UNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES U.T.N. Facultad Regional Mendoza

UNIDAD 5 1

UNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALESASIGNATURA: TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES

CONTENIDO DE LA UNIDAD Nº 51. Resistencia a la tracción2. Elasticidad, ductilidad, tenacidad y resiliencia3. Especificaciones de los aceros empleados en la construcción4. Comportamiento de metales ferrosos y no ferrosos5. Variación de las propiedades mecánicas con la temperatura6. Resistencia a la compresión, corte y torsión7. Resistencia al impacto y resiliencia8. Fluencia lenta y efecto creep9. Mecanismo de la fatiga en metales10. Dureza de metales11. Ensayos tecnológicos12. Trabajo Práctico: Ensayo de tracción – Normas IRAM-IAS 13. Trabajo Práctico: Ensayo de metales – Laboratorio

Ing. Maximiliano Segerer

1. RESISTENCIA A LA TRACCIÓNUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

1.1. Generalidades → Propiedades mecánicas- La determinación y el conocimiento de las propiedades mecánicas, es muy

importante para la elección de un metal para una determinada aplicación, comoasí también para el proyecto y fabricación de los elementos estructurales

- Las propiedades mecánicas definen el comportamiento del material cuando estánsujetos a esfuerzos, ya que están relacionados con la capacidad del material pararesistir y transmitir estos esfuerzos aplicados sin romper y ni deformarse demanera excesiva

- Para determinar estas propiedades son necesarios los ensayos mecánicos- Generalmente, se emplean probetas normalizadas o industriales que sean repre-

sentativas del material, para los ensayos mecánicos, ya que por razones técnicasy económicas la mayor parte de las veces no es practicable realizar ensayos de la misma pieza o elemento estructural, lo que sería ideal

- Además, estos ensayos se realizan según normas técnicas (IRAM – ASTM) paragarantizar que el procedimiento, tanto de la confección de la probeta, las medi-ciones como los resultados del ensayo, sean comparables

- Estas propiedades mecánicas, son los principales parámetros que utiliza elingeniero para el diseño de todo tipo de elementos y estructuras


UNIDAD 5 2

σ-T

ensi

ón (M

Pa -

kgf/c

m2

-kgf

/mm

2 )


1.2. Diagrama de ensayo → Diagrama directo e indirecto

DIAGRAMAINDIRECTO

O INGENIERILσ - ε

DIAGRAMADIRECTO

P - Δl

σ =P

S o

ε =ΔlL o


1.2. Diagrama de ensayo → Deformaciones

Zona de estricción

Zona de alargamiento homogéneo ode grandes deformaciones plásticas

Zona de fluenciaPrimeras deformaciones plásticas considerables

Zona de alargamientos pseudoelásticos no proporcionalesy de alargamientos elásticos de recuperación diferida

Zona de deformaciones elásticas proporcionales Validez de la Ley de Hooke

CAMPOPLÁSTICO

CAMPOELÁSTICO

A

BC

D

ERotura

DIAGRAMAACERO AL-220

Nota: La pendiente de lazona de proporcionalidad

es en realidad mucho máspronunciada, casi

se confunde con eleje de tensiones


UNIDAD 5 3


1.2. Diagrama de ensayo → Tensiones y alargamientos

Des

carg

a

Rec

arga

Energíadisipadaen ciclo

descargarecargaLímite de proporcionalidad

Límite inferior de fluencia

Límite superior de fluencia

Resistencia a Tracción o Tensión a carga máxima

Tensión de rotura

Alar

gam

ient

o a

Carg

a M

áxim

a

Alar

gam

ient

o de

Rot

ura

α α α α

E - Módulo de Young

tg α = Δσ / Δε

D.plástica ε p D.elástica ε eDeformación total = ε p + ε e

En general, para metales → ε e << ε p

GParalelas a larecta deproporcionalidad


1.3. Probetas de ensayo a tracción → Metales dúctilesProbetas normalizadas para metales dúctiles

- Presentan sus dos extremidades con una sección mayor (zonas de amarre)

- La longitud inicial de referencia, suele ser de 5 ó 10 diámetros equivalentes

- Se debe dividir la longitud inicial en 10 a 20 partes iguales

Probetas industriales para metales dúctiles- Los ensayos se realizan sobre barras, chapas,

alambres o perfiles ya conformados

- Sirven para caracterizar el metal a emplear enla estructura, pero de este ensayo no puedenobtenerse tantos datos como para el caso deprobetas normalizadas


UNIDAD 5 4


1.3. Probetas de ensayo a tracción → Probetas normalizadas

Lo = longitud inicial

Lc = longitud calibrada

Lt = longitud total

Probetacircular

Probetarectangular

o plana

Lu = longitud final

ANTES DEL ENSAYO – Mediciones (Resolución mínima 0,1 mm)

d

So = Sección inicial

Su = Sección final

a

b

DESPUÉS DEL ENSAYO (Yuxtaponiendo las dos partes de la probeta ya ensayada)

So = Sección inicial

Extensómetro

Le = longitud extensometría

Zona de amarre

Zona de amarre


1.3. Probetas de ensayo a tracción → Probetas normalizadas- Las probetas normalizadas son de sección circular, salvo para el caso de flejes o

chapas que conviene que sean de sección plana o rectangular y constan de dos zonas de amarre de al menos 25% más de sección que la de la probeta en la Lc

- Con una probeta de sección transversal determinada, es recomendable determinarla longitud inicial Lo, sobre la cual se van a realizar mediciones para obtener elalargamiento unitario de rotura, para que cumpla con alguna de las dos condiciones:Probeta corta circular: Lo = 5 . do - Probeta corta plana: Lo = 5,65 . So1/2

Probeta larga circular: Lo = 10 . do – Probeta larga plana: Lo = 11,3 . So1/2

- Además, debe cumplirse que la longitud calibrada Lc, en la cual se asegura lasección inicial constante, y es un poco superior a Lo, cumpla con:Probetas circulares: Lc ≤ Lo + 2 . do y Lc ≥ Lo + ½ . doProbetas planas: Lc ≤ Lo + 2,5 . So1/2 y Lc ≥ Lo + 1,5 . So1/2

- Ejemplo: Probeta circular larga: do = 12 mm - Lo = 120 mm - Lc = 126 a 144 mm

- La longitud de extensometría Le, sobre la cual se medirán las deformaciones du-rante el ensayo, generalmente en la zona de elasticidad y fluencia, dependerá delextensómetro del cual se dispone y podrá ser igual o menor a la longitud inicial Lo


UNIDAD 5 5

- Para el ensayo de tracción de los metales frágiles, como fundición de hierro, seemplean generalmente probetas con cabezas roscadas

- Aseguran que la rotura se produzca fuera de las zonas de amarre, porque de noser así el efecto de la compresión radial podría provocar la rotura en estas zonas

- Estas probetas roscadas, también pueden emplearse para metales dúctiles, perosu conformación es más laboriosa que para el caso de las probetas sin rosca

- Por las razones expuestas, es muy difícil ensayar probetas industriales de meta-les frágiles, debido a que la rotura casi siempre ocurre en la zona de amarre

Probetas normalizadas para metales frágiles


1.3. Probetas de ensayo a tracción → Metales frágiles

a d

al

r


1.4. Formas de roturaMuchas piezasPequeñas deformaciones

ArrancamientoCaracterística de

la rotura frágil

Una piezaGrandes deformaciones

DeslizamientosParte dúctil de la fractura

ROTURAFRÁGIL

ROTURADÚCTIL

ArrancamientoParte frágil de la fractura


UNIDAD 5 6


1.5. Parámetros principales → Expresiones de cálculo

L uL o

P

P

S u

S o

P [N]

Δl [mm]

P T

P E

Esquema del Ensayo Diagrama Directo de Ensayo

σ E =Tensión alLímite elástico

P E

S o

σ F =Tensión deFluencia

P F

S o

A =AlargamientoUnitario de Rotura

L u - L oL o

δ =AlargamientoPorcentual Rotura A x 100

ψ =Sección deEstricción

S o - S uS o

Expresiones Generales

P F

Δl máx

σ R =Tensión deRotura

P T

S o

- Consiste en someter a una probeta del metal a laacción de dos fuerzas opuestas, coaxiales con el eje de la pieza, que tienden a alargar a la probeta, hasta producir la rotura de la misma


1.6. Límite de fluencia → Importancia- El límite o tensión de fluencia para los metales es uno de los pará-

metros más importantes para el diseño de estructuras, ya que esla máxima tensión para la cual, de manera práctica, el metal se encuentra en la zona de deformaciones elásticas

- En los aceros al carbono se presenta un fenómeno denominadofluencia, en el que el material parece fluir bajo cargas cons-tante produciendo las primerasdeformaciones plásticas, antesde entrar en el período de lasgrandes deformaciones

- El período de fluencia es tanto más prolongado cuando menor es el contenido de C del acero

- La fluencia se aprecia en la superficie de las probetas comolíneas a 45 y 135º, llamadasBandas de Lüders

Metal sin fluencia

Metal con fluenciaA

B

Tens

ione

s (M

Pa)

Deformaciones unitarias (mm/mm)

Períodode

fluencia

Bandas de

Lüders

Ban

das

de L

üder

s

90º


UNIDAD 5 7

- La desaparición de la fluencia en aceros endurecidos en frío, aceros inoxidablesy en general los metales no ferrosos que no poseen un período de fluencia, hacenecesario para estos casos definir un límite convencional de fluencia

- Es decir, se presentan dos casos:

Metales con fluencia: El límite de fluencia es la tensión correspondiente al pro-medio entre el límite superior y el límite inferior, si pueden apreciarse; o directa-mente la tensión de fluencia; apareciendo la fluencia sólo en los ensayos de tracción y torsión, siendo importante la fluencia a tracciónEjemplos: Aceros de medio y bajo contenido de carbono

Metales sin fluencia: Al no existir una zona de fluencia, se define el límiteconvencional de fluencia, que conceptualmente consiste en determinar latensión para la cual comienzan las primeras deformaciones plásticasEjemplos: Aceros endurecidos, fundiciones y metales no ferrosos

- Para este tipo de metales, muy corrientes en aplicaciones prácticas, se define:

Límite convencional de fluencia: La tensión que aplicada a un metal produce una deformación permanente del 0,2%


1.6. Límite de fluencia → Metales con fluencia y sin fluencia


1.6. Límite de fluencia → Determinación- Para su determinación, se conside-

ra el 0,2% de la longitud de ex-tensometría, que es sobre la cualse controlan las deformaciones

- Se traza una paralela a la zonaelástica en correspondencia conla deformación del 0,2% y dondeintercepte la curva, se obtiene grá-ficamente el límite convencional

Long

itud

deex

tens

omet

ríaProbeta

Extensómetro


UNIDAD 5 8


1.7. Diagrama real de tensiones en el ensayo de tracción → Diagramas- En el caso del ensa-

yo de metales dúcti-les, existe una dife-rencia entre el dia-grama indirecto y elel diagrama real

- Para el trazado deldiagrama indirecto,se dividen las cargassiempre sobre la sección inicial de la probeta y los alarga-mientos sobre sulongitud inicial

- En el diagrama real, se calculan en basea su sección y longi-tud instantáneas


1.7. Diagrama real de tensiones en el ensayo de tracción → Estudio

σ eng = PA o

ε eng = Δ ll o

σ true = PA i

ε true = Δ ll i

Ingenierileng

Verdaderotrue

ε true = ∫l i

l o

= lndll

l i

l o

ε true

ε eng = ∫l i

l o

=dll o

ll o

l i

l o

=l i – l o

l o

=l i

l o

- 1 = ε eng

=ε true = ln (1 + ε eng)

Por conservación delvolumen de la probeta V = A o . l o = A i . l i

A i = A o

A o = Sección inicialL o = Longitud inicial

A i = Sección instantáneaL i = Longitud instantánea

l o

l i


UNIDAD 5 9


1.7. Diagrama real de tensiones en el ensayo de tracción → Estudio

ε true = ln A o

A i

ε truee =A o

A i

A i

A o

=1ε truee

Relación entre áreasf (deformación real)

1) Para deformaciones bajas, menores al 10% → ε eng < 10% → ln (1 + 0,1) ≈ 0,1ε true ≈ ε eng

2) Para deformaciones elevadas, mayores al 10% → ε eng > 10%

σ true ≈ σ eng

σ true = PA i

=P

A ol o

l i

= σ engl i

l oσ true = σ eng (1 + ε eng)σ true=

Relación Áreas

Tensiones(MPa)

Deformaciones(mm/mm)

0,7690,8000,9340,8610,9100,953EstimadoA i / A o

455450420380330262Estimadoσ true

350360350330300250Datoσ eng

0,2620,2230,1820,1400,0950,049Estimadoε true

0,3000,2500,2000,1500,1000,050Datoε eng

Ejem

plo

de

aplic

ació

n nu

mér

ica


1.8. Distribución real de deformaciones → Ensayo de tracción

Ala

rgam

ient

os

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

60%

40%

20%

0%

Probeta marcadaantes del ensayo

Probetadespués

del ensayo

Distribución dealargamientosentre marcasde probetas

8352423734

18,345,670,996,2

133,5

10,030,050,070,0

Lo (100,0)

43-4-5

2-3-4-5-61-2-3-4-5-6-7Lu (1 a 10)

Alargamiento %Después de rotura (mm)Antes de ensayo (mm)Divisiones

EjemploACERO 1010

Probetado = 10 mmLo = 100 mm


UNIDAD 5 10


1.8. Distribución real de deformaciones → Alargamiento de rotura

Fuera deltercio medio

Fuera deltercio medio

Dentro deltercio medio

- Para la determinación del alargamiento de rotura, que es un parámetro que figura siempre en las especificaciones, pueden darse dos casos:Caso 1 – Rotura dentro del tercio medio de la probetaCaso 2 – Rotura fuera del tercio medio de la probeta

Caso 1 – Rotura dentro del tercio medio de la probeta- Se considera que la rotura es dentro del tercio medio, si para N = 10 divisiones

rompe en las 4 centrales, para N = 15 divisiones rompe en las 5 centrales y paraN = 20 divisiones en alguna de las 7 divisiones centrales

- Se mide la longitud inicial Lo antes del ensayo entre las dos líneas externas con uncon un pie de rey con precisión al 0,1 mm y después del ensayo sejuntan las dos partes de la probeta cuidadosamente y se mide la lon-gitud final Lu, entre las mismas marcas y se aplica la expresión:

Lu - LoLo

A =


1.8. Distribución real de deformaciones → Alargamiento de roturaCaso 2 – Rotura fuera del tercio medio de la probeta

- Debido a la distribución irregular de deformaciones y a que si la probetas hubieseroto dentro del tercio medio hubiera tenido un alargamiento mayor (ya que la zonade amarres tiene una sección mayor y por ende restringe deformaciones), debenrealizarse correcciones para poder darle validez, para aprovechar estos ensayos

- Consiste básicamente en obtener una nueva Lu de igual número de divisiones N,midiendo X divisiones de la zona de mayores deformaciones y duplicando el efectode las N-X divisiones en la zona adyacente obteniendo “simetría” en deformacionesConocer el número de divisiones N de la longitud de referencia LoUbicar si la rotura se encuentra entre un número de marcas par e impar, o entreun par de marcas impar y parCentrarse en la sección de rotura y medir desde la zona de amarre más cercanacierto número de divisiones X hasta lograr cierta simetría en la zona de mayoresdeformaciones de la probeta (zona estricción y rotura), midiendo AB en mmEn función del número de divisiones faltantes para llegar a N (N-X), medir zonasde divisiones adyacentes hacia la zona de menores deformaciones hasta comple-tar el número N, midiendo estos segmentos BC y BC’ superpuestos en mm


UNIDAD 5 11


1.8. Distribución real de deformaciones → Alargamiento de rotura

N divisiones

N divisiones

A B CAB BC

A B CAB BC

C’

BC’

Lu = AB + BC + BCMediciones

en mm al 0,1 mm

10 = 4 + 3 + 3 DivisionesEjemplo: N=10

Lu = AB + BC + BC’Mediciones

en mm al 0,1 mm

10 = 3 + 3 + 4 DivisionesEjemplo: N=10

CASO 2.a) Rotura fuera del tercio medio entre número de división par e impar

CASO 2.b) Rotura fuera del tercio medio entre número de división impar y par

(AB + 2BC) - LoLo

A =

(AB + BC + BC’) - LoLo

A =

Alargamientode rotura


1.9. Módulo de elasticidad longitudinal → Determinación- Se define como el cociente entre la tensión aplicada y la deformación específica

resultante, en el campo elástico; para el caso de materiales elástico-lineales

- Es la principal medida de la rigidez del material, que es su capacidad para oponerse o resistir las deformaciones elásticas

- El módulo E está directamente relacionado con las fuerzas interatómicas- Para los metales elásticos lineales, la

pendiente de la zona elástica indica el mó-dulo de elasticidad longitudinal del metal

- Para los metales elásticos no lineales, E puede obtenerse como la pendiente de larecta que une el origen con una deforma-ción a una tensión predeterminada, dentrodel campo elástico, como por ejemplo el 30% de la tensión de rotura; o bien comoel módulo tangente a determinada tensión

Ley de Hooke σ = E . εΔσ = E . Δε

Tens

ión

(MPa

)

Deformación unitaria (mm/mm)

MóduloTangente a σ 2σ 2

σ 1

Δσ

Δε

MóduloSecante a σ 1

Metaleselásticos

no-lineales

E =ΔσΔε


UNIDAD 5 12


1.10. Coeficiente de Poisson y Módulo de Elasticidad Transversal

μ = – = –Δ l x

Δ l z

Δ l y

Δ l z

(válido en el campo elásticoy para materiales isótropos)

- Para la mayoría de los metales:0,25 < μ < 0,35

- El coeficiente de Poisson μ, sedefine como la relación existenteentre las deformaciones trans-versales y las longitudinales, res-pecto a la dirección del esfuerzo

- Cuando un material está someti-do a una tensión, se deformatanto longitudinal como trans-versalmente

Def. transversal = μ . Def. longitudinal


1.11. Principales propiedades mecánicas de los metales

0,2815550420208.000ADN 420

15

30

25

40

45

25

65

40

35

DuctilidadA (%)

0,28

0,29

0,28

0,31

0,33

0,34

0,36

0,33

0,32

Coeficiente de Poisson

655565325.000Molibdeno

410.000

208.000

200.000

120.000

107.000

97.000

70.000

45.000

Módulo E(MPa)

550

230

140

60

450

75

35

60

Límite de fluencia (MPa)

750

380

480

220

520

300

90

190

Tensión de rotura (MPa)

Tungsteno

Acero 1015

Níquel

Cobre

Titanio

Latón

Aluminio

Magnesio

Metal


UNIDAD 5 13

2. ELASTICIDAD, DUCTILIDAD, TENACIDAD Y RESILIENCIAUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

2.1. Conceptos generales → Nomenclatura según IRAM-IAS


2.1. Conceptos generales → Ductilidad

l o

l urotura


UNIDAD 5 14


2.1. Conceptos generales → Tenacidad


2.1. Conceptos generales → Resiliencia


UNIDAD 5 15


2.1. Conceptos generales →Gráficos comparativos

3. ESPECIFICACIONES DE LOS ACEROS DE CONSTRUCCIÓNUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

3.1. Aceros para perfiles estructurales – Laminados en caliente

187174168127123110

DurezaHB

<0,04<0,050,50,451045A-510St 5222520360A-52F-36

<0,04<0,050,50,351035A-490St 5022500300A-50F-30

<0,04<0,050,50,301030A-430St 4424470260A-44F-26

<0,04<0,050,50,201020A-410St 4225420240A-42F-24

<0,04<0,050,50,151015A-365St 3728370220A-37F-22

<0,04<0,050,4<0,101008A-320St 3328330200A-33F-20

P%

S%

Mn%

C%

AISISAE

UNEDINA rot(%)

σ mín T(MPa)

σ fluen(MPa)

IRAM503

CIRSOC301

Composición químicapromedioOtras designaciones

CaracterísticasmecánicasDesignación


UNIDAD 5 16


3.2. Barras de acero para armaduras en estructuras de hormigónTabla 3.8. CIRSOC 201 – Barras de acero para estructuras de hormigón


3.3. Mallas de acero para armaduras en estructuras de hormigónTabla 3.9. CIRSOC 201 – Alambres y mallas soldadas de acero para estructuras de hormigón


UNIDAD 5 17


3.4. Cordones para estructuras de hormigón pretensadoTabla 3.12.a) CIRSOC 201 – Cordones de 2 o 3 alambres con tratamiento térmico, para

Estructuras de hormigón pretensado

4. COMPORTAMIENTO DE METALES FEROSOS Y NO FERROSOSUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

4.1. Aceros → Propiedades- En el gráfico se presentan los diagramas

indirectos de ensayos a tracción de ace-ros con diferentes contenidos de carbonosin estar sometidos a ningún tratamientotérmico o mecánico

- Del mismo, puede deducirse que, si seaumenta el contenido de carbono:

Se eleva la resistencia a tracciónSe eleva el límite de fluenciaNo varía el módulo de elasticidadDisminuye la ductilidadEl material se vuelve más frágilDisminuye la duración del períodode fluencia, hasta desaparecerSe aumenta la dureza del acero(no aparece en el gráfico)


UNIDAD 5 18

4. COMPORTAMIENTO DE METALES FEROSOS Y NO FERROSOSUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

Acero Alta Resistencia

Acero Común

Latón

Cobre

Aluminio

Fundición de hierro

Tens

ione

s(σ

)

Deformaciones unitarias (ε)

4.2. Metales no ferrosos → Propiedades- De la comparación en un gráfico σ − ε

a la misma escala, de los metales máscomunes en la construcción se puedemencionar que:

Acero ↓ %C - Cu – Al → DúctilesAcero ↑ %C - Latón → Poco DúctilesFundición de hierro → FrágilAcero ↓ %C → Presenta clara fluenciaAcero ↓ %C - Cu → Muy tenacesFundición - Al → Poco tenacesAceros - Fundición → Más rígidosAl → Menos rígidoAcero ↑ %C → Más resistenteAl → Menos resistenteFundición – Al → Elástico no lineal

5. VARIACIÓN DE LAS PROPIEDADES CON LA TEMPERATURAUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

5.1. Comportamiento de metales a elevadas temperaturas → Aceros- Los metales y en particular el acero, tienen un muy mal

desempeño ante los incendios; tanto cuando se tratade una estructura metálica como en el caso de elemen-tos de hormigón armado, como barras de refuerzo

- Por ello es de vital importancia la variación de sus pro-piedades con el incremento de temperaturas, que enlos incendios pueden superar los 1200 ºC

- La protección ignífuga para elementos estructuralesmetálicos es indispensable y obligatoria


UNIDAD 5 19


5.1. Comportamiento de metales a elevadas temperaturas → Aceros- En general, verifica que a los 200 a 300°C comienza a decrecer el límite de fluencia

- Para el caso de la tensión de rotura, la misma presenta un pico de máxima entre los 200 y 350 y luego decrece a la misma razón que la tensión de fluencia, perdien-do casi totalmente sus propiedades resistentes a temperaturas de 600 - 800 ºC

- Para aceros de bajo contenido de carbono la influencia es mayor


5.1. Comportamiento de metales a elevadas temperaturas → Aceros- Para el caso de los aceros se establece que:

σ T → Tensión de rotura a tracción- De 20 a 150 ºC → Disminución leve- De 150 a 300 ºC → Aumento - Más de 300 ºC → Disminución considerable

σ F y P → Límite de fluencia y proporcionalidad- Al aumentar la temperatura, disminuyen

E → Módulo de elasticidad longitudinal- Al aumentar la temperatura, disminuye E

Ψ y A → Ductilidad: Estricción y Alargamiento- De 20 a 200 ºC → Disminución notable- De 200 a 300 ºC → Se presenta el mínimo- Más de 300 ºC → Aumento notable de la

ductilidad y deformabilidad

δ(%

)


UNIDAD 5 20


5.1. Comportamiento de metales a elevadas temperaturas → Otros metales- Los metales frágiles a temperatura ambiente, como la fundición de hierro, pre-

sentan en general el siguiente comportamiento cuando se eleva la temperaturade ensayo:

Aumenta considerable-mente la ductilidad

Disminuye notablementela resistencia a tracción

Disminuye la tensión allímite de fluencia

Disminuye el módulo de elasticidad

Aumenta su aptitud paraconformarse


5.2. Comportamiento de metales a bajas temperaturas → Aceros- El estudio de los metales a temperaturas infe-

riores a 0°C tiene especial importancia para detectar la tendencia a la fragilización que pre-sentan los metales y sus aleaciones a medida que la temperatura desciende

- En general se comprueba en los metales, unaumento de los límites de fluencia y de roturaa medida que la temperatura desciende por debajo de 0 °C

- Sin embargo, el aspecto más importante atener en cuenta, es la disminución de la ducti-lidad cuando descienden las temperaturas

- La disminución de la ductilidad, puede traeraparejada la rotura sin preaviso, es decir, sindeformaciones importantes

- El módulo elástico, casi no varía al descenderla temperatura por debajo de 0 ºC


UNIDAD 5 21


5.2. Comportamiento de metales a bajas temperaturas → Otros metales

Temperatura (ºC)

Tens

ione

s (M

Pa)

750

600

450

300

150

0-200 -100 0

Cobre – Tensión convencional de fluencia

Cobre – Tensión de rotura

Acero – Tensión de rotura

Acero – Tensión de fluenciaNíquel – Tensión convencional de fluencia

Níquel – Tensión de rotura

- Por regla general, los metales incrementan tanto su tensión de fluencia como suresistencia a la tracción

- En particular para el caso del acero,el mismo se fragiliza al disminuir latemperatura, lo que se aprecia en elgráfico ya que las diferencias entre tensión de rotura y tensión de fluenciadisminuyen al bajar la temperatura

Fragilización del aceroRotura sin preaviso

6. RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN, CORTE Y TORSIÓNUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

6.1. Resistencia a la compresión → Importancia- Si bien el ensayo de tracción es el que

mayor importancia reviste, en muchasaplicaciones los metales están some-tidos a esfuerzos de compresión

- En el caso del ensayo de compresión, el diagramareal de tensiones, está por debajo del diagramaindirecto o ingenieril

- Esto se debe a que el diagrama real surge de considerar las secciones instantáneas y al ir au-mentando la sección, la tensión real disminuye

- En muchos metales, el módulo E y el límite de elas-ticidad a compresión coincide con el de tracción

DIAGRAMAACERO AL-220


UNIDAD 5 22

L oL u

P

P

S o

S u

P [N]

Δl [mm]

P C

P E

Esquema del Ensayo Diagrama del Ensayo

σ E =Tensión alLímite elástico

P E

S o

σ R =Tensión deRotura

P C

S o

A =AcortamientoUnitario de Rotura

L o - L uL o

δ =AcortamientoPorcentual Rotura A x 100

Z =Sección deRecalcadura

S u - S oS o

Expresiones Generales

En la zona de proporcionalidad esválida la Ley de Hooke (Hasta P E)

σ =Ley deHooke

E x ε PS o

= E xΔLL o

ΔL=Acortamiento enla zona elástica

P x L oS o x E

Δl máx


6.1. Resistencia a la compresión → Principales parámetros


6.1. Resistencia a la compresión

Frágil Muy frágilTenaz

Dúctil

Maleable

Acerodulce

Fundicióngris

AleaciónAluminio

Cobre

Tipos derotura

Ensayo decompresión

paradiferentesmetales


UNIDAD 5 23



Metal dúctil y maleableCobre

Antes del ensayo

Finalización del ensayo



Metal frágilFundición de hierro

Metal tenazLatón




UNIDAD 5 24


6.2. Resistencia al corte → Generalidades

- Relación teórica entre los módulos deelasticidad en el campo elástico y paramateriales homogéneos e isótros:

E = 2 G (1 + μ)

E = Módulo de elasticidad longitudinalG = Módulo de elasticidad transversalμ = Coeficiente de Poisson

- Analogía de la Ley de Hooke en corte:

τ = G . γ

τ = Tensión (Carga / Sección de corte)G = Módulo de elasticidad transversalγ = Deformación por corte (Ángulo)


6.3. Resistencia a la torsión → Generalidades

Máquina deensayos

de torsión

Diagramaindirecto

de un metaldúctil

- En el diagrama se gra-fican los momentos torsores y la deforma-ción (rotación) del ele-mento ensayado hastallegar a la rotura

τ T =M t

W oo

Tensionesen Torsión

W oo = Módulo resis-tente polar (π . R3/2)


UNIDAD 5 25


6.3. Resistencia a la torsión → Diagramas y formas de rotura

Tenaz - Frágil

Maleable - DúctilTipos de

rotura

Diferentesdiagramasde ensayo

7. RESISTENCIA AL IMPACTO Y RESILIENCIAUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

7.1. Generalidades → Importancia- Es un ensayo muy útil en los metales y otros materiales, que se realiza con

una o más de las siguientes finalidades:Conocer el comportamiento de un metal ante cargas de choqueConocer la capacidad que tiene el material de absorber energía ante fuerzasde choque; denominada resilienciaDeterminar la sensibilidad de los metales a los procesos de conformaciónDeterminar el comportamiento dúctil o frágil de los materiales a diferentestemperaturas

- El ensayo consiste básicamente en someter a una probeta a una carga de impacto dinámica que actúa en unos pocos milisegundos y provocar su rotura

- Como resultado del ensayo, se obtienen dos parámetros importantes:

Energía absorbida en la rotura del metal

Resiliencia (energía referida a la sección de la probeta en la entalladura)

R = E c

SecciónResiliencia [kgm/cm2] [J/m2]

E cEnergía [kgm] [J]


UNIDAD 5 26


7.1. Generalidades → Esquema del péndulo

Golpe delPéndulo

Golpe delPéndulo

Entalladura

EnsayoCHARPY

EnsayoIZOD


7.1. Generalidades → Máquinas de ensayo

Péndulo deimpacto

Probeta

Lectura deEnergía E c

EscalaIzod

EscalaCharpy

Accionador


UNIDAD 5 27


7.2. Ensayo de Charpy → Probetas y ensayo - Si la probeta:No rompeRompe fuerade la zona deentalladura

Se descarta elensayo

- La sección dela probeta se mide en la zonade entalladura

Vista lateral de la probeta Vista transversal

Posición dela probeta

en la máquina


7.2. Ensayo de Charpy → Aplicaciones

Influencia de la dirección de laminadoCharpy – Probeta entallada en V – Acero 1015 Laminado

- Puede aplicarse para cuantificar el diferente comportamiento según la direccióndel trabajo en frío (por ejemplo laminado) en los metales


UNIDAD 5 28


7.3. Ensayo de Izod → Probetas y ensayo- Para el caso del ensayo de Charpy, la probeta se

encuentra como una viga simplemente apoyada yse realiza un ensayo por cada probeta

- Para el caso del ensayo de Izod, la probeta se en-cuentra empotrada (en voladizo) y se realizan tresdeterminaciones por cada probeta

- En un ensayo muy útil para medir la incidencia deltrabajo en frío u otros tratamientos en las diferentesdirecciones del metal ensayado

- Las entalladuras de las probetas son siempre igualesy se van ensayando sucesivamente

- Al igual que en para Charpy:Si la probeta no rompeSi rompe fuera de la zonade entalladura

Se descarta el ensayo

Vista lateralde la probeta

Vista transversal


7.4. Transición dúctil – frágil → Importancia- El ensayo de impacto, también sirve para distinguir, para ciertos materiales, cuando

existe un comportamiento dúctil y un comportamiento frágil; y, en algunos casos,determinar cuál es la temperatura a la cual cambia el comportamiento del material

- Los gráficos de transición dúctil - frágil, presentan:En el eje de ordenadas: Energíade impacto (Izod o Charpy)En el eje de abscisas: Tempera-tura de ensayo

- Para la construcción de este tipode curvas, deben realizarse una gran cantidad de ensayos sobre probetas de las mismas caracte-rísticas geométricas y del mismometal, a diferentes temperaturas

- En metales BCC, polímeros y al-gunos cerámicos, se presenta ladualidad: fragilidad y ductilidad,dependiendo de la temperatura


UNIDAD 5 29


7.4. Transición dúctil – frágil → Generalidades- Para el caso más general, los metales con estructura BCC y HCP y los polímeros,

presentan un comportamiento frágil a bajas temperaturas y un comportamiento mo-deradamente dúctil a temperaturas superiores, existiendo una zona de transición

- En este tipo de gráficosse distinguen:Zona frágil (E f)Zona de transiciónZona dúctil (E d)

- Se considera como lí-mite entre la zona dúc-til y frágil, a la tempe-ratura para la mediaaritmética entre lasenergías E d y E f, porlo tanto:Si T i > T tr f-d → DúctilSi T i < T tr f-d → Frágil


7.4. Transición dúctil – frágil → Ejemplos

Ensayo CharpyProbeta

entallada en V Acero sin aleantes

- En este ensayo se pone en evidencia como al incrementar el % C en el acero,éste se vuelve más frágil y presenta comportamientos moderadamente dúctilessólo a temperaturas elevadas


UNIDAD 5 30


7.4. Transición dúctil – frágil → Ejemplos

Ensayo CharpyProbeta

entallada en V Aleación Fe - Mn

- Se aprecia como al incrementar el contenido de Manganeso en el acero:

Aumenta su ductilidad

Disminuye sutemperaturade transición

8. FLUENCIA LENTA Y EFECTO CREEPUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

8.1. Fluencia lenta en metales → Generalidades- La fluencia lenta o efecto creep en metales, se define como la variación de las

deformaciones dependiendo del tiempo y de la temperatura, cuando el metales sometido a una carga constante (tensión constante)

- Este factor, muchas veces puede limitar la vida útil de un determinado compo-nente o de una estructura, cuando en sus condiciones de servicio existen tem-peraturas bastante superiores a las normales

- El fenómeno de fluencia lenta se torna muy importante para temperaturas supe-riores al 30 a 40% de la temperatura de fusión del metal, por ejemplo para elcaso del acero, a temperaturas de 450 a 600 ºC

- Cuando el metal es solicitado por una carga, inmediatamente sufre una defor-mación elástica que depende de la tensión aplicada y del módulo de elasticidad

- Si la deformación aumenta progresivamente con el tiempo, aparece la fluencia

- Algunos de los factores que afectan la fluencia lenta son:Temperatura y tensión aplicadaMódulo E y tamaño de grano → Al aumentar mejora la resistencia al creepTipo de metal y punto de fusión


UNIDAD 5 31


8.1. Fluencia lenta en metales → Diferentes casos de estudio


8.1. Fluencia lenta en metales → Diferentes casos de estudio- En el gráfico anterior se presentan tres casos, para diferentes temperaturas,

todos a para el mismo metal y la misma tensión aplicada

1) Temperatura ambiente – Curva ABEl metal se deforma elásticamente hasta A Mantiene su deformación constante a lo largo de su vida útil o período de ensayo

2) Temperatura moderada – Curva JKLEl metal se deforma elásticamente hasta J. Esta deformación elástica es mayorque para el caso 1), debido a que el módulo E disminuye con la temperaturaDesde J a K existe una fluencia en un período de acomodamiento de lasdislocaciones hasta encontrar el equilibrioDesde K a L la deformación se mantiene constante a lo largo del ensayoLa deformación permanente es superior a la deformación en el caso 1), pero esestable en el tiempo; considerándose como deformaciones plásticas

3) Temperatura elevada – Curva DEFGEs el caso típico del comportamiento de fluencia lenta o efecto creep, presentán-dose 3 etapas marcadas


UNIDAD 5 32


8.1. Fluencia lenta en metales → Comportamiento a altas temperaturas

3) Temperatura elevada – Curva DEFGEl metal se deforma elásticamente hasta D por efecto de la tensión aplicada. Estadeformación inicial es mayor que para los casos 1 y 2, debido a que el módulo deelasticidad es menor al incrementarse la temperatura

Deformación elástica: ε elást

1era Etapa: Similar al caso 2), se produce un acomodamiento interno y desplaza-miento de dislocaciones hasta encontrar un equilibrio en el punto E

Deformación por creep inicial: ε o

2da Etapa: Las deformaciones continúan aumentando a velocidad constante, yaque la velocidad de deformación está dada por la pendiente de la recta. Ladeformación en cualquier punto puede estimarse como:

Deformación por creep a velocidad de deformación constante: ε o + v o . tdonde v o es la velocidad de deformación y t es el tiempo; siendo válido hasta F

3era Etapa: Las dislocaciones llegan a tal punto que se vuelven inestables, se pro-duce una estricción y se llega a la rotura del metal en G. En algunos metales, como los frágiles, esta etapa tiene una muy corta duración o es inexistente


8.1. Fluencia lenta en metales → Comportamiento a altas temperaturas


UNIDAD 5 33


8.2. Factores que influyen en los ensayos → Importancia

- Aumenta la velocidad de deformación- Se disminuye la duración de las tres etapas- Se llega a la rotura en menor tiempo

σ creciente - T constanteT creciente - σ constante

En amboscasos


8.3. Máquinas de ensayo y probetas → Esquema general

Horno

Probeta

Pesas

Aislante

PortaprobetaTapón

Probeta

Calefactor

Termocupla

Long

itud

calib

rada

Varillas delextensómetroReloj comparador

Resorte

Palancas

Rodillo


UNIDAD 5 34


8.3. Máquinas de ensayo y probetas → Fotografías

Bateríasde máquinaspara ensayos

de fluencialenta (creep)

Dispositivospara lograrelevadas

temperaturas(hornos)

9. MECANISMO DE LA FATIGA EN METALESUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

9.1. Introducción → Generalidades y ejemplos- Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tipo estático, se rompe una vez que ha

alcanzado el estado de máxima deformación que es capaz de soportar, o bienbajo una tensión que alcanza el valor máximo en ese instante

- Si en lugar de actuar en esta forma estática, la solicitación se produce en forma cíclica, alternando entre un límite inferior y otro superior, el cuerpo se rompe después de un cierto número de repeticiones de la solicitación impuesta, sin que su valor máximo de la tensión, alcance el valor límite de la solicitación estática

- Se dice que el cuerpo se fatiga por efecto de la solicitación reiterada, ya que elmaterial trabaja en condiciones muy distintas de las del esfuerzo estático

15.000 millones (10 años)Ejes de turbina a vapor18 millones (200 horas)Cigüeñales motores avión50 millones (10 años)Ejes de automóviles400 millones (10 años)Eje de locomotoras

3 millones (50 años)Puente FerrocarrilNúmero de ciclosPIEZA


UNIDAD 5 35

IniciaciónPropagación defisura de fatiga

Fracturasúbita


9.2. Fractura por fatiga → Diferentes etapas en la fractura- Según algunos autores, la razón por la que se produce la fractura por fatiga

es la presencia de una acritud local progresiva que depende de las caracterís-ticas del metal, de la solicitación y del tiempo

- En las fracturas por fatiga se distinguen tres partes:Iniciación: En el perímetro y en correspondencia con alguna irregularidadPropagación: Deslizamiento progresivo de dislocacionesFractura súbita: Rotura frágil cuando la sección está muy disminuida


9.3. Diferentes tipos de solicitaciones → Ciclos

Sinusoidal

Periódico

Aleatorio

Tens

ión

Tens

ión

Tens

ión

Período

Tiempo

Tiempo

Tiempo

- Las solicitaciones de fatiga secaracterizan por cambiar deintensidad en el tiempo

- Pueden presentarse diferen-tes casos de solicitaciones encomponentes de máquinas oen elementos estructurales;pero debido a:Facilidad de modelaciónSolicitaciones aplicables porlas máquinas de ensayoCorrelación con el compor-tamiento real de estructuras

se emplean ciclos de solicita-taciones sinusoidales, quealternan la tensión dinámicade un máximo a un mínimo


UNIDAD 5 36


9.3. Diferentes tipos de solicitaciones → Ciclos Pulsatorios

1) C

iclo

Puls

ator

ioN

o In

term

itent

e

2) C

iclo

Puls

ator

ioIn

term

itent

e


9.3. Diferentes tipos de solicitaciones → Ciclos Alternados

3) C

iclo

Alte

rnad

oA

sim

étric

o

4) C

iclo

Alte

rnad

oSi

mét

rico


UNIDAD 5 37


9.4. Curvas de Wöhler → Importancia- En el período comprendido entre 1857 y 1869, Wöhler, realizó diversas expe-

riencias con el objeto de aclarar el fenómeno de la fatiga en los metales

- Para ello creó los primeros dispositivos destinados al ensayo de fatiga, por supreocupación por las roturas prematuras en los ejes de equipo ferroviario, obte-niendo las siguientes conclusiones:

1) Cuando el acero y la fundición de hierro son sometidos a un esfuerzo repetidoun número suficiente de veces rompen bajo una tensión no sólo inferior a latensión de rotura estática, sino también a la del límite de elasticidad

2) Si la diferencia entre los valores máximo y mínimo de la solicitación es inferiora cierto valor límite, no se produce la rotura cualquiera sea el número de repe-ticiones de la solicitación

- Es decir, la alteración que sufren los metales por efecto de la fatiga es despre-ciable cuando la solicitación no sobrepasa un cierto valor que, de acuerdo conlas experiencias realizadas para cada metal, corresponde a su límite de fatiga

- Si se grafican en un diagrama, para diferentes tensiones dinámicas, cuál es elnúmero de ciclos al que rompe la probeta, si la misma rompe, se obtienen lascurvas de Wöhler para cada metal y cada condición en particular


9.4. Curvas de Wöhler → Ensayos y trazado- Se fabrican al menos

15 probetas idénticasdel metal y para cadacondición de ensayo

- A cada probeta, se lasomete a un ciclo desolicitaciones sinusoi-dal del mismo tipo, ca-da probeta con unaamplitud σ a diferente

- Cada probeta ensaya-da, brinda un punto(σ a , N), siendo N elNº de ciclos para elcual la probeta rompe

- Si la probeta no rompea 108 ciclos, se consi-dera que no romperá

Probetas querompieron

Probetas queno rompieron

Ejemplo de trazado de una Curva de Wöhler


UNIDAD 5 38


9.4. Curvas de Wöhler → Ensayos y trazado

Ejemplo de trazado de una Curva de Wöhler- Se traza una línea detendencia, con el mí-nimo error cuadrático

- Se diferencian 2 partes:Una recta inclinada enla cual las probetasrompen a menor Nº de ciclos cuando mayores la amplitud de cicloUna recta horizontal, en la cual, las probetasrompen a la mismatensión de amplitud,independientementedel número de ciclos

- La asíntota (recta hori-zontal de tendencia) esel límite de fatiga σ d

Probetas Rompen

Probetas No Rompen


9.4. Curvas de Wöhler → Diferentes tipos de metales

Curvas de Wöhlerpara diferentes

metales empleadosen la construcción


UNIDAD 5 39


9.4. Curvas de Wöhler → Diferentes tipos de metales

- Para los metales ferrosos (aceros y fundicio-nes) y aleaciones de titanio, se compruebaun límite de fatiga bien definido, como unaasíntota horizontal en las curvas de Wöhler

- En cambio, para los metales no ferrosos,mediante los ensayos se aprecia que latensión dinámica continúa disminuyendoaunque muy poco, al aumentar el númerode ciclos por encima de 107 (10 millones)

- En este último caso convencionalmente, seacepta el límite de fatiga, como la tensióndinámica para 108 ciclos (100.000.000), yaque rara vez se encontrarán estos metalessometidos a tanta cantidad de ciclos en suvida útil y debido a que la disminución de la tensión no es considerable


9.4. Curvas de Wöhler → Curvas considerando probabilidad de falla- La Curva de Wöhler descripta tiene una probabilidad de falla de 0,50; lo que no

es compatible con la mayor parte de las aplicaciones en ingeniería civil- Por ello, se emplean pa-

ra el diseño de elemen-tos curvas con diferen-tes probabilidades defalla (rotura); según elfactor de seguridad aemplear

- Para el trazado de estascurvas, deben ensayar-se al menos 150 probe-

tas por cada metal ycondición de ensayo


UNIDAD 5 40


9.4. Curvas de Wöhler → Diferentes ciclos

- El mismo metal se comporta de manera diferente ante ciclosalternados (simétricos o asimétricos) o ciclos pulsatorios


9.5. Diagramade Smith


UNIDAD 5 41


9.5. Diagrama de Smith- La rotura por fatiga, no sólo depende de la amplitud de las tensiones sino también

del valor y del signo de la máxima tensión producida

- El trazado de las curvas de Wöhler para una determinada solicitación, sobre seriesde probetas iguales pero para distintas tensiones medias, permite obtener una familia de curvas como la presentada en la diapositiva anterior

- Smith relacionó estos valores en un gráfico, el cuál presenta igual escala de ten-siones en sus ejes coordenadas, de manera que en el abscisas indique los valoresde las tensiones medias y en el eje de ordenadas las correspondientes a tensionesmáximas y mínimas para alcanzar el límite de fatiga

- Además, se representa con la curva a 45º que pasa por el origen la tensión σ m

- De esta manera, se obtienen una serie de puntos que al unirlos dan las curvas quefijan las tensiones máximas y mínimas para una media conocida o para la alter-nancia del ciclo

- Estas curvas se prolongan para unirse en el punto D, que representa la resisten-cia estática a tracción a la cual lógicamente no se posible superponer ningún cicloalternado; pues se produce la fractura del material


9.5. Diagrama de Smith- Por construcción de la línea a 45º que une el origen con el punto D, divide en dos

mitades a las longitudes comprendidas entre las tensiones máximas y mínimas,correspondiendo por lo tanto a las tensiones medias para cada amplitud

- En la práctica, además se evita el desarrollo de deformaciones plásticas, por loque las tensiones máximas no deben superar el límite elástico del metal, limitán-dose en el diagrama de Smith a éste valor, efectuándose su cierre en la línea EG

- Por ejemplo, en el gráfico:.

Los puntos HJ, indican las tensiones mínimas y máximas para un ciclo pulsatoriointermitente en tracción-tracción; y los puntos NM para compresión-compresiónLos puntos KL, indican las tensiones mínimas y máximas para un ciclo alternadosimétricoPara cualquier par de puntos en la misma vertical, cuando donde se corta larecta a 45º indica la tensión de amplitud

- Aunque es muy laborioso realizar estos gráficos, se obtiene además de la infor-mación de las curvas de Wöhler, las tensiones mínimas, máximas y amplitudespara cualquier caso de los 4 ciclos fundamentales de solicitaciones por fatiga


UNIDAD 5 42


9.6. Valores corrientes de resistencia a la fatiga → Ejemplos

4216585

12511570

175740210235220175215

Resistenciade fatiga

(MPa)

23%370Bronce50%330Bronce recocido

50%350Fundición gris30%230Cobre recocido32%365Cobre laminado en frío25%510Latón laminado en frío

47%90Aleación de Aluminio

53%1400Acero 1095, al Níquel templado36%590Acero 1095, recocido37%640Acero 1035, templado y revenido48%460Acero 1030, laminado en caliente37%470Acero 1025, templado y revenido49%440Acero 1020, laminado en caliente

RelaciónResistencia fatiga

Resistencia estática

Resistencia tracción estática

(MPa)Metal


9.7. Factores que influyen en el ensayo → Generalidades- Numerosos factores influyen de manera notable en los resultados de ensayo,

más que para cualquier otra propiedad de los metales:Ambiente de ensayoEntalladura de las probetasEstado superficial de las probetasDimensiones de las probetasFrecuencia de oscilaciónTemperatura de ensayo

- Además, tienen una influencia de-cisiva los factores metalúrgicosComposición química y fasesDefectos de fabricaciónTratamientos térmicos, superficiales o termo-químicosMicroestructuraInclusiones extrañas en el metal

SaladaDulce

301408570

255120

En agua

140140340Bronce204590Aluminio

85120500Latón6070220Cobre

190370820Aº inoxidable35180360Acero

Al aire

Resist. fatiga (MPa)Resistenciaestática (MPa)

Metal

Influencia del ambiente de ensayo


UNIDAD 5 43


9.7. Factores que influyen en el ensayo → EntalladuraInfluencia de la entalladuras en la probeta

150180400Latón forjado7090240Cobre

130130570Bronce forjado140140210Fundición gris3005501050Acero inoxidable180270540Acero semiduro150190340Acero dulce

Probeta entalladaProbeta lisaResistencia a la fatiga (MPa)Resistencia a

tracción (MPa)Metal

- Las entalladuras pueden reducir en algunos metales de mane-ra significativa la resistencia a la fatiga; debido a la concentra-ción de tensiones que se presenta en sus inmediaciones

- En algunos metales no existe sensibilidad a la entalladura, pero en la mayor parte de ellos la reduce hasta en un 50% Con entalladura

Sin

enta

lladu

ra

Distribuciónde tensiones


9.7. Factores que influyen en el ensayo → Parámetros de la probetaInfluencia del estado superficial de la probeta

Influencia de la forma de la probeta

- Teniendo en cuenta que la mayor parte de las fracturas por fatiga se originan en elperímetro de las piezas, resulta muy importante el tratamiento de éstas

- Se ha demostrado que en algunos casos, imperfecciones de sólo 0,1 mm, puedendisminuir la resistencia a la fatiga hasta un 40%

- En aceros tratados térmicamente, la descarburación superficial resulta muy perju-dicial y estos tratamientos pueden reducir hasta en 60% la resistencia a fatiga

- En forma inversa, con tratamientos superficiales, como por ejemplo nitruración,la resistencia a la fatiga se incrementa en un 20%

- No existe forma normalizada de probetas parafatiga; adaptándose a la máquina de ensayocon que se cuente y a sus recomendaciones

- Para menores radios de curvatura en la partecentral, la tensión de fatiga puede disminuir enun 30%; prefiriéndose los radios elevados

Número de ciclos

Am

plitu

d (M

Pa)


UNIDAD 5 44


9.7. Factores que influyen en el ensayo → Influencia de la temperaturaInfluencia de la temperatura de ensayo- Al igual que para los otros ensayos,

existe una variación de la resistenciaa la fatiga al incrementarse la tempe-ratura de ensayo o condición de ser-vicio de la estructura

- Sin embargo, no es un comporta-miento distintivo, sino que la resis-tencia a la fatiga varía en la mismaforma que la resistencia estática ala tracción y el límite de fluencia

- Se presenta un máximo a 300 ºCaproximadamente y luego comienzaa decrecer de manera abrupta

- A temperaturas inferiores a las nor-males presenta un comportamientosimilar al de la resistencia estática


9.7. Factores que influyen en el ensayo → Parámetros del ensayoInfluencia de la frecuencia de oscilación

- Por el tiempo que demandan los ensayos y la gran cantidad de ellos que hayque realizar, no pueden modelarse las frecuencias de solicitaciones queaparecen en la estructura o en el componente de la máquina

- En ensayos realizados sobre metales ferrosos, la frecuencia de los ciclos enflexión rotativa no alteran los resultados hasta los 5000 a 7000 ciclos / minuto;mientras que para valores superiores disminuye la tensión de fatiga

- Es por ello que las máquinas de ensayos de fatiga trabajan entre 2000 a 3500 ciclos / minuto; muy por debajo del límite mencionado pero mucho más rápidoque la situación en la estructura para acelerar los ensayos

- Como ejemplo, para una velocidad de 3000 ciclos / minuto, se tarda 2 ½ díaspara completar 107 ciclos y 23 días para 108 ciclos; para cada probeta

Influencia del método de ensayo- La resistencia a la fatiga por torsión es menor que la obtenida por flexión, es

aproximadamente un 45% para aceros, cobre, bronce y latón

- Para el caso de la resistencia a fatiga tracción-compresión, también es menoraproximadamente en 25% respecto a la de flexión rotativa (la más empleada)


UNIDAD 5 45


9.8. Máquinas de ensayo y probetas

Probeta

Probeta

Diagramade momentos

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1. Apoyo de goma2. Cuerpo de la máquina3. Rueda manual para la regu-

lación de la carga4. Indicadores de flechas5. Escala lineal de tensiones6. Probeta7. Pinza de sujeción y cojinete8. Palanca para bloqueo carga9. Botón o llave de encendido10. Motor de accionamiento11. Medidor o contador de

ciclos (0 a 99.999.900)12. Interruptor de corriente en

la fractura


9.8. Máquinas de ensayo y probetas

Máquina paraensayos de

fatiga

Probeta paraensayos de fatiga

Probeta MotorContador de vueltas

Peso


UNIDAD 5 46

10. DUREZA DE METALESUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

10.1. Definiciones y generalidades → ImportanciaDefinición: Resistencia que opone un cuerpo para dejarse deformar por otro másduro que produce una deformación netamente plástica. Dicha deformación brindaun índice de la dureza, cuando el ensayo se realiza en condiciones normalizadas

- La dureza de un material es un concepto relativo, ya que es posible afirmar que unmaterial es más duro que otro pero no existe una medida o patrón único para definir la dureza cuantitativamente, si no es mediante una convención

- Por esta razón, se explica porqué existen tantos métodos para medir la dureza


10.2. Diferentes ensayos y campo de aplicación

KnoopPolímerosDureza ShorePor rebote3

VickersPiramidales

CónicoRockwell

Metales

BrinellMaderasJanka

Esférico

Por penetración2

RocasEscala de MohsPor rayado1MaterialesMétodosDeterminaciónCaso Diferentes

penetradores

Durómetro de banco

Determinación por rayado


UNIDAD 5 47


10.3. Dureza Brinell → Generalidades

HB =Carga

Superficie casquete esféricoPS

= [kg/mm2]

D/2D/2

d/2d/2

D

dh

aa

HB =P

π D hh =

D2

- a a =D2

-2 d

2

2

HB =2 P

π D (D – D2 – d2 )[kg/mm2]

P

- Se basa en la resistencia que opone el cuerpo examinado para dejarse penetrarpor otro más duro llamado penetrador, impelido por una carga determinada

- La dureza o número Brinell, se obtiene al dividir la carga aplicada por un penetra-dor esférico por la superficie de la impresión (casquete esférico)

- En Argentina, el método de ensayo figura en la Norma IRAM 104 “Ensayo de dureza Brinell de los materiales metálicos”

PenetradorEsféricoBrinell

Deducción de las expresiones


10.3. Dureza Brinell → Ensayo

- La impronta debe me-dirse con una lupa omicroscopio especial

- Los dos diámetrosperpendiculares de-ben medirse con re-solución de 0,01 mmd = (d1 + d2) / 2

- La dureza del pene-trador será mayor a 630 HB

HB = 2 P

π D (D - D2 – d2 )

Expresión de cálculo de dureza Brinell


UNIDAD 5 48

- El ensayo original de Brinell se realizaba con 3000 kg para aceros y 500 kgpara metales blandos, empleando un único penetrador de 10 mm de diámetro

- De todos modos, las necesidades comparativas hicieron necesario ampliar lasposibilidades del método a partir de experiencias de Meyer

- De allí surgió el estudio de semejanzas de ensayos para emplear diámetros depenetrador menores para materiales más duros o espesores débiles

- La condición de semejanza, establece que P/D2 = C

- La carga se elige para que el diámetro de la impresión esté entre 0,2 y 0,5 D


10.3. Dureza Brinell → Constantes de ensayo

1631941872,5631253757505

2505001500300010Cargas (kgf)

Plomo, Estañoy sus aleaciones

Cobre y Aluminio

Aleacionesde Cu y Al

Aceros yfundiciones

Materiales y Constantes de EnsayoDiámetro dela bolilla DPenetrador

(mm)


10.3. Dureza Brinell → Condiciones de ensayo- El tiempo de aplicación de la carga es de 10 a 15 segundos para aceros y hasta

30 segundos para metales blandos; fijando 15 segundos como tiempo inicial

- Las caras de la probeta ensayada estarán perfectamente planas y paralelas;debiendo estar pulidas para apreciar el contorno de la impresión

- La probeta no debe moverse durante todo el ensayo

- El centro de una impresión y el borde de la probeta deben distar por menos de2d y del centro de otra impresión 3d

- Para ensayar probetas de menos de 2,5 mm, se colocarán varias superpuestas

- La cara opuesta a la impresión no debe presentar la más mínima marca

- Se realiza en piezas con curvatura menor a 50 mm

- Para valores de 450 a 600 HB debe emplearse un penetradorde Carburo de Wolframio, debidoal aplastamiento que sufriría la bolilla de acero en el ensayo > 3d

> 8hDd

h


UNIDAD 5 49


10.3. Dureza Brinell → Condiciones de ensayo

55 HBLatón

120 HBAcero 1020

550 HBVidrio1 a 7 HBMadera35 HBCobre15 HBAluminio

250 HBAcero inoxidable650 HBAcero templado

100 HBAcero 1010

Durezas de algunos materialesImpronta del penetrador esférico y efectode la deformación plástica en profundidad

- No puede realizarse sobre elementos muy delgados como chapas, ya que la deformación plástica inducida por la medición de la dureza, es del orden del diámetro D del penetrador

- Aunque no fue desarrollado el método para maderas, en algunos casos se aplicaeste ensayo


10.3. Dureza Brinell → Expresión de los resultados y relaciones útiles185 HB 10/3000/30

Dureza Brinell en kg/mm2

HB (Hardness Brinell)

D (diámetro del penetrador en mm)

P (carga aplicada en daN o kgf)

t (tiempo de aplicación en segundos)

Relación entre dureza Brinell y resistencia a la tracción y

con el % de Carbono del acero

σ T ≅ 3,4 HB 10/3000/30 [MPa]

σ T ≅ 500 HB 10/3000/30 [psi]

%C = (HB – 80)/141

Ecuaciones válidas para HB entre 100 y 450

Expresión de resultados

- Son ecuaciones empíricas y no reem-plazan el ensayo de tracción estática


UNIDAD 5 50


10.3. Dureza Brinell → Medición de la impronta- Los diámetros deben medirse con una resolución de 0,01 mm

- Para ello se emplean lupas especiales, microscopios o foto-grafías digitalesde precisión paraser procesadaspor una PC

Impronta Brinell

Foto

graf

ía d

igita

ly

proc

esam

ient

o de

dat

os


10.3. Dureza Brinell → Ventajas e inconvenientes del método- Las principales ventajas del método son:

Ensayo no destructivoSe puede realizar en diversos puntos dela pieza y determinar su homogeneidadFácil de calcularPuede inferirse la resistencia aproximadadel metal (ecuación empírica)

- Como desventajas pueden mencionarse:Con durezas superiores a 450 – 500 no brinda buenos resultadosPara metales muy duros o con tratamientos de templado, debe emplearse otrométodo con un penetrador de diamanteLos ensayos son lentos, comparados con otros métodosInconveniente en metales muyblandos, por la dificultad en la medición de los diámetros

Patrón de calibraciónde dureza

Brinell


UNIDAD 5 51

PenetradorBrinell

Bolillaesférica

Marcas enprobeta

Cambio dedispositivos


10.3. Dureza Brinell → PenetradorAccesorio

para lamáquinauniversal

DurómetroBrinell

de banco


10.4. Dureza Rockwell → Generalidades- Se basa en la determinación de la profundidad de la

penetración de un cuerpo de dureza prefijada dentrodel material en estudio

- Generalmente se emplean 2 tipos de penetradores:Diamante, cono de 120° con punta redondeadaAcero de elevada dureza, bolilla esférica de 1/16”y 1/8” de diámetro

- Existen diferentes escalas, pero las más emplea-das son HRB y HRCHRB, cuando HRA < 60, penetrador esférico 1/16”HRC, cuando HRA > 60, penetrador cónico

- Para la dureza Rockwell, los durómetros brindan lalectura de la dureza en un dial o sistema digital, nodebiendo medir improntas; debiendo calibrarse pe-riódicamente con bloques de dureza patrón

- En Argentina, el método figura en Norma IRAM 105


UNIDAD 5 52


10.4. Dureza Rockwell → Escalas

Materiales blandos605010Esférico (1/8”)HMateriales duros con poca homogeneidad15014010Esférico (1/8”)K

Aceros de bajo carbono, bronces15014010Esférico (1/16”)GChapas de metales blandos605010Esférico (1/16”)FMetales blandos, metales antifricción1009010Esférico (1/8”)EAcero duro o templado, acero de aleación1009010Cónico DAcero duro o templado, acero de aleación15014010Cónico CAceros de bajo carbono y bronces1009010Esférico (1/16”)BAceros duros de poco espesor y muy duros605010CónicoA

GG1G0Materiales

Carga (daN)PenetradorTipo

- Las escalas más empleadas son la Rockwell B para metales blandos y la escalaRockwell C para metales duros

- Además, existen otras 6 escalas para la dureza Rockwell superficial


10.4. Dureza Rockwell → Método de ensayo- Para la realización del ensayo Rockwell deben seguirse los siguientes pasos:

Preparar adecuadamente la muestra metálica para su ensayo

Colocarla bajo el durómetro Rockwell sobre el portaprobetas

Se escoge el penetrador cónico o esférico y se coloca en el durómetro

Se aplica una precarga, denominada GO, accionando una de las palancas del durómetro, que sirve para fijar el material y para evitar la interferencia en losresultados de dureza de óxidos u otras capas superficiales

A continuación, se aplica la carga G1, completando la carga total G, durante unossegundos, según la tabla presentada con anterioridad

Las diferentes cargas G1, se intercambian mediante pesas adecuadas a uncostado del durómetro

Se retira la carga G1, dejando la carga GO por un sistema de palancas y se leeen el dial directamente la medida de la dureza Rockwell del metal ensayado

El dial, generalmente tiene dos escalas: se debe leer en la graduada de 0 a 100cuando se emplea el penetrador cónico y en la escala de 0 a 130 cuando se emplea el penetrador esférico


UNIDAD 5 53


10.4. Dureza Rockwell → Penetrador esférico de acero de elevada dureza

HRB = 130 - eHardness Rockwell B

Penetradoresférico

La esfera sólo penetra una pequeñaproporción, el dibujo es esquemático


10.4. Dureza Rockwell → Penetrador cónico de diamante

HRB = 100 - eHardness Rockwell C

Penetradorcónico

El cono sólo penetra una pequeñaproporción, el dibujo es esquemático


UNIDAD 5 54


10.4. Dureza Rockwell → Consideraciones varias- Algunas consideraciones del ensayo que pueden mencionarse son:1) El espesor de la muestra a ensayar debe ser al menos 10 veces más grande

que la profundidad de la penetración y no menor a 3 mm2) Se necesitan al menos tres determinaciones en la muestra para obtener un

resultado de ensayo3) La precarga se aplica menos de 3 segundos y la carga durante 1 a 8 segundos

- Las principales ventajas del método son:Rápido, preciso y muy aceptadoPoca influencia del operador, ya que el instrumento da la medida de la dureza yno deben medirse dimensiones de la impronta con microscopios o lupasExiste una amplia gama de escalas, desde polímeros a metales muy duros

- Como desventajas pueden mencionarse:No es transportable el equipo a la obraNecesita en ciertos casos preparación de la superficie de la muestraPara metales blandos, es más representativo el método Brinell

HV =Carga

Superficie base impresiónPS

=


10.5. Dureza Vickers → Generalidades- El método de Dureza Vickers es aplicable cuando se tienen metales duros y

chapas delgadas, ya que la profundidad de la impronta es muy inferior que parael caso de las durezas Brinell y Rockwell

- El ensayo se realiza se describe en la Norma IRAM 110 y se resumen a continuación:

Se mantiene la fuerza entre 10 a 15 segundos; con unaintensidad de 50 g a 10 kg

El penetrador es siempre piramidal y de diamante con unángulo en su punta de 136°

Se remueve el penetrador dejando en la probeta una impronta con forma cuadrada

Las dimensiones de la impronta se mide con la ayuda de una lupa o microscopio con precisión de 0,001 mm, midiendo las dos diagonales de la impronta

[kg/mm2]


UNIDAD 5 55


10.5. Dureza Vickers → Ensayo

HV =P

[(d1 + d2)/2]21,854 [kg/mm2](kgf)

(mm)


10.6. Microdureza Knoop → Generalidades

MHK =Carga

Superficie base impresiónPS

= [kg/mm2]

MHK =PL214229 [kg/mm2](grf)

(μm)

- Se denomina microdureza, debido a que puede determinarse la dureza de losdiferentes granos o fases en un metal

- La carga de ensayo es baja entre 5 g a 500 g, mientras que el lado mayor Lde la impresión varía entre 5 μm a 800 μm


UNIDAD 5 56


10.7. Visualización y medición de improntas → Durezas Vickers y Knoop


10.7. Visualización y medición de improntas → Durezas Vickers

Ferrita

Martensita

Acero inoxidable AISI 430Carga: 100 gramos

Ferrita

Berilio

Cobre

Cobre al berilioCarga: 50 gramos


UNIDAD 5 57


10.8. Relación entre las diferentes escalas de dureza


10.9. Cuadro resumen de durezas en metales


UNIDAD 5 58

11. ENSAYOS TECNOLÓGICOSUNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

11.1. Ensayo de Plegado → Generalidades- Consiste en someter a una barra o perfil de acero, una carga estática creciente

mediante un mandril de doblado que tiene un diámetro específico- Se finaliza cuando la barra

toca la base (forma “U”)- Luego se toma la barra y se

observa su cara inferior:Si existen fisuras: Negativo, no puede doblarse la barracon ese mandril (diámetro)No existen fisuras: Positivo,el diámetro del mandril dedoblado es adecuado

Esquema delensayo

Ensayo “Negativo”

Mandriles de doblado

Mandriles dediferentes diámetros

Barra de aceroensayada


11.1. Ensayo de Plegado → Mandriles de doblado

Ensayo “Positivo”


UNIDAD 5 59


11.1. Ensayo de Plegado → Requisitos

Disposiciones delCIRSOC 201-05 para

armaduras dehormigón armado

Ensayo sobreperfiles u otro tipode elementos de

sección no circular

Tabla 7.2.1.1 – Diámetros mínimos del mandril D, para ganchos normales

Tabla 7.2.3 – Diámetros mínimos del mandril D, para estribos


11.2. Ensayo de Embutido → Generalidades- El ensayo de embutido, es similar

al de plegado, pero es aplicablea chapas y elementos delgados atemperatura normal

- Consiste en someter a una chapaa un golpe con un martillo de for-ma determinada y apreciar la maleabilidad del metal

- De presentarse grietas en la su-perficie de la chapa luego delensayo, se considera el ensayocomo no satisfactorio

- El resultado es positivo, cuandono aparecen grietas ni fisuras en la chapa con la nueva formaconformada; considerando eneste caso el metal apto paraser embutido en frío

Ensayo Erichsen

Ensayo de embuticiónprofunda o de copa

UNIDAD Nº 5 – PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

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