse antes de producirse la rotura. A menudo se dice que los materiales relativamente dúctiles son “indulgentes”, en el sentido de que cualquier error en el cálculo de la tensión de diseño lo ponen de manifiesto deformándose antes de producirse la rotura.

• Resiliencia La resiliencia es la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado y de ceder esta energía cuando se deja de aplicar. (En términos simples es la capacidad de memoria de un material para recuperarse de una deformación, producto de una presión externa).


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La resiliencia es la capacidad de almacenar energía en el periodo elástico, y corresponde al área bajo la curva del ensayo de tracción entre la deformación nula y el límite de fluencia. Los materiales resilientes son aquellos que tienen un límite elástico muy alto y un módulo de elasticidad muy bajo.

• Tenacidad:

Es una medida de la capacidad de un material de absorber energía antes de la fractura. La geometría de la probeta así como la manera con que se aplica la carga son importantes en la determinación de la tenacidad. Para que un material sea tenaz, debe poseer tanto alta resistencia como ductilidad. La relación entre resiliencia y tenacidad es generalmente monótona creciente, es decir, cuando un material presenta mayor resiliencia que otro, generalmente presenta mayor tenacidad. Sin embargo, dicha relación no es lineal. La tenacidad corresponde al área bajo la curva de un ensayo de tracción entre la deformación nula y la deformación correspondiente al límite de rotura (resistencia última a la tracción).

• Maleabilidad:

Otra variante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de transformar algunos metales en láminas delgadas. Es la capacidad de deformarse permanentemente bajo cargas compresivas

• Recuperación elástica durante la deformación plásticamente

Si se retira la tensión aplicada durante el ensayo de tracción, una fracción de la deformación total es recuperada como deformación elástica. Durante el ciclo de descarga, la curva traza un camino prácticamente recto desde el punto de descarga (punto D) y su pendiente es igual al módulo de elasticidad del material. Si la carga es aplicada de nuevo, el camino que seguirá, será el mismo pero en dirección opuesta al seguido en la descarga; la fluencia volverá a ocurrir a la carga que se inició la descarga. Si la deformación plástica ocurre bajo la influencia de una carga de compresión, de cizalladura o torsión, el comportamiento en la región plástica será similar al caso de tracción. Sin embargo, en el caso de compresión, no aparecerá un máximo, ya que no se produce estricción

• Dureza

Es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada (por ejemplo, una perforación o rayadura). Un método cualitativo de ordenar de forma arbitraria la dureza se denomina escala de Mohs, la cual va desde 1 en el extremo más blando para el talco hasta 10 para el diamante. Las técnicas cuantitativas para la medición de dureza se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre una superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación de la carga. En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante, lo cual se relaciona con un número de dureza; cuanto más blando es el material, mayor y más profunda será la huella, y menor el número de dureza. Algunos de los tipos de ensayos de dureza:

� Ensayo de dureza Rockwell � Ensayo de dureza Brinell � Ensayo de dureza Knoop � Ensayo de dureza Shore � Ensayo de dureza Vickers


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Algunas técnicas de ensayo de dureza se pueden observar en el siguiente diagrama:

• Curva Tensión vs Deformación

En el gráfico tensión (σ) vs deformación (ε) se mide el alargamiento de la probeta entre dos

puntos fijos y se representa mediante un gráfico. Se ve que hay una relación lineal entre la tensión y la deformación (en la zona elástica) y aquí tiene aplicación la ley de Hooke. La pendiente en este tramo es el módulo de Young (E) del material. El módulo de elasticidad o de Young es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico quedando definido por σ = E ε y nos define de algún modo la rigidez del material. Los valores de σ y ε se obtienen con las siguientes relaciones (para poder independizar los valores de las dimensiones de la probeta):

� σ = ��

, donde P es la carga aplicada y �� es la sección incial

� ε = ��

��, donde � � es la variación de longitud o alargamiento y �� es la longitud

inicial

Si en un gráfico no se puede diferenciar claramente la zona elástica de la plástica, se halla en forma estándar con una desviación del 0,2% en la deformación unitaria. La pendiente de esta recta, debe ser igual a la pendiente de la recta en la zona elástica.


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En el gráfico hay puntos y zonas a destacar. En el punto 1 se ve el límite de fluencia (� ). Este punto indica la tensión máxima que soporta el material antes que el mismo comience a deformarse plásticamente. La zona anterior al límite de fluencia es la zona de deformación elástica (el material vuelve a sus dimensiones originales cuando la carga aplicada cesa). Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado una deformación plástica. El punto 2 representa el valor de carga máxima que soporta la probeta. A partir de este punto, se hace presente el fenómeno de estricción (reducción de la sección inicial que se produce en la zona de rotura) que explica el descenso de la curva tensión-deformación (ya que las tensiones no disminuyen), hasta el punto 4, que es donde la probeta se fractura. La curva roja punteada representa el comportamiento real del material. La línea verde punteada representa el hipotético camino que tomaría el gráfico si una vez pasado el punto de carga máxima, se deja de aplicar la carga. Esta recta tiene la misma pendiente que la recta en la zona de deformación elástica (E). Si se le vuelve a aplicar una carga al material, se veía ahora que se comportaría elásticamente hasta el punto 3 (� �) y luego plasticamente (viendo así que el material se endureció debido a la deformación ya que � � > _� ).

• Ensayos Destructivos y �o Destructivos

El comportamiento mecánico de un material refleja la relación entre la fuerza aplicada y la respuesta del material (o sea, su deformación). Las propiedades mecánicas de los materiales se determinan realizando ensayos cuidadosos de laboratorio que reproducen las condiciones de servicio hasta donde sea posible. Los factores que se deben tener en cuenta son la naturaleza de la caga aplicada, su duración, así como las condiciones del medio. La temperatura de servicio también es un factor importante.


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Las anteriores propiedades mecánicas se valoran con exactitud mediante ensayos mecánicos. A estos ensayos se los puede dividir en dos grupos; destructivos y no destructivos.

Ensayos Destructivos: Se denomina ensayo destructivo a todo tipo de pruebas que se le practica a un material generando una deformación permanente, modificando sus propiedades. Algunos de los ensayos más comunes nos:

� Ensayo de tracción � Ensayo de compresión � Ensayo de cizallamiento � Ensayo de flexión � Ensayo de torsión � Ensayo de resiliencia

� Ensayo de fatiga de materiales � Ensayo de plegado

Algunos ejemplos de ensayos destructivos:


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Resulta de gran importancia la velocidad de la aplicación de la carga de ensayo, pues su incremento produce un retraso en la aparición de las deformaciones plásticas y un aumento de la resistencia del material. Si las cargas se aplican en forma extremadamente lentas se obtiene una disminución del límite de fluencia y un aumento de la resistencia, aunque a expensas de la ductilidad, que disminuye considerablemente.

Ensayos �o Destructivos: Se denomina Ensayo No Destructivo (END) a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no destructivos implican un daño imperceptible o nulo.

En general los ensayos no destructivos proveen datos menos exactos acerca del estado de la variable a medir que los ensayos destructivos. Sin embargo, suelen ser más baratos para el propietario de la pieza a examinar, ya que no implican la destrucción de la misma. En ocasiones los ensayos no destructivos buscan únicamente verificar la homogeneidad y continuidad del material analizado, por lo que se complementan con los datos provenientes de los ensayos destructivos.

Algunos de los END más comunes aplicados en la Ingeniería Naval son:

� Tintas penetrantes � Ultrasonidos � Partículas magnéticas � Rayos X y Rayos

INSPECCION POR TINTAS PENETRANTES


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INSPECCION RAYOS X INSPECCION PARTICULAS MAGNETICAS


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• Aceros

Comúnmente se denomina acero a una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, que, a diferencia de los aceros, son quebradizas y no se pueden forjar, sino que se moldean.

Una aleación es una sustancia que tiene propiedades metálicas y está constituida por dos o más elementos químicos, de los cuales por lo menos uno es un metal. Las aleaciones se efectúan para modificar algunas propiedades físico/mecánicas de los metales “puros” (en metalurgia se refiere a una pureza tecnológica y no científica, por ejemplo un metal “puro” es aquel en el cual el porcentaje de impurezas es menor de 1/10.000). Casi el 100% de los materiales metálicos que se procesan en la industria son aleaciones. El hierro tecnológico más puro no baja de 0,2% de impurezas.

El acero es el más popular de las aleaciones, es la combinación entre un metal (el hierro) y un no metal (el carbono), que conserva las características metálicas del primero, pero con propiedades notablemente mejoradas gracias a la adición del segundo y de otros elementos metálicos y no metálicos. De tal forma no se debe confundir el hierro con el acero, dado que el hierro es un metal en estado puro al que se le mejoran sus propiedades físico-químicas con la adición de carbono y demás elementos.

• Diagrama de Fe-C

El hierro puro, al calentarse, experimenta dos cambios de la estructura cristalina antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable se llama ferrita o hierro α y tiene la estructura BCC (cúbica centrada en el cuerpo). La ferrita experimenta a 912°C una transformación polimórfica a austenita (cúbica centrada en las caras) o hierro γ. La austenita persiste hasta 1394°C, temperatura a la que la austenita vuelve a convertirse a una fase BCC conocida cono hierro δ, que difunde a 1538°C.

El diagrama sólo llega hasta 6,7% en peso de C, concentración que coincide con la del

compuesto llamado cementita (��C). Esto se debe a que la mayoría de los aceros y fundiciones tienen porcentajes de carbono inferiores a 6,7%C. La cementita desde el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros.

El hierro δ al sólo ser estable a altas temperaturas, no tiene importancia técnica.


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Diagrama de Fe-C

• Mecanismos de Endurecimiento de los Metales

El movimiento de las dislocaciones y el comportamiento mecánico de los materiales tienen una importante relación. La deformación plástica macroscópica corresponde al movimiento de un gran número de dislocaciones, entonces la capacidad de un metal para deformarse plásticamente depende de la capacidad de las dislocaciones para moverse. La resistencia mecánica se puede aumentar reduciendo la movilidad de las dislocaciones; o sea, mayores fuerzas mecánicas serán requeridas para iniciar la deformación plástica. Todas las técnicas de endurecimiento, se basan en el principio de impedir el movimiento de las dislocaciones.

1. Endurecimiento por reducción de tamaño de grano

Granos contiguos tienen orientaciones cristalográficas diferentes, y desde luego, un límite de grano común. Durante la deformación plástica el deslizamiento o movimiento de las dislocaciones debe ocurrir a través de este límite de grano común. El límite de grano actúa como una barrera al movimiento de las dislocaciones por dos razones:


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� Como dos granos tienen orientaciones diferentes, una dislocación que pase de un grano a otro, tendría que cambiar la dirección de su movimiento; esto se hace más difícil a medida que la diferencia en la orientación sea mayor.

� El desorden atómico dentro del límite de grano producirá una discontinuidad de los planos de deslizamiento de un grano a otro.

Un material con grano fino es más duro y resistente que uno de granos gruesos, ya que el primero tiene un área total de límite de grano mayor para impedir el movimiento de las dislocaciones. El tamaño de grano puede ser regulado mediante la velocidad de solidificación de la fase líquida, y también por deformación plástica seguida de un tratamiento térmico apropiado.

2. Endurecimiento por disolución sólida

Alearlos con átomos de impurezas que forman soluciones sólidas sustitucionales o intersticiales, endurece el material. El aumento de la concentración de los átomos de impurezas produce un aumento de la resistencia a la tracción y de la dureza.

Las aleaciones son más resistentes que los metales puros debido a que los átomos de impurezas producen una deformación de la red en los átomos vecinos del solvente. Los átomos de soluto tienden a irse alrededor de las dislocaciones para disminuir la energía de deformación total.

3. Endurecimiento por deformación

Fenómeno por el cual un metal dúctil se hace más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. También se lo llama acritud, o endurecimiento por trabajo en frio, debido a q la temperatura a la cual ocurre es "fría" en relación a la temperatura de fusión del metal. También se lo expresa como porcentaje de trabajo en frío:

Cuando una aleación es endurecida, la ductilidad es sacrificada.

• Tratamientos Térmicos

Los tratamientos térmicos en aleaciones como el acero tienen como objetivo alterar las propiedades mecánicas de las mismas. Se pueden realizar sin variación de la composición química, o variando la misma.

Los tratamientos térmicos requieren fundamentalmente de 3 etapas: � Calentar una pieza � Homogeneizar su temperatura � Enfriarla

Algunos de los tratamientos térmicos más comunes en los aceros son: Sin variación de la composición química

� Recocido � Temple � Revenido


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Con variación de la composición química

� Cementación � Nitruración � Sulfurización

Dentro del Recocido, se pueden encontrar varios tratamientos, como el recocido de globalización, de homogeneización, de eliminación de tensiones y de recristalización. El fin último de este tratamiento es ablandar el acero y para aliviar tensiones

El Temple, tiene como finalidad principal mejorar las propiedades físicas y mecánicas del acero, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad.

El Revenido sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. Sulfinización: aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales. Cementación : aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

Nitruración: al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.

• Fatiga de los Materiales

La fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales

bajo cargas dinámicas cíclicas se produce ante cargas inferiores a las cargas estáticas que producirían la rotura. Su principal peligro es que puede ocurrir a una tensión menor que la resistencia a tracción o el límite elástico para una carga estática, y aparecer sin previo aviso, causando roturas catastróficas. Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálico

s (aproximadamente el 90%). La rotura por fatiga tiene aspecto frágil aún en metales dúctiles, puesto que no hay

apenas deformación plástica asociada a la rotura. El proceso consiste en un inicio y posterior propagación de fisuras, que crecen desde un tamaño inicial microscópico hasta un tamaño macroscópico capaz de comprometer la integridad estructural del material. La superficie de fractura es perpendicular a la dirección del esfuerzo.


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Tensiones Cíclicas

La tensión aplicada puede ser axial (tracción-compresión), de flexión o de naturaleza torsional. En general, son posibles tres modos distintos de tensión fluctuante-tiempo.

• Ciclo simétrico de carga invertida (figura a) • Ciclo de carga repetida (figura b) • Ciclo de tensiones al azar (figura c)

El ciclo simétrico se caracteriza por una amplitud simétrica alrededor de un nivel medio de tensión igual a cero, alternando desde un valor máximo �� !") hasta un valor mínimo �� #$) de igual magnitud. El ciclo de carga repetida, se caracteriza por tener máximos y mínimos asimétricos con respecto al nivel cero de carga. Finalmente el nivel la tensión puede variar al azar en frecuencia y amplitud. Curvas S-� De la misma manera que otras características mecánicas, las propiedades de fatiga de los materiales pueden ser determinadas a partir de ensayos de simulación en el laboratorio. Una serie de ensayos se empieza sometiendo la probeta a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande, normalmente alrededor de dos tercios de la resistencia estática a tracción; se registra el número de ciclos a la rotura. Este procedimiento se repite a en otras probetas a amplitudes máximas progresivamente decrecientes. Los resultados se presentan en un diagrama de tensión, S, frente al algoritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas.


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Se observan 2 tipos de curvas S-N; figuras a) y b)

Tal como se indica en estos diagramas, cuanto mayor es la magnitud de la tensión, menor es el número de ciclos que el material es capaz de aguantar antes de romperse. Cuando la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N (se da para algunos aleaciones férreas y en aleaciones de titanio), significa que existe una tensión límite denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá. Este límite de fatiga representa el mayor valor de la tensión fluctuante que no produciría la rotura en un número infinito de ciclos. En muchos aceros, los límites de fatiga están comprendidos entre el 35 y el 60% de la resistencia a la tracción. Muchas de las aleaciones no férreas (por ejemplo, aluminio, cobre, magnesio) no tienen un límite de fatiga, es decir la curva S-N sigue decreciendo al aumentar N (figura b). Por consiguiente, la rotura por fatiga ocurrirá independientemente de la magnitud de la tensión máxima aplicada. Para estos materiales, la respuesta a fatiga se especifica mediante la resistencia a la fatiga que se define como el nivel de tensión que produce la rotura después de

un determinado número de ciclos (por ejemplo 10%ciclos). Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a fatiga de un material es

la vida a fatiga Nf. Es el número de ciclos para producir una rotura a un nivel especificado de tensiones.

� Iniciación y Propagación de la Grieta

El proceso de rotura por fatiga está caracterizado por tres etapas distintas:

1. Iniciación de la grieta; en donde se forma una grieta pequeña en alguna región de alta concentración de tensiones.

2. Propagación de la grieta; durante la cual esta grieta avanza de forma gradual en cada ciclo de carga.

3. Rotura final; la cual ocurre muy rápidamente una vez que la grieta ha alcanzado un tamaño crítico.

Las grietas asociadas con la rotura por fatiga casi siempre se inician sobre la superficie de un componente en algún punto donde existen concentraciones de tensiones. Estos lugares incluyen rayas superficiales, cantos vivos, ranuras de chavetas, roscas, mellas y otros similares.


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Una vez que se ha nucleado una grieta, entonces se propaga muy lentamente y, en metales policristalinos, a lo largo de planos cristalográficos de tensión de cizalladura alta; esto se denomina etapa 1 de la propagación. En la etapa II, la velocidad de extensión de la grieta aumenta de manera vertiginosa y en este punto la grieta deja de crecer en el eje del esfuerzo aplicado para comenzar a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta crece por un proceso de enromamiento y agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensión.

La etapa de rotura se da cuando la grieta aumenta su tamaño, hasta llegar a un tamaño crítico y se produce la rotura catastrófica.

� Velocidad de propagación de la grieta

A pesar de las medidas que se toman para minimizar la posibilidad de rotura por fatiga, siempre existen grietas y lugares donde pueden nuclearse. Bajo la influencia de tensiones cíclicas, las grietas se forman y se propagan de forma inevitable; si este proceso no es evitado, al final puede conducir a la rotura.

Los resultados de los estudios de fatiga han mostrado que la vida de un componente estructural puede relacionarse con la velocidad de crecimiento de la grieta. La velocidad de propagación de la grieta es una función del nivel de tensión y de la amplitud de la misma. Esta información se obtiene mediante la resolución de ecuaciones ya definidas por Paul C. Paris en 1961.

� Factores que afectan a la vida a fatiga

El comportamiento a fatiga de los materiales es muy sensible a diversas variables. Algunas de estas son el diseño, tratamientos superficiales, endurecimiento superficial, etc.

Si tenemos en cuenta el diseño, podemos decir que cualquier discontinuidad geométrica actúa como concentradora de tensiones y es por donde puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más aguda es la discontinuidad, más severa es la concentración de tensiones. La probabilidad de rotura por fatiga puede ser reducida evitando estas irregularidades estructurales, o sea, realizando modificaciones en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno que conduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con radios de curvatura grandes.

Si analizamos los tratamientos superficiales, podemos observar por ejemplo, que en las operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y surcos en la superficie de la pieza por acción del corte. Estas marcas limitan la vida a fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son mucho más fáciles de aumentar. Mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta la vida a fatiga.

El endurecimiento superficial es una técnica por la cual se aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados. Esta técnica es análoga al tratamiento térmico de Cementación.


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� Figuras de Propagación de Grieta

Superficie de fractura por fatiga. La grieta se formó en el borde superior. La rotura final se ve con aspecto gris y una textura fibrosa.

SS Schenectady, un petrolero de la clase T2 fabricado por la Kaiser Company: de 152 metros de eslora, y cuyo peso en vacío superaba las 15.000 toneladas. Pocos días antes había sido botado, y superó sin novedad su travesía de prueba. Esa noche aguardaba amarrado el momento de su entrega, cuando de pronto, y sin previo aviso, el buque se partió en dos con un estrépito audible a más de 2km de distancia. Una grieta se abrió en la cubierta y se extendió por las planchas laterales del casco a gran velocidad, levantando el cuerpo del navío por el centro y quedando unidas la popa y la proa únicamente por la plancha de la quilla, que no llegó a fracturarse.


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Bibliografía:

� INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES - William D. Callister - Ed. Reverté

� INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA - Sydney H. Avner � http://en.wikipedia.org/wiki/File:TankerSchenectady.jpg (19/06/2011) � http://www.panzerzug.es/pzg/content/view/204/205/ (21/06/2011) � http://www.aireyespacio.com/2009/07/inspecciones-por-liquidos-penetrantes.html

(21/06/2011)

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