MATERIALES PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS

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(1)PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES.

(2) PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO MECÁNICO • Composición • Microestructura. Propiedades mecánicas. • Naturaleza de los enlaces • Estructura cristalina. Otros factores: T’s. fragilidad. Esfuerzos. • Defectos (dislocaciones) • Tamaño de grano. • TÉRMINOS BÁSICOS (dureza, esfuerzo, deformación, deformación elástica y plástica, viscoelasticidad, rapidez de deformación, tenacidad a la fractura, fatiga, fluencia……) • ENSAYOS (tensión, flexión, dureza, impacto, fatiga).

(3) IMPORTANCIA TECNOLÓGICA • Fabricación de aviones (aleaciones Al, compósitos de C) • Edificaciones (aceros) Tecnologías actuales. • Plásticos (tubos, válvulas, pisos) • Prótesis de válvulas cardiacas (grafito pirolítico, aleaciones de Co, Cr y W.. • Equipo deportivo. • Ópticas Influencia sobre otras propiedades. Lentes (recubrimiento) Resistente a la abrasión Resistencia a esfuerzos Fibras. • Biocompatibilidad (aleación Ti). Resistencia, tenacidad. • Eléctricas, disco duro (aleación Al/sustrato vc) • etc. Propiedades mecánicas de componentes y materiales son CRÍTICAS. Resist. mecánica.

(4) Comparar:. Aplicaciones en cargas dinámicas. Selección de materiales. • Sus propiedades mecánicas • Especificaciones de diseño • Condiciones de servicio.

(5) ESFUERZO.- Fuerza que actúa sobre el área unitaria en la que se aplica. Se expresa en Pascales (Pa) ó psi.. DEFORMACIÓN UNITARIA.- Cambio de dimensión por unidad de longitud. Se expresa en pulg/pulg ó cm/cm..

(6) Causa:. Efecto:. Esfuerzo. Deformación. Tensión. Corte. Tensión. s. t. e. Corte g. Extrusión de polímeros DEFORMACIÓN UNITARIA ELÁSTICA.- Deformación restaurable debido a un esfuerzo aplicado. Es instantánea, si se presenta en cuanto se aplica la fuerza, permanece durante el esfuerzo, desaparece cuando se retira.. Un material regresa a su forma original al desaparecer el esfuerzo. MÓDULO DE YOUNG O DE ELASTICIDAD (E).- Pendiente en la porción lineal de la curva esfuerzo vs. deformación unitaria a tensión. Unidades: Pa ó psi..

(7) Elastómeros. Relación no lineal esfuerzo-deformación. (hule natural, siliconas). FLEXIBILIDAD (CAPACIDAD ELÁSTICA DE DEFORMACIÓN).- Es el inverso del módulo de Young. MÓDULO DE ELASTICIDAD CORTANTE (G).- Pendiente de la parte lineal de la curva de esfuerzo cortante contra deformación cortante.. DEFORMACIÓN PLÁSTICA.- Deformación permanente en un material. Al retirar el esfuerzo, NO se regresa a la forma original. VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN.- Rapidez con la que se desarrolla la deformación en un material. (s-1). Grandes velocidades. Carga de Impacto ó Dinámica. . e (tensión) .. g (cortante).

(8) EL ENSAYO DE TENSIÓN: USO DEL DIAGRAMA ESFUERZODEFORMACIÓN UNITARIA • Mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente.. .. • Las velocidades de deformación suelen ser muy pequeñas (e = 10-4 a 10-2 s-1). • Se utilizan extensómetros o galgas extensiométricas.. • Se mide el cambio de longitud del especimen, Dl, en una longitud determinada, lo. • Se obtienen datos de resistencia, módulo de Young y ductilidad. • Se realiza en metales, aleaciones y plásticos..

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(10) Curvas cualitativas esfuerzo-deformación a la tensión, para distintos materiales. • El metal y el termoplástico, región inicial elástica, después región plástica no lineal. • El elastómero, gran parte de la deformación, elástica y no lineal. • Cerámicos, vidrios y concreto, región elástica lineal, deformación plástica mínima..

(11) Ensayo de tensión. • Carga o fuerza. Esfuerzo. • Y cambio de longitud Dl. Deformación. Esfuerzo ingenieril = s = F / Ao Deformación ingenieril = e = Dl / lo. donde: Ao, área de sección transversal original lo, distancia original entre marcas de calibración Dl, cambio de longitud o elongación después de aplicar F..

(12) » Ensayo de tensión en una aleación de aluminio Convierta los datos de carga contra elongación de la tabla 6-1 a esfuerzo y deformación unitaria y trace una curva de esfuerzo-deformación ingenieril. SOLUCIÓN Para la carga de 1000 lb: 𝐹 1000 𝑙𝑏 𝜎= = 𝜋 = 5000 𝑝𝑠𝑖 𝐴0 2 (0.505 𝑖𝑛) 4 ∆𝑙 0.001 𝑖𝑛 𝜀= = = 0.0005 𝑙0 2 𝑖𝑛 En la tabla 6-5 se proporcionan los resultados de cálculos similares para cada una de las demás cargas y se grafican en la figura 6-10..

(13) Se usa para registrar los resultados de un ensayo de tensión. Se obtienen propiedades como el módulo de Young, resistencia a la cedencia, etc.. Curva esfuerzo-deformación ingenieril para una aleación de Al.

(14) Diseño de una varilla de suspensión Una varilla de aluminio debe resistir una fuerza aplicada de 45000 libras. Para asegurar que haya la seguridad suficiente, el esfuerzo máximo en la barra se limita a 25000 psi. La varilla debe tener cuando menos 150 in de longitud, pero se debe deformar elásticamente cuando mucho 0.25 in al aplicarle la fuerza. Diseñe la varilla SOLUCIÓN Del esfuerzo ingenieril 𝐹 45000 𝐴0 = = = 1.8 𝑖𝑛2 𝜎 25000 Si la sección transversal es redonda, el diámetro mínimo para asegurar que el esfuerzo no sea demasiado grande es d=1.51 in. La deformación elástica máxima admisible es 0.25 in. Según la definición de deformación ingenieril: ∆𝑙 0.25 𝑖𝑛 𝜀= = 𝑙0 𝑙0 En la figura 6-10 se observa que la deformación unitaria e para 25000 psi es 0.0025. Si se usa el área transversal determinada anteriormente, la longitud máxima de la varilla es l0 = 100 in..

(15) Sin embargo, la longitud mínima de la varilla debe ser 150 in. Para producir una varilla más larga, se debe hacer que el área transversal de la misma sea mayor. La deformación unitaria mínima admisible en la varilla de 150 in es: ∆𝑙 0.25 𝑖𝑛 𝜀= = = 0.001667 𝑙0 150 𝑖𝑛 Según la figura 6-10, el esfuerzo aproximado es de 16670 psi, menor que el máximo de 25000 psi. Entonces el área transversal mínima es 𝐹 45000 𝑝𝑠𝑖 𝐴0 = = = 2.70 𝑖𝑛2 𝜎 16670 𝑙𝑏 Para satisfacer los requisitos de esfuerzo máximo y de alargamiento mínimo al mismo tiempo, el área transversal de la varilla debe ser 2.7 in2 como mínimo, o se que debe tener un diámetro mínimo de 1.85 in..

(16) PROPIEDADES OBTENIDAS EN EL ENSAYO DE TENSIÓN LÍMITE ELÁSTICO.- Valor crítico del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica de un material.. • Metales.- Corresponde a esfuerzo necesario para iniciar movimiento de dislocaciones. • Polímeros.- Relativo a esfuerzo necesario para desenredar o deslizar cadenas.. LÍMITE DE PROPORCIONALIDAD.- Valor del esfuerzo arriba del cual la relación esfuerzo y deformación ingenieriles NO es lineal.. Valor convencional de deformación plástica: 0.002 ó 0.2%. Resistencia de cedencia con 0.2% de deformación convencional en el hierro colado gris. Recta trazada paralela a parte lineal de curva esfuerzo-deformación ingenieril. Criterio “offset” ó deformación plástica convencional. RESISTENCIA A LA CEDENCIA.- Valor de esfuerzo correspondiente al cruce de la recta y curva esfuerzo-deformación ingenieril.. Puntos de cedencia superior e inferior de un acero al bajo carbono..

(17) FENÓMENO DE PUNTO DE FLUENCIA.- Transición abrupta de deformación elástica a flujo plástico. Al comenzar la deformación plástica, el esfuerzo baja primero desde el punto de fluencia superior (s2), sigue decreciendo y oscila alrededor de un valor promedio llamado punto de fluencia inferior (s1). Diseño de partes bajo cargas dinámicas (poca o nada deformación plástica). Seleccionar material con esfuerzo de diseño <<< resistencia de cedencia a T uso.. Ej. Lámina de acero para formar un chasis de automóvil Aplicar esfuerzos >> resistencia de cedencia.. Hacer > sección transversal del material. Fuerza aplicada produzca esfuerzo << menor que resistencia de cedencia..

(18) RESISTENCIA A LA TENSIÓN Ó RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (sTS).Es el esfuerzo máximo en la curva esfuerzo-deformación ingenieril, esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada. ESTRICCIÓN Ó FORMACIÓN DE CUELLO.- Deformación local causada por una reducción en el área transversal de un espécimen a tensión.. • Metales • Polímeros. Área transversal < se necesita fuerza < para continuar la deformación y el esfuerzo ingenieril, calculado con el área original Ao, decrece..

(19) Valores característicos de resistencia para diversos materiales..

(20) MÓDULO DE ELASTICIDAD Ó MÓDULO DE YOUNG (E).- Pendiente de curva esfuerzo-deformación unitaria en la región elástica. E = s/e Material. Tm (ºC). E (psi) x10-6. Módulo de Poisson (m). Pb. 327. 2. 0.45. Mg. 650. 6.5. 0.29. Al. 660. 10.0. 0.33. Cu. 1085. 18.1. 0.36. Fe. 1538. 30. 0.27. W. 3410. 59.2. 0.28. Al2O3. 2020. 55.0. 0.26. 44.0. 0.24. Si3N4. E. Ley de Hooke. Metales fuerza de los enlaces Cerámicos porosidad Compósitos rigidez de componentes. E. rigidez de un componente. Comportamiento elástico del acero vs. Al.

(21) Intervalos de E’s para diversos materiales.

(22) MÓDULO DE POISSON (m).- Cociente de la deformación elástica longitudinal producida por un esfuerzo de tensión o compresión simple, entre la deformación lateral simultánea.. m = - elateral / elongitudinal MÓDULO DE RESILIENCIA (Er).- Área contenida bajo la parte elástica de una curva de esfuerzo-deformación ingenieril. Energía elástica que absorbe un material durante la carga, y que se desprende al quitar la carga. Comportamiento elástico lineal: Er = ½(resistencia de cedencia)(deformación de cedencia).

(23) Módulo de Young en una aleación de aluminio Con los datos del ejemplo anterior, calcule el módulo de elasticidad de la aleación de aluminio. Use el módulo para determinar la longitud de la barra después de deformarse y que inicialmente medía 50 in. Suponga que la magnitud del esfuerzo aplicado es 30 000 psi. SOLUCIÓN Cuando se aplica un esfuerzo de 35000 psi, se produce una deformación unitaria de 0.0035. Entonces 𝜎 35000 𝑝𝑠𝑖 Módulo de elasticidad = 𝐸 = 𝜀 = 0.0035 = 10 × 106 𝑝𝑠𝑖 Según la ley de Hooke 𝜎 30000 𝑝𝑠𝑖 𝑙 − 𝑙0 𝜀= = = 0.003 = 𝐸 10 × 106 𝑙0 𝑙 = 𝑙0 + 𝜀𝑙0 = 50 + 0.003 50 = 50.15 𝑖𝑛.

(24) TENACIDAD A LA TENSIÓN ó TRABAJO DE FRACTURA.- Energía absorbida por un material antes de fracturarse. Se determina como el área bajo la curva de esfuerzo-deformación ingenieril. DUCTILIDAD.- Mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin romperse. ELONGACIÓN PORCENTUAL.- Describe la deformación plástica permanente antes de la falla, sin incluir la deformación elástica que desaparece después de la fractura. % 𝑎𝑙𝑎𝑟𝑔𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =. 𝑙𝑓 − 𝑙0 × 100 𝑙0. lf distancia entre marcas de calibración después de romperse el espécimen. REDUCCIÓN PORCENTUAL DE ÁREA.- Porcentaje total de disminución del área transversal de un espécimen durante el ensayo de tensión.. 𝐴0 − 𝐴𝑓 % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎 = × 100 𝐴0. Af área transversal final en la superficie de fractura.

(25) 6-4 Ductilidad de una aleación de aluminio La aleación de aluminio de los ejemplos anteriores tiene una longitud final, después de fallar, de 2.195 in y en la superficie fracturada el diámetro es de 0.398 in. Calcule la ductilidad de esta aleación SOLUCIÓN 𝑙𝑓 − 𝑙0 2.195 − 2.0 × 100 = × 100 = 9.75% 𝑙0 2.0 𝜋 2 − 𝜋 0.3982 0.505 𝐴0 − 𝐴𝑓 4 % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 á𝑟𝑒𝑎 = × 100 = 4 × 100 𝜋 𝐴0 2 4 0.505 = 37.9% La longitud final es menor que 2.205 pulgadas, porque después de la fractura se recupera la deformación elástica. % 𝑒𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =. Ductilidad. T. Velocidad de deformación.

(26) A T. • Resistencia de cedencia • Resistencia a la tensión • Módulo de elasticidad. • Ductilidad. Efecto de T sobre a) curva esfuerzo-deformación y b) propiedades a tensión de una aleación de Al.. Se aprovecha la > ductilidad y < esfuerzo necesario @ en metales T’s cerca Tm Deformación de un material a T (trabajo en caliente). Polímeros @ T’s > Tg porque por debajo son frágiles, arriba son dúctiles. Cerámicos y vidrios, frágiles @Tamb..

(27) 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝜎𝑡 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 =. 𝐹 𝐴. 𝑑𝑙 𝑙 𝐴0 = ln = ln 𝑙 𝑙0 𝐴. donde A es el área real a la que se aplica la fuerza F ln (Ao/A) sólo se puede usar antes de iniciar la formación de cuello, cuando Vcte. y Ao/lo = A/l. Relación entre diagrama de esfuerzo real-deformación unitaria real y esfuerzo ingenieril-deformación ingenieril. Las curvas son idénticas hasta el punto de cedencia.. Después de la formación de cuello, esfuerzo real sigue disminuyendo porque aunque la carga disminuye, el área disminuye más. En procesamiento de materiales se requieren el esfuerzo y la deformación reales..

(28) 6-5 Cálculo de esfuerzo real y deformación real Compare el esfuerzo y la deformación ingenieriles con el esfuerzo y la deformación reales para la aleación de aluminio de los ejemplos vistos (a) a la carga máxima y (b) a la fractura. El diámetro con la carga máxima es de 0.497 in y en la fractura es de 0.398 in.. SOLUCIÓN a) A la carga máxima se tiene. 𝐹 8000 𝑙𝑏 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛𝑖𝑒𝑟𝑖𝑙 = = 𝜋 = 40000 𝑝𝑠𝑖 𝐴0 2 4 (0.505 𝑖𝑛) 𝐹 8000 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 = = 𝜋 = 41237 𝑝𝑠𝑖 𝐴 2 4 (0.497 𝑖𝑛) 𝑙 − 𝑙0 2.12 − 2 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛𝑖𝑒𝑟𝑖𝑙 = = = 0.060 𝑙0 2 𝑙 2.12 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙 = ln = ln = 0.058 𝑙0 2.

(29) b) En la fractura. 𝐹 7600 𝑙𝑏 = 𝜋 = 38000 𝑝𝑠𝑖 𝐴0 2 4 (0.505 𝑖𝑛) 𝐹 7600 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 = = 𝜋 = 61090 𝑝𝑠𝑖 𝐴 2 4 (0.398 𝑖𝑛) 𝑙 − 𝑙0 0.205 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛𝑖𝑒𝑟𝑖𝑙 = = = 0.1025 𝑙0 2 𝐴0 𝜋/4 0.5052 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙 = ln = ln = 0.476 𝐴𝑓 𝜋/4 0.3982 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛𝑖𝑒𝑟𝑖𝑙 =. El esfuerzo real es mucho mayor que el ingenieril sólo después de que comienza la formación del cuello..

(30) Materiales dúctiles. Materiales frágiles. • Curva esfuerzo-deformación ingenieril pasa por un máximo Resistencia a la tensión. • Falla se presenta a un esfuerzo menor, después de que la formación de cuello ha reducido el área transversal que sostiene la carga. • Falla se presenta @ carga máxima (resistencia a la tensión= resistencia a la ruptura). • Resistencia a la cedencia = resistencia a la tensión = resistencia a la ruptura Dificultad: Imperfecciones superficiales.. Comportamiento esfuerzo-deformación de materiales frágiles vs. materiales dúctiles.

(31) ENSAYO DE FLEXIÓN.- Aplicación de un esfuerzo al centro de una barra soportada en cada extremo, para determinar la resistencia del material hacia una carga estática o aplicada lentamente. (Resistencia a la flexión o módulo de ruptura).. a) b). Ensayo de flexión Deflexión d obtenida por flexión. • Describe la resistencia del material. •Ser aplica la carga en 3 puntos y se provoca la flexión, se produce un esfuerzo de tensión en el material en el punto opuesto al punto de aplicación de la fuerza central. • La fractura comienza en ese punto.. 3𝐹𝐿 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 𝑒𝑛 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 𝑐𝑜𝑛 3 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜𝑠 = = 𝜎𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 2𝑤ℎ2 F es la carga de fractura o de ruptura, L distancia entre los dos puntos de apoyo, w es el ancho del espécimen y h es la altura del espécimen. Unidades = las de esfuerzo.>.

(32) Curva esfuerzo-deformación para MgO, obtenida por ensayo de flexión.. 𝐿3 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 = = 𝐸𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛 4𝑤ℎ3 𝛿 donde d es la deflexión o flecha de la viga cuando se aplica la fuerza F.. Esfuerzo máximo o esfuerzo de flexión para ensayo de flexión con 4 puntos: 𝜎𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛. Útil en materiales con imperfecciones. 3𝐹𝐿1 = 4𝑤ℎ2. Momento de flexión constante. Probetas se rompen en un lugar al azar, a menos que tengan grietas que causen concentración de esfuerzos..

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(34) 6-6 Resistencia de materiales compuestos a la flexión La resistencia a la tensión de un material compuesto reforzado con fibras de vidrio es 45000 psi y el módulo de flexión es 18x106 psi. Una muestra tiene 0.5 pulgadas de ancho, 0.375 pulg de alto, 8 pulg de longitud y se sostiene entre 2 varillas a 5 pulg de distancia. Calcule la fuerza necesaria para romper el material y la deflexión de la muestra en la fractura, suponiendo que no se produce deformación plástica. SOLUCIÓN Con base en la descripción de la muestra, w=0.5 in, h=0.375 in y L=5 in. 3𝐹𝐿 (3)(𝐹)(5 𝑖𝑛) 45000 𝑝𝑠𝑖 = = 2𝑤ℎ2 (2)(0.5 𝑖𝑛) 0.375 𝑖𝑛 2 F = 422 lb En consecuencia, la deflexión, de acuerdo a la ecuación, es: 𝐿3 𝐹 5 𝑖𝑛 3 (422 𝑙𝑏) 6 18 × 10 𝑝𝑠𝑖 = = 4𝑤ℎ3 𝛿 (4)(0.5 𝑖𝑛)(0.375 𝑖𝑛)3 𝛿 𝛿=0.0278 in Se ha supuesto que no hay comportamiento viscoelástico y que el comportamiento del esfuerzo en función de la deformación es lineal..

(35) ENSAYO DE DUREZA.- Mide la resistencia de la superficie de un material a la penetración de un objeto duro. • Rockwell • Brinell. Carga aplicada (macrodureza):  2N. Penetradores para ensayos de dureza Rockwell y Brinell. DUREZA BRINELL (HB ó BHN) • Se comprime una esfera de acero duro (f =10 mm) contra la superficie del material. • Se mide f de impresión (2-6 mm) y se calcula HB ó BHN.. 𝐻𝐵 =. 2𝐹 𝜋𝐷 𝐷 − 𝐷2 − 𝐷𝑖2. donde: F = carga aplicada (Kg) D = f del penetrador (mm) Di = f de impresión (mm) HB [=] Kg/mm2.

(36) DUREZA ROCKWELL (HR) • Bola de acero f pequeño, materiales blandos; indentador de diamante, materiales más duros. • Se mide la profundidad de penetración del indentador, que se convierte en un número de dureza. Es adimensional. • Base cualitativa de comparación entre materiales, especificaciones para manufactura o control de calidad y correlación entre otras propiedades. Ej. resistencia a la tensión en aceros. Resistencia a la tensión (psi) = 500 HB,. HB [=] kg/mm2. • Rápido, fácil, no destructivo, uso industrial frecuente..

(37) Prueba. Penetrador. Carga. Aplicación. Brinell. Esfera con 10 mm. 3000 kg. Hierro colado y acero. Brinell. Esfera con 10 mm. 500 kg. Aleaciones ferrosas. Rockwell A. Cono. 60 kg. Materiales muy duros. Rockwell B. Esfera de 1/16 in. 100 kg. Latón, acero de baja resistencia. Rockwell C. Cono. 150 kg. Acero de alta resistencia. Rockwell D. Cono. 100 kg. Acero de alta resistencia. Rockwell E. Esfera de 1/8 in. 100 kg. Materiales muy blandos. Rockwell F. Esfera de 1/16 in. 60 kg. Aluminio, materiales suaves. Vickers. Pirámide de diamante. 10 kg. Todos los materiales. Knoop. Pirámide de diamante. 500 g. Todos los materiales.

(38) Dureza • Polímeros • Metales y aleaciones • Cerámicos. Buena correlación al desgaste Muy Blandos Intermedios Muy duros. Herramientas de corte: WC-Co, diamante microcristalino, DLC. ENSAYO KNOOP (HK).- Ensayo de microdureza con indentaciones muy pequeñas. • Carga < 2 N ENSAYO VICKERS (HV).- Macro o microdureza. • Se usa indentador de diamante en forma de pirámide. Ensayos de Macrodureza Útiles en: materiales con durezas superficiales mayores que en el núcleo, que en ≠ áreas tengan ≠ valores de dureza o macroscópicamente no-planares. NANODUREZA.- Dureza en los materiales medida a una escala de longitud de 1-100 nm, con fuerzas extremadamente pequeñas (100 mN). Ej. Recubrimientos de C semejante al diamante (DLC) depositados sobre discos duros magnéticos..

(39) Nanopenetrador Hysitron TriboIndenter. Nanopenetración de película de carbono tipo diamante, DLC, a nanoescala..

(40) ENSAYO DE IMPACTO.- Mide la capacidad de un material para absorber, sin romperse, la aplicación repentina de una carga. Forma rápida, cómoda y barata de comparar diversos materiales. IZOD (materiales plásticos) [=] J/m ó lb.pie/pulg • Espécimen, con o sin muesca. Forma V, mejor para medir resistencia a propagación de grietas. • Se mide diferencia de altura ho y hf = diferencia de energía potencial = energía de impacto absorbida al fallar el material. CHARPY [=] J ó lb.pie (1 lb.pie= 1.356 J) TENACIDAD AL IMPACTO.Capacidad de un material para resistir al impacto de un golpe.. TENACIDAD A LA FRACTURA.Capacidad de un material para resistir una carga aplicada, cuando posee imperfecciones..

(41) PROPIEDADES QUE SE OBTIENEN EN EL ENSAYO DE IMPACTO TEMPERATURA DE TRANSICIÓN DE DÚCTIL A FRÁGIL (DBTT).- Aquélla en que el modo de fractura en un material cambia de dúctil a frágil.. Definición. • Energía promedio entre regiones dúctil y frágil • Cierta energía específica absorbida • Aparición de fractura característica Ensayos de impacto para polímero termoplástico de nylon supertenaz. Un material debe tener una temperatura de transición menor que la del entorno.. En polímeros se tratan igual la Tg y DBTT..

(42) RELACIÓN CON EL DIAGRAMA ESFUERZO-DEFORMACIÓN La energía para romper un material en un ensayo de impacto (tenacidad al impacto) no siempre se relaciona con la tenacidad a la tensión.. En general: metales con resistencia alta y gran ductilidad B < A resistencia de cedencia, pero absorbe más energía.  Cerámicos y muchos compósitos. Buena tenacidad a la tensión Bajo altas velocidades de deformación ????? POBRE TENACIDAD AL IMPACTO. La velocidad de deformación desplaza DBTT. • Mala tenacidad • Alta resistencia Porque NO son dúctiles. Tenacidad a la tensión, Tenacidad al impacto DEFICIENTES.

(43) 6-7 Diseño de un marro Diseñe un marro de 8 libras para clavar postes de cerca en el suelo. SOLUCIÓN Primero se deben tener en cuenta los requisitos de diseño que debe cumplir el marro. Una lista parcial sería: 1. EL mango debe ser ligero, pero suficientemente tenaz para que no se rompa en forma catastrófica 2. La cabeza no se debe romper y despostillar durante su uso, aún a temperaturas inferiores a cero. 3. La cabeza no debe deformarse durante el uso continuo. 4. La boxa debe ser suficientemente grande para asegurar que no falle la puntería al poste y no debe tener muescas agudas que pudieran causar despostillamiento. 5. El marro no debe ser costoso..

(44) Mango: madera  30 pulg. longitud con buena tenacidad.. Cabeza: material con baja DBTT, que absorba E grande durante el impacto y con suficiente dureza para que no se deforme Acero inoxidable FCC ó Cu. Acero BCC normal. buena tenacidad, pero son blandos y $$$.. Buena dureza y resistencia, suficiente tenacidad a T’s bajas. dhierro= 7.87 g/cm3 (0.28 lb/pulg3)  dacero Forma cilíndrica, f = 2.5 pulg. V = 28.6 pulg3. longitud de la cabeza = 5.8 pulg.

(45) MECÁNICA DE LA FRACTURA Disciplina que estudia el comportamiento de los materiales que contienen grietas o imperfecciones.. Imperfección: poros (agujeros), inclusiones o microgrietas, NO vacancias o dislocaciones. Objetivo.- Conocer esfuerzo máximo que resiste un material o si tiene imperfecciones de cierto tamaño y geometría. Tenacidad a la fractura.- Mide la capacidad de un material, con alguna imperfección, para resistir una carga aplicada. NO se requiere una alta velocidad de deformación (impacto). Aplicar un esfuerzo de tensión a una muestra preparada con una imperfección de tamaño y geometría conocidos.. Esfuerzo aplicado se intensifica en la imperfección Especímenes de tenacidad a la fractura con grietas laterales e internas. Concentrador de esfuerzo.

(46) Factor de intensidad de esfuerzo, K K = fs(pa)1/2. donde: f = factor geométrico para la muestra y la imperfección s= esfuerzo aplicado a = tamaño de imperfección. Kc, tenacidad a la fractura, factor crítico de intensidad de esfuerzo. Kc y espesor del espécimen. A > espesor < Kc hasta valor constante. Tenacidad a la fractura en deformación plana, KIC KIC [=] ksi(pulg)1/2 = 1.0989 MPa(m)1/2 (ksi = miles de lb/pulg2). Kc de acero con resistencia de 30,000 psi a la cedencia disminuye al aumentar el espesor y nivelarse en KIC..

(47) El valor de KIC se relaciona con la dureza H, el módulo de Young E y las dimensiones de la grieta, así. donde: P = carga de deformación , en N 2d = longitud de grieta secundaria, m ao = 0.016, parámetro geométrico H y E [=] N/m2 KIC [=] N/m3/2 ó Pa.m1/2. Grietas secundarias formadas en ensayos de dureza, se pueden utilizar para medir la tenacidad a la fractura en materiales frágiles..

(48) Tenacidad a la fractura y resistencia de diversos materiales..

(49) IMPORTANCIA DE LA MECÁNICA DE FRACTURA Diseñar y seleccionar materiales considerando la presencia inevitable de imperfecciones.. • Propiedad del material, Kc ó Kic • Esfuerzo s que debe resistir • Tamaño de la imperfección, a. SELECCIÓN DE UN MATERIAL.- Conociendo tamaño máximo de las imperfecciones, a, y s, se selecciona un material con Kc ó KIc suficientemente grande para evitar crecimiento de imperfecciones. DISEÑO DE UN COMPONENTE.- Conociendo tamaño máximo de cualquier imperfección y el Kc ó KIc , calcular el smax que puede resistir el componente. Diseñar el tamaño adecuado que asegure no exceder smax. DISEÑO DE UN MÉTODO DE FABRICACIÓN O DE ENSAYO.- Seleccionado el material, conocido s aplicado y tamaño del componente, calcular tamaño máximo tolerable de imperfección. Asegurar funcionamiento seguro de la parte. • Ensayo no destructivo que detecte imperfecciones mayores que su tamaño crítico. • Seleccionar proceso de manufactura correcto, que produzca imperfecciones menores a ese tamaño..

(50) 6-8 Diseño de un ensayo no destructivo Una placa de acero que se usa en un reactor nuclear tiene una tenacidad a la fractura por deformación plana de 80000 psi √pulg y se expone a un esfuerzo de 45000 psi durante el servicio. Diseñe un procedimiento de inspección de prueba capaz de deerminar una grieta en la orilla de la placa, antes de que esa grieta pueda crecer con una rapidez catastrófica. SOLUCIÓN Se debe determinar el tamaño mínimo de una grieta que se vaya a propagar en el acero bajo estas condiciones. Suponiendo que f=1.12 𝐾𝑙𝑐 = 𝑓𝜎 𝑎𝜋 80000 = 1.12 45000 𝑎𝜋 𝑎 = 0.8 𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎𝑠 Una grieta de 0.8 pulgadas de profundidad en la orilla debe ser relativamente fácil de detectar. Con frecuencia se pueden observar visualmente grietas de este tamaño. Hay una diversidad de otros ensayos, como, por ejemplo, la inspección con líquidos penetrantes, la inspección con partículas magnéticas y con corrientes parásitas, también detectan grietas mucho menores que ésta. Si la rapidez de crecimiento de una grieta es lenta y la inspección se hace con regularidad, una grieta debe ser descubierta mucho antes de llegar a este tamaño crítico..

(51) FRACTURA FRÁGIL.- Toda imperfección o grieta (Griffith) limita la capacidad de un cerámico para resistir esfuerzos a tensión, porque concentran y amplifican s aplicado. Esfuerzo real en la punta de la grieta es En grietas muy delgadas (r) o largas (a). Si sreal > resistencia a cedencia. Grieta Griffith en un cerámico. 𝜎𝑟𝑒𝑎𝑙 ≅ 2𝜎 𝑎/𝑟. sreal/s es grande  se intensifica s. grieta crece y causa falla. Otro método: s aplicado, causa deformación elástica (E). Al propagarse una grieta, se libera energía de deformación y se reduce la energía total, creándose dos nuevas superficies. Aumenta energía superficial. Al balancear energías de deformación y superficial, el s crítico necesario para que la grieta se propague, es determinado por: 𝜎𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑎. 𝐸𝛾 ≅ 2𝜎 𝜋𝑎. Ecuación de Griffith. donde: a longitud de una grieta superficial (ó ½ longitud de grieta interna) g energía superficial por unidad de área.

(52) Reordenando ecn’n. del factor de intensidad de esfuerzo, K,. 𝐾 𝜎= 𝑓 𝜋𝑎. Se observa, como en la ec’n. de Griffith, una fuerte dependencia de las propiedades mecánicas respecto al tamaño de las grietas. 6-9 Propiedades de la cerámica SiAlON Suponga que el sialón (acrónimo de SiAlON, oxinitruro de silicio y aluminio), una cerámica avanzada, tiene una resistencia a la tensión de 60000 psi. Suponga que este valor es para una cerámica sin imperfecciones. (En la práctica, es casi imposible producir cerámicas sin imperfecciones). Antes de probar un componente de sialón, se observa una grieta delgada de 0.01 pulg de profundidad. Dicha parte falla en forma inesperada a un esfuerzo de 500 psi por propagación de la grieta. Estime el radio de la punta de la grieta. SOLUCIÓN La falla fue debido al esfuerzo aplicado de 500 psi, aumentado por concentración de esfuerzo en la punta de la grieta; produjo un esfuerzo real igual a la resistencia a la tensión. Se tiene 𝜎𝑟𝑒𝑎𝑙 = 2𝜎 𝑎/𝑟 60000 𝑝𝑠𝑖 = (2)(500 𝑝𝑠𝑖) 0.01 𝑝𝑢𝑙𝑔/𝑟 0.01 𝑟= = 2.8 × 10−6 𝑝𝑢𝑙𝑔 = 710 Å 3600.

(53) 6-10 Diseño de un soporte de cerámica Diseñe una placa de soporte de 3 pulgadas de ancho de sialón, la cual tiene una tenacidad a la fractura de 9000 psi in1/2, que resista una carga a la tensión de 40000 lb. La parte será probada en forma no destructiva para asegurar que no hayan imperfecciones que puedan causar su falla. SOLUCIÓN Suponga que se tienen 3 métodos de prueba no destructiva a disposición: radiografía con rayos X que puede detectar imperfecciones mayores a 0.02 in; radiografía con rayos gamma que detecta imperfecciones mayores a 0.008 in y ultrasonido con detección de imperfecciones mayores a 0.005 in. Para esos tamaños de imperfección, se debe calcular el espesor mínimo de la placa que asegure que no se propaguen las imperfecciones. Suponiendo f=1 𝐾𝑙𝑐 𝐹 𝜎𝑚𝑎𝑥 = = 𝜋𝑎 𝐴 𝐹 𝜋𝑎 40000 𝜋𝑎 𝐴= = = 7.88 𝑎 𝑖𝑛2 𝐾𝑙𝑐 9000 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 = 7.88 𝑖𝑛2 ÷ 3 𝑖𝑛.

(54) Método. Grieta mínima detectable. Área mínima. Espesor mínimo. Esfuerzo máximo. Radiografía rayos X. 0.02. 1.11. 0.37. 36000. Radiografía rayos gamma. 0.008. 0.70. 0.23. 57000. Ultrasonido. 0.005. 0.56. 0.19. 71000. La capacidad de detectar las imperfecciones, acopladas a la capacidad de producir una cerámica con imperfecciones menores que el límite de detección, afecta mucho el esfuerzo máximo que se puede tolerar y, en consecuencia, el tamaño de la parte. En este ejemplo, la parte puede ser menor si se dispone de inspección ultrasónica. También es importante la tenacidad a la fractura. Si hubiera usado Si3N4 con una tenacidad a la fractura de 3000 psi in1/2 en lugar del sialón, podríamos repetir los cálculos para demostrar que, para el ensayo ultrasónico, el espesor mínimo es 0.56 in y el esfuerzo máximo es sólo de 24000 psi..

(55) PROPIEDADES MICROESTRUCTURALES DE LA FRACTURA EN MATERIALES METÁLICOS. FRACTURA DÚCTIL. • Es transgranular (a través de los granos) en los metales con buena tenacidad y ductilidad. • Hay deformación apreciable, formación de cuello, entallamiento o estricción localizado, en el componente que falló. • Sucede antes de fractura final. • Causadas por sobrecargas simples ó aplicando esfuerzo muy grande.. En ensayos de tensión, comienza con la nucleación, el crecimiento y la coalescencia de microhuecos en el centro del espécimen. • Microhuecos se forman cuando un gran esfuerzo causa la MATERIAL DÚCTIL EN separación del metal en los límites ENSAYO DE TENSIÓN de grano o interfases entre el metal Cerca del centro de la e inclusiones. barra, comienzan a • Aumentando esfuerzo local, los formarse un cuello y huecos, por nucleación microhuecos crecen y coalescen en límites de grano o formando grandes cavidades. inclusiones. Conforme • Finalmente, el área de contacto continúa la deformación, se forma un labio de metal-metal es demasiado corte y fractura tipo pequeña para soportar la carga y copa y cono. se produce la fractura..

(56) Deformación por deslizamiento. • Contribuye a fractura dúctil en metales • Esfuerzo cortante resultante es crítico. HOYUELOS EN FRACTURA DÚCTIL. En el centro son equiaxiales, donde crecen los microhuecos. En el labio de corte son alargados y apuntan hacia el origen de falla.. MEB de acero1018 recocido, con fractura dúctil en ensayo de tensión..

(57) 6-11 Análisis de la falla de una cadena de grúa Falló una cadena que se usaba para levantar cargas pesadas. El examen del eslabón roto indica que hay bastante deformación y que se formó un cuello antes de la fractura. Haga una lista de las posibles razones de la falla. SOLUCIÓN Esta descripción sugiere que la cadena fallón en forma dúctil por una sobrecarga simple de tensión. Dos factores podrían ser responsables por la falla: 1. La carga rebasó la capacidad de levantamiento de la cadena. El esfuerzo debido a la carga rebasó el punto de cedencia de la cadena y se dio la falla. La comparación de la carga con las especificaciones de la cadena mostrará que la cadena no estaba planeada para esa carga tan pesada. Falla del usuario. 2. La cadena tenía la composición incorrecta o su tratamiento térmico fue incorrecto. En consecuencia, la resistencia de cedencia fue menor que la que especificaba el fabricante y no pudo soportar la carga. Falla del fabricante..

(58) FRACTURA FRÁGIL. • En metales y aleaciones de alta resistencia ó con mala ductilidad y tenacidad. • A T bajas en metales que son dúctiles a Tamb. • En secciones gruesas, a grandes velocidades de deformación (impacto). • Efecto importante de imperfecciones. • Impacto y NO la sobrecarga, el causante de falla. • Inicio de grieta en imperfecciones pequeñas (concentración de esfuerzo).. Propagación A lo largo de planos cristalográficos {100} (clivaje). Trayectoria intergranular (a lo largo de límites de grano).

(59) IDENTIFICACIÓN: Observar características de la superficie que falló.. • Superficie de fractura lisa y ┴ a s aplicado en ensayo de tensión. • Si falló por clivaje, c/grano fracturado es liso y con orientación diferente. • Aspecto de “caramelo macizo” roto.. Patrón de Chevrón.- Producido por frentes separados de grieta, que se propagan a distintos niveles. • Patrón de marcas o lomos superficiales que irradian alejándose de origen de la grieta. Acero 4340 templado, f=0.5 pulg, que falló por impacto.. MEB de fractura frágil en acero 1010 templado (5,000X). El patrón de Chevrón se forma a medida que la grieta se propaga a diversos niveles desde el origen..

(60) 6-12 Análisis de falla de un eje automotriz Un ingeniero investiga la causa de un accidente automotriz y encuentra que la rueda trasera derecha se rompió en el eje. El eje está doblado. La superficie de fractura muestra un patrón de Chevrón que apunta hacia la superficie del eje. Proponga una posible causa de fractura. SOLUCIÓN Las pruebas parecen indicar que el eje no se había roto antes del accidente. El eje deformado indica que la rueda fue sometida a un golpe intenso de impacto, que se transmitió al eje y causó su falla. Las pruebas preliminares parecen indicar que el conductor perdió el control y chocó y que la fuerza de choque causó la ruptura del eje. Un examen posterior de la superficie de la fractura, la microestructura, la composición y las propiedades podría comprobar que el eje se fabricó en forma correcta..

(61) PROPIEDADES MICROESTRUCTURALES DE LA FRACTURA EN CERÁMICOS, VIDRIOS Y MATERIALES COMPUESTOS CERÁMICOS • Enlaces iónicos o covalentes casi no permiten deslizamiento. . falla por fractura frágil. • Clivaje a lo largo de planos de empaquetamiento compactos a distancias grandes entre sí. • Superficie de fractura lisa y sin indicativos sobre su origen.. MEB de superficie de fractura de Al2O3 con planos de clivaje (1250X).. VIDRIOS • Falla por fractura frágil. • Superficie concoidal (concha) de fractura, que contiene una zona especular (espejo) muy lisa cerca del origen y líneas de rasgado en el resto de la superficie. • Las líneas de rasgado apuntan a la zona especular y al origen de la fractura, parecida al patrón de Chevrón.. MEB de superficie de fractura del vidrio, con zona especular (arriba) y líneas de rasgado típicas de fractura concoidal (300X)..

(62) MATERIALES COMPUESTOS. POLÍMEROS • Fractura dúctil o frágil. • Termoplásticos fallan por fractura frágil, debajo de Tg, como el vidrio. • Termofijos, que son duros, fallan por fractura frágil, debido a su estructura rígida, tridimensional y enlaces cruzados. • Algunos plásticos con estructura de cadenas enredadas pero sin enlaces químicos cruzados, fallan de forma dúctil arriba de Tg, con extensas deformaciones y formación de cuello antes de la falla (deslizamiento de cadenas).. Materiales compuestos reforzados con fibras, pueden fallar por diversos mecanismos: a) por adhesión débil entre matriz y fibras. Las fibras se pueden salir de la matriz y formar huecos, b) si las capas individuales de la matriz están mal pegadas, la matriz se puede deslaminar, formando huecos..

(63) 6-13 Fractura en materiales compuestos Describa la diferencia de los mecanismos de fractura en un material compuesto de aluminio reforzado con boro y un material compuesto de resina epóxica reforzada con fibra de vidrio SOLUCIÓN En el material compuesto de boro y aluminio, la matriz de aluminio es suave y dúctil, por lo que cabe esperar que falle en forma dúctil. En contraste, las fibras de boro fallan en forma frágil. Las fibras de vidrio y la resina epóxica son ambas frágiles; por consiguiente, el material compuesto en su conjunto debe mostrar evidencia de fractura dúctil..

(64) FATIGA Disminución de la resistencia de un material debida a esfuerzos repetitivos, que pueden ser mayores o menores que la resistencia de cedencia.. Fallas por fatiga. • Inicia o nuclea una grieta diminuta, superficial, con frecuencia mucho después de que inicia la carga. • Propagación gradual de grieta, a medida que continúa carga cíclica. • Fractura repentina del material, cuando su sección transversal restante es muy pequeña para sostener la carga. Se suele determinar para metales y polímeros. Polímeros. Puede haber mucho calentamiento cerca de las puntas de las grietas (termofluencia).. Compósitos. Las fibras u otras fases de refuerzo comienzan a degradarse, el módulo de elasticidad general disminuye y este debilitamiento se aprecia antes de que haya fractura..

(65) Identificación: Superficie de fractura (cerca del origen), lisa, que se hace más áspera conforme crece la grieta original y puede ser fibrosa durante propagación final. Superficie de fractura por fatiga. a) a pocos aumentos el patrón de marcas de playa indica mecanismo de fractura por fatiga, b) a grandes aumentos, se observan estriaciones.. Marcas de playa.- Suelen formarse al cambiar la carga durante el servicio o con cargas intermitentes. Superficie de fractura por fatiga en una flecha de acero.. Estriaciones.- Muestran la posición de la punta de la grieta después de cada ciclo..

(66) 6-17 Análisis de falla de un cigüeñal por fatiga Un cigüeñal de un motor diesel falló. Al examinarlo, no se encuentra deformación plástica. La superficie de fractura es lisa. Además, hay otras grietas en otros lugares del cigüeñal. ¿Qué clase de mecanismo de falla cabe esperar? SOLUCIÓN Como el cigüeñal es una parte giratoria, la superficie está sometida a carga cíclica. De inmediato se debe sospechar que hay fatiga. La ausencia de deformación plástica avala la sospecha. Además, la presencia de otras grietas es consistente con la fatiga; las demás grietas no tuvieron tiempo de crecer hasta un tamaño que produjera la falla catastrófica. Es posible que el examen de la superficie de fractura revele marcas de playa o estriaciones por fatiga..

(67) ENSAYO DE VIGA ROTATORIA EN VOLADIZO. • Un extremo de un espécimen cilíndrico, maquinado, se monta en unas mordazas accionadas por un motor. • Se cuelga una masa del extremo opuesto. • Al inicio el espécimen manifiesta una fuerza de tensión que actúa en la superficie superior, y la superficie inferior está a compresión. • Después de girar 90°, los lugares originalmente en tensión y compresión, no están sometidos a ningún esfuerzo. • Después de media vuelta (180°), el material originalmente en tensión, ahora está en compresión, y viceversa. • El esfuerzo en cualquier punto pasa por un ciclo senoidal completo, desde el esfuerzo máximo de tensión hasta el esfuerzo máximo de compresión..

(68) El esfuerzo máximo que actúa sobre los especímenes es: donde: M = momento de flexión en sección transversal d = diámetro del espécimen El momento flexionante es M = F.(L/2) y, donde: L = distancia entre el punto de la fuerza de flexión y el soporte F = carga. Curva S-N o de Wöhler. Curva S-N, o de esfuerzo-cantidad de ciclos a la falla para una aleación de Al y un acero para herramientas..

(69) RESULTADOS DEL ENSAYO DE FATIGA El ensayo de fatiga puede indicar cuánto puede durar una parte o las cargas máximas que se pueden aplicar para evitar la falla. LÍMITE DE RESISTENCIA A LA FATIGA (LÍMITE DE FATIGA).- Esfuerzo por debajo del cual hay una probabilidad de 50% de que nunca haya una falla por fatiga Criterio de diseño preferido. VIDA DE FATIGA.- Indica cuánto t sobrevive un componente con determinado esfuerzo. Conociendo t de cada ciclo, se puede calcular en años la vida de fatiga. RESISTENCIA A LA FATIGA.- Esfuerzo máximo para el cual no habrá falla por fatiga dentro de determinada cantidad de ciclos, ej., 500 000 000 de ciclos. En algunos materiales (aceros), el límite de fatiga es aprox. la mitad de la resistencia a la tensión. La proporción entre ambos es la relación de fatiga: Para metales es aprox. 0.3 y 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 0.4, que no sean aceros de 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎 = ≈ 0.5 baja y mediana resistencia. 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛.

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(71) APLICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE FATIGA Frecuentemente los materiales de los componentes se someten a condiciones que no producen esfuerzos iguales en tensión y compresión. Amplitud del esfuerzo (sa).- Mitad de la diferencia entre esfuerzo máximo y mínimo.. Esfuerzo promedio (sm).- Promedio de los esfuerzos máximo y mínimo. |. Esfuerzo de compresión “(-)” Ciclos de esfuerzo a) Igual en tensión y compresión. b) Mayor esfuerzo de tensión que de compresión. c) Sólo tensión.. Para que el material resista esfuerzos aplicados, a > sm debe < sa Ec’n. de Goodman. sfs = resist. deseada a la fatiga para sm cero sTS = resist. a la tensión del material.

(72) VELOCIDAD DE CRECIMIENTO DE UNA GRIETA Velocidad de crecimiento de grieta en función del intervalo de factor de intensidad de esfuerzo para un acero de alta resistencia. C=1.62X10-12 y n=3.2. La velocidad de crecimiento de grieta aumenta a medida que aumenta su tamaño. Si no cambia esfuerzo cíclico Ds(smáx – smín). Al aumentar longitud , a, de la grieta. Aumentan DK y da/dN. Una grieta no se propaga durante la compresión  si smín es de compresión, ó <0, se debe igualar a cero..

(73) El conocimiento de la velocidad de crecimiento de grieta ayuda a diseñar componentes y en evaluaciones no destructivas, para determinar si una grieta significa peligro inmediato. Un método es estimar la cantidad de ciclos necesarios para que suceda la falla. 1 𝑑𝑎 𝑑𝑁 = 𝐶𝑓 𝑛 ∆𝜎 𝑛 𝜋 𝑛/2 𝑎 𝑛/2 Integrando esta ecuación entre el tamaño inicial de la grieta y el tamaño necesario para que haya fractura, 2 𝑎𝑐 (2−𝑛) 2 − 𝑎𝑖 (2−𝑛) 𝑁= 2 − 𝑛 𝐶𝑓 𝑛 ∆𝜎 𝑛 𝜋 𝑛 2. 2. Donde ai es el tamaño inicial de la imperfección y ac es el tamaño necesario para que haya fractura. Conociendo n y C del material, se puede estimar la cantidad de ciclos necesarios para la falla para un esfuerzo cíclico dado..

(74) 2 𝑎𝑐 (2−𝑛) 2 − 𝑎𝑖 (2−𝑛) 𝑁= 2 − 𝑛 𝐶𝑓 𝑛 ∆𝜎 𝑛 𝜋 𝑛 2. 2.

(75) TERMOFLUENCIA , RUPTURA POR ESFUERZO Y CORROSIÓN POR ESFUERZO TERMOFLUENCIA.- Deformación permanente dependiente del tiempo bajo una carga o esfuerzo constantes y a temperaturas altas.. Deslizamiento de límites de grano bajo termofluencia; causa a) formación de huecos en inclusión atrapada en límite de grano, b) creación de hueco en punto triple.. Cavidades de termofluencia formados en los límites de grano de un acero inoxidable austenítico (500X)..

(76) CORROSIÓN BAJO ESFUERZO Fenómeno en el que los materiales reaccionan con sustancias químicas corrosivas del ambiente. • Se forman grietas y disminuye la resistencia. • Puede ocurrir a esfuerzos muy por debajo de la resistencia a la fluencia del metal, cerámico o vítreo. grietas profundas y finas. • Esfuerzos aplicados externamente o por esfuerzos residuales almacenados.. Micrografía de un metal cerca de una fractura por corrosión bajo esfuerzo, mostrando muchas grietas intergranulares formadas por corrosión (200X)..

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(78) EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LA TERMOFLUENCIA PRUEBA DE TERMOFLUENCIA.- Se aplica un esfuerzo constante a un espécimen calentando. Tan pronto como se aplica el esfuerzo, el espécimen se estira elásticamente una pequeña cantidad e0, que depende del esfuerzo aplicado y del E del material a la temperatura alta.. Curva de termofluencia común que muestra la deformación producida como una función del tiempo para un esfuerzo y T constantes.. Las T’s altas permiten que las dislocaciones de un material metálico asciendan. Las dislocaciones pueden ascender a) cuando los átomos dejan la línea de dislocaciones creando intersticios o para llenar vacancias o b) cuando los átomos se unen a la línea de dislocaciones creando vacancias o eliminando intersticios..

(79) TIEMPOS DE RAPIDEZ DE TERMOFLUENCIA LENTA Y DE RUPTURA Durante la prueba de termofluencia, la deformación o elongación se mide en función del tiempo y se grafica para obtener la curva de termofluencia. Etapas (metales) 1.- Muchas dislocaciones ascienden alejándose de los obstáculos, se deslizan y contribuyen a la deformación. 2.- Estado estacionario – Rapidez a la que ascienden las dislocaciones alejándose de los obstáculos es igual a la rapidez a las que las dislocaciones son bloqueadas por otras imperfecciones. 3.- Comienza el rebajo, aumenta el esfuerzo y es espécimen se deforma a una rapidez acelerada hasta que ocurre la falla..

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