EL ENSAYO DE TRACCIN. Introduccin. Justificacin.En la mayora de las ocasiones, los materiales metlicos se emplean con fines estructurales. Es decir, los componentes fabricados con metales deben responder de forma adecuada a determinadas situaciones mecnicas. La expresin de responder de forma adecuada puede entenderse en muy diferentes sentidos. As, en muchos casos, significa no fallar en servicio, pero en otros como, por ejemplo, un fusible mecnico, puede significar lo contrario.En mltiples aplicaciones el factor que limita la vida til de un componente no es su fractura, si no que puede ser cierto grado de desgaste o el desarrollo de una grieta de cierto tamao. El abanico de posibilidades se abre aun mas cuando se considera la naturaleza de las solicitaciones mecnicas que deben de ser soportadas. stas pueden ser constantes en el tiempo o variables, en este ltimo caso, la velocidad de variacin puede ser reducida o elevada, pueden actuar de forma localizada o distribuida en el material. Y, en este ltimo caso, la distribucin de esfuerzos puede ser uniforme o no.Todo lo expuesto anteriormente, hay que aadir la que surge de la consideracin de otras etapas de la vida de una pieza como, por ejemplo, su conformacin. En ciertos procesos de fabricacin, se confiere su forma a los productos metlicos por deformacin plstica. Para determinar cules son las condiciones ptimas de trabajo en estos casos, es necesario conocer cul es la relacin entre los esfuerzos que se aplican y las deformaciones que se producen y cual es la mxima deformacin que admite el material sin llegar a romper. El ensayo de traccin.Este ensayo permite obtener informacin sobre la capacidad de un material para soportar la accin de cargas estticas o de cargas que varan lentamente a temperaturas homologas inferiores a 0,5(parmetro adimensional que se define como el cociente entre las temperaturas de ensayo y de fusin). Como los componentes metlicos se proyectan en la mayora de las ocasiones para trabajar en estas condiciones, probablemente este es el ms popular entre los ensayos que permiten caracterizar el comportamiento mecnico de un material metlico.El ensayo se realiza alargando una probeta de geometra normalizada, con una longitud inicial Lo, que se ha amarrado entre las mordazas de una mquina, segn el esquema que se muestra a continuacin. Una de las mordazas de la mquina esta unida al cabezal mvil y se desplaza respecto a la otra con velocidad constante durante la realizacin del ensayo. Las mquinas de ensayo disponen de sistemas de medida, clulas de carga y extensmetros, que permiten registrar la fuerza aplicada y la deformacin producida mientras las mordazas se estn separando.

2.1 Procedimiento.Si han de tomarse mediciones de alargamiento, lo primero es marcar el tramo de calibracin. Si las marcas se hacen rayando el material, estas marcas han de ser ligeras para no daarlo.Antes de usar la mquina por primera vez, el operador debe familiarizarse con ella. Se debe comprobar el estado inicial de la mquina y hacer los ajustes necesarios.Se colocan la probeta en los dispositivos de sujecin (mordazas), y se ha de comprobar la correcta sujecin y posicionamiento. La velocidad del ensayo no debe ser superior que aquella de la cual las lecturas de carga y otras que puedan tomarse, permitan una medicin un grado de exactitud adecuado.Despus que la probeta ha fallado, se retira esta de la mquina de ensayo. Se toman las mediciones de los valores de alargamiento. Los extremos rotos de la probeta se juntan, y se mide la distancia entre los puntos de referencia. Tambin se mide el dimetro de la seccin ms pequea.* La curva tensin-deformacinresultante del ensayo se construye representando la tensin, , que es la razn de la fuerza aplicada a la seccin recta inicial de la probeta, So, frente al alargamiento, , que se define como la extensin porcentual referida a la longitud inicial (L-Lo)/Lo x 100.2.2 Requerimientos para probetas de ensayo.Ciertos requerimientos fundamentales pueden establecerse y ciertas formas de probeta se acostumbran a usar para tipos particulares de ensayos. La seccin transversal de la probeta es redonda, cuadrada o rectangular. Para los metales, si una pieza de suficiente grueso puede obtenerse de manera sencilla, se usa habitualmente una probeta redonda; para lminas y placas se emplea una probeta plana.La porcin central del tramo es usualmente, pero no siempre, de seccin menor que los extremos para provocar que el fallo ocurra en una seccin donde los esfuerzos no resulten afectados por los dispositivos de sujecin. Se define como tramo de calibracin aquel sobre el cual se toman las mediciones de alargamiento o extensmetro.La forma de los extremos debe de ser adecuada al material, y se ha de ajustar al dispositivo de sujecin a emplear. Los extremos de las probetas redondas pueden ser simples, cabeceados o roscados. La relacin entre el dimetro o ancho del extremo, y, el dimetro de la seccin reducida ha de valorarse en materiales quebradizos para evitar la rotura debida al esfuerzo axial y los esfuerzos debidos a la accin de las mordazas.Una probeta debe de ser simtrica con respecto a un eje longitudinal durante toda su longitud para evitar la flexin durante la aplicacin de carga.2.3 Propiedades ms importantes que se pueden medir en la curva tensin deformacin: Modulo elstico o modulo de Young, E.El tramo inicial de la curva, que generalmente es recto, da informacin del comportamiento elstico del material, es decir sobre la relacin entre esfuerzos y deformaciones cuando estas son recuperables. La pendiente del tramo inicial de la curva es una medida de rigidez del material. De dos piezas con la misma geometra, sometidas a la misma solicitacin mecnica y fabricadas con diferentes materiales que trabajen dentro del campo elstico, aquella con mayor modulo ser la que presente menores deformaciones.1. El lmite elstico.Es la tensin mnima que hay que aplicar para que aparezcan deformaciones permanentes en el material. Se define el limite elstico convencional, Rp, como el esfuerzo necesario para provocar una deformacin plstica predefinida. Esta propiedad juega un papel de gran importancia en el proyecto mecnico, porque en la gran mayora de las ocasiones, las piezas se calculan para que no sufran deformaciones permanentes en servicio y, en consecuencia, se debe garantizar que las tensiones que actan cuando la pieza trabaja no superan el lmite elstico.1. La resistencia a la traccin, Rm.Coincide con el valor mximo del esfuerzo y es la tensin que hay que aplicar para que se produzca la rotura de la probeta en las condiciones del ensayo. Mientras la tensin aplicada es menor a RM, la deformacin es uniforme, pero al alcanzar esta tensin comienza a desarrollarse un cuello en la probeta. La reduccin localizada de seccin hace que la tensin que acta en esa seccin crezca localmente lo que provoca un nuevo aumento del alargamiento en la zona del cuello con la consiguiente cada de la tensin nominal. Este proceso continua hasta que la seccin no es capaz de seguir deformndose y se produce la fractura. La carga de rotura es una propiedad que tambin se puede utilizar para el calculo de piezas que trabajan sometidas a esfuerzos aunque, en la actualidad, se tiende a emplear preferentemente el lmite elstico.1. El alargamiento a la rotura, At.Es la extensin que presenta la probeta tras el fallo. Esta propiedad es una medida indirecta de la ductilidad del material. Un alargamiento a la rotura elevado es una propiedad deseable porque los materiales con esta propiedad admiten deformaciones plsticas importantes, cuya observacin, en muchas ocasiones, permite adoptar medidas correctoras con anterioridad a la fractura. Adems, el alargamiento a la rotura es tambin un indicador de la capacidad del material para ser conformado por deformacin a la temperatura de ensayo.1. La estriccin, Z.Es la relacin entre las reas de las secciones rectas de rotura e inicial. La estriccin esta relacionada con el alargamiento a la rotura de modo que cuando este crece, aquella aumenta.* Las mquinasque se utilizan para llevar a cabo los ensayos de traccin disponen de un conjunto muy amplio de accesorios que permiten la aplicacin de solicitaciones de diferente naturaleza y la realizacin de ensayos de muchos otros tipos como, por ejemplo, compresin, flexin, plegado, cortadura, etc. Por esta razn estos equipos se conocen con el nombre de mquinas universales de ensayo o dinammetros universales. Si bien estas pruebas son fundamentales en ocasiones para seleccionar el material adecuado a cierta aplicacin o como mtodo de control de calidad, su empleo es mucho menos frecuente que el del ensayo de traccin.

INGENIERA DE MATERIALES(APUNTES)1.- Clasificacin de los materiales:Existen muchas formas de clasificar los materiales. La ms comn los divide en metales, materiales cermicos, polmeros y materiales compuestos (o composites).Otra clasificacin los divide en materialesESTRUCTURALESy en materialesFUNCIONALES.Unmaterial estructuralse va a elegir por sus propiedades mecnicas masivas y por sus propiedades superficiales.Ejemplos: Hormign y Acero.Propiedades mecnicas masivas: Rigidez; Elasticidad; Resistencia mecnica; Tenacidad.Propiedades superficiales: Comportamiento frente a la friccin, desgaste, oxidacin, corrosin.Losmateriales funcionalesson aquellos cuya produccin ponderal es menor que la de los estructurales y cuyo precio unitario acostumbra a ser elevado. Estos materiales se seleccionan por sus propiedades elctricas o electrnicas (Conductividad; Superconductividad; Semiconductividad); magnticas, termoinicas, radiactivas y biocompatibles.PROPIEDADES MECNICAS: Capacidad que tienen los materiales para resistir fuerzas o cargas. Se clasifican en dos grupos: Las que tienen que ver con la resistencia miden la aptitud de los materiales para resistir cargas estticas o cargas aplicadas a baja velocidad. Sondurezayresistencia. Las que tienen que ver con la deformabilidad del material miden la capacidad para resistir cargas dinmicas sin llegar a romperse ni a deformarse. Sontenacidadyductilidad.ENSAYOS DE DUREZALadureza, desde un punto de vista fsico, se puede definir como la resistencia que oponen los cuerpos a la deformacin. De esta definicin general se derivan tres tipos de medida de durezas: Resistencia al rayado (Mineraloga): Clasifica a los minerales por la resistencia a rayarse unos a otros (Escala de Mohs). Existe oto concepto de dureza y es el que se refiere a la capacidad de devolucin de energa elstica que tienen los cuerpos. Es conocido que de forma relativa para un determinado material, la capacidad de devolucin de energa elstica, dEe, est correlacionada directamente con el grado de endurecimiento, gH, es decir:DEe=f(gH)Existen ensayos de dureza basados en este principio (devolucin de energa), que recoge la informacin aportada por el ensayo de traccin, slo en su zona elstica (ENSAYO SHORE). LaCiencia de Materialesrestringe algo ms el concepto para definirlo como la resistencia, cuantificada, que opone un cuerpo a la deformacin permanente en su superficie. La dureza de un metal se mide por su resistencia a la penetracin superficial por otro cuerpo ms duro. Bajo esta definicin la cuantificacin de la dureza se realiza sobre la base de la medicin de los parmetros de una huella, de tal modo que dureza, H, y dimensin de huella, h, estarn correlacionadas inversamente; es decir:H=f(1/h)ENSAYO DE DUREZA BRINELL: En funcin de la norma, la forma de expresar la dureza va cambiando:X HBW d(mm)/P(kg)/t(s)X es el valor de la dureza del material (escala Brinell)HBW indica ensayo Brinell con identador de carburo de tungsteno.d es el dimetro de la esfera (identador) en mm.P es la carga aplicada en kg.t es el tiempo de aplicacin de la carga en segundos.Ejemplo: 70 HBW 10/3000/20Nota: Si realizamos el ensayo con la carga en Newtons, es necesario multiplicar por una constante de conversin para tener el valor en kg/(mm2). La constante vale 0,102 (=1/9,806 Inversa de la Aceleracin de la Gravedad).La durezanotiene dimensiones. Se utiliza como dato comparativo.El rea que genera la esfera no es un concepto que exprese perfectamente una presin media por unidad de superficie. MEYER demostr que para tener una presin media idntica en dos huellas hechas por esferas de diferente tamao debemos tener el mismo ngulo en las esferas (referencia en transparencias de clase). Buscamos huellas que sean geomtricamente semejantes.Tambin existen condiciones imponibles a las muestras, que deben estar limpias, libres de cualquier resto de grasa u xido. Estamos midiendo la diagonal (dimetro) del casquete esfrico (huella), y a partir de esto calculamos el valor de la dureza. Otra de las exigencias es el espesor mnimo de la muestra, que se debe consultar en una tabla normalizada, que relaciona la profundidad de la huella con el dimetro de la misma y con la carga aplicada.CARGA DE ENSAYO:Se ha comprobado que la mayor precisin de los resultados se obtiene cuando el ngulo de huella es aproximadamente igual a 136, que corresponde a una relacin d/D=0,375. Como esto no es posible de obtener con semejante exactitud por procedimientos convencionales, se ampli el intervalo de la relacin d/D a:0,6>d/D>0,24que corresponde a:0,6*D>d>0,24*DLa distancia entre centros de huellas debe ser alta debido a la acritud o aumento de dureza producido por la deformacin en fro del material al generar las huellas.Estos resultados de dureza son vlidos hasta un valor de 650 en la Escala de Brinell. A partir de ah no se puede dar validez a los resultados obtenidos. Se dice que NO SON REPRODUCIBLES.Para que exista semejanza geomtrica debe verificarse una relacin carga-dimetro, de la forma:P/D2=k con k=cte.ENSAYO DE DUREZA VICKERS: La huella que deja el identador en la muestra tiene forma de pirmide recta, y se eligi de esta forma debido a lo siguiente:1. Se deforma poco el material.1. Se simplifican los clculos del rea de la huella.1. Da una correlacin entre los valores de dureza Vickers y Brinell que son iguales hasta 250, y casi iguales hasta 300.El concepto de dureza en este ensayo es igual que en el ensayo Brinell (Relacin entre carga aplicada y rea de la huella). Slo necesitamos determinar la diagonal del cuadrado (que es la superficie de la huella) para calcular el rea de la huella. Para ello es necesario conocer adems que el ngulo entre caras opuestas es de 136.La dureza Vickers viene dada por la expresin:HV=P/ANORMATIVA: Expresin de la dureza Vickers.X HV P(kg)/t(s)X es el valor de la dureza en el ensayo Vickers.HV indica el tipo de ensayo (ensayo de dureza Vickers)P es la carga aplicada en kg.t es el tiempo de aplicacin de la carga en segundos.Ejemplo: 100 HV 50/25El factor de conversin para obtener las unidades deseadas si el ensayo se realiza en Newtons es C=0,1891.La superficie debe estar limpia (al igual que en el ensayo Brinell) y adems el acabado superficial debe ser mayor (PULIDO) debido a que la huella producida por el identador es muy pequea. Tambin es necesario un espesor mnimo de la muestra y una cierta distancia entre los centros de las huellas, que ser mayor cuanto ms blandos sean los materiales.Si aplicamos el mtodo a una superficie curva, para determinar el valor de la dureza hay que aplicar una serie de factores de correccin.Debido a la geometra del identador en el ensayo Vickers, las huellas son siempre geomtricamente semejantes, por lo que el valor de la dureza es independiente de la fuerza aplicada. Esto se verifica para valores altos de la carga (hasta 5kg). Por debajo de este valor las huellas yanoson geomtricamente semejantes.Entre 5kg y 200g.Entre 200g y 10g (Ensayos de Microdureza).NORMAS:UNE-> Unin de Normas Espaolas.EN-> Traduccin de la Norma Europea.ISO-> Norma Internacional.ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL: La dureza viene expresada en funcin de la profundidad remanente de la huella. El valor de la dureza est relacionado con este parmetro.La huella la vamos a generar aplicando dos cargas consecutivas. La profundidad remanente la vamos a medir en condiciones en las que la primera carga todava sigue actuando.Hay dos tipos de identador (cono de diamante y esfera de carburo de tungsteno), y tambin hay varios tipos de escala (vanse fotocopias de transparencias).Ensayos derivados: Existen dos tipos de ensayo (NORMALySUPERFICIAL).La razn de aplicar dos cargas es la siguiente:La primera carga es pequea y tiene carcter preliminar. Sirve para determinar el fondo o inicio de escala (carga F0), y genera una huella con una profundidad h0. Ahora aplicamos una nueva carga F1 de forma sucesiva, manteniendo siempre aplicada la carga F0. Despus se retira la carga F1 y se produce una cierta recuperacin elstica, quedando una profundidad de huella que llamamos h.Denominamos como valor de la dureza a la diferencia entre la profundidad total de la escala y el valor de la profundidad remanente h.Este ensayo nos proporciona una elevada precisin. Adems, no todas las escalas tienen la misma separacin.N-> Valor de toda la escala.Dureza Rockwell=N-h/SLa lectura que proporciona el durmetro nos da directamente el valor de la dureza. Dicho valor hay que leerlo a partir de la primera carga aplicada.S=0,002 a 0,001 dependiendo de la escala.Las escalas A, C y D tienen como identador el cono de diamante. Se elige la escala en funcin del material a analizar y de las cargas a aplicar. La primera carga preliminar es idntica para todas las escalas (fondo de escala igual para todas). Vara por tanto la carga F1, que es la segunda carga aplicada.Las escalas estn correlacionadas. Se han hecho varias escalas para poder barrer todo el espectro de materiales existentes, es decir, para poder estudiar la dureza de todos los tipos de material existentes.Para este mtodo la rugosidad superficial no tiene tanta importancia como para otros ensayos, debido a que la primera carga se aplica para evitar los problemas derivados de la rugosidad superficial. Por lo tanto slo afecta la suciedad o impurezas de la superficie.Ventajas: (Transparencia 7c)1. No-necesidad de medir dimetros.1. Mayor precisin en la medida que en el resto de ensayos.1. Etc.-MICRODUREZA-Este ensayo consiste en generar una huella muy pequea para medir la dureza de zonas de pequeo tamao. Esto se hace aplicando cargas muy pequeas. Sonensayos de precisin. Se utilizan por ejemplo en metalurgia para evaluar la dureza entre fases diferentes o para analizar la dureza de un recubrimiento (como son los galvanizados). Tambin se utiliza para testear materiales cermicos, que son muy frgiles.El principal inconveniente es que necesitan una gran preparacin superficial, llegando al PULIDO metalogrfico, tambin denominado acabado especular.Tenemos dos clases de ensayos de microdureza. El Vickers utiliza un identador piramidal de base cuadrada. Las ltimas normas limitan el campo de aplicacin a cargas de un valor situado entre 10 y 200 gramos.ASTM-> Norma americana (entre 1 y 1000 gramos)El otro ensayo es elensayo knoop. Utiliza como identador una pirmide de diamante con ngulos entre aristas de 17230' y 130 (vanse transparencias de clase). En este ensayo se calcula la superficie a partir de la diagonal principal.Nota: La dureza no tiene unidades, aunque el valor corresponde a dividir kg por mm2. [ver transparencia 13]En ninguno de estos ensayos son comparables los valores a no ser que se haya realizado con la misma carga, es decir; las huellasnoson geomtricamente semejantes.PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALESENSAYO DE TRACCINEl ensayo de traccin consiste en someter a una probeta metlica de geometra definida a un esfuerzo suficiente para llevar a la probeta a rotura. Dicho esfuerzo es un esfuerzo axial de traccin.Para ello necesitamos una mquina (prensa hidrulica) que pueda provocar la fractura en la probeta y permita controlar la velocidad de deformacin, y tambin registrar las fuerzas aplicadas (F) y los alargamientos (L) de la probeta. Las probetas estn normalizadas. Existe una relacin entre la seccin de la probeta y una serie de puntos que se van midiendo a lo largo del ensayo.(Vase la figura 1 en los anexos)El ngulo producido al estirarse la probeta debe ser suave y agudo para que no acte como concentrador de cargas.L0-> Distancia inicial entre los dos puntos de la probeta elegidos para medir.(Vase figura 1)La figura 1 es similar a la que aparece en la parte inferior de la pgina 115 del libro de Callister.Curvas: F(kN)-L(mm)(MPa)- [Tensin-Deformacin]A partir de la curva F-L se dibuja la otra curva (Tensin-Deformacin) que representa la carga instantnea dividida por la seccin inicial de la probeta, yla deformacines el alargamiento dividido entre la longitud inicial de la probeta (magnitud ADIMENSIONAL).Esta curva (-) se denomina curva convencional. En ella se aprecian dos zonas claramente diferenciadas:En el primer tramo existe una correlacin lineal o cuasi-lineal entre la tensin y la deformacin (zona elstica). La deformacin producida no es permanente, ya que una vez cesada la carga el material recupera la forma inicial.La constante que correlaciona estas dos variables (-) a lo largo de la zona elstica se denomina mdulo de Young () y es la tg ( es el ngulo entre la curva y el eje de abcisas). El mdulo de Young es un indicador de la rigidez del material (si aumentamos aumentaremos tambin la rigidez). Mide la resistencia de los enlaces interatmicos del material. se mantiene constante cuando el material se encuentra aleado, ya que el valor del mdulo de Young no depende de la fase, de si el material est aleado, recocido, etc. Lo que realmente afecta al mdulo de Young es la temperatura (Vanse fotocopias).El mdulo de Young vale igual para clculos de resistencia a compresin como a traccin. Por convenio, en el ensayo de compresin se tomarn como negativos los valores de las fuerzas y deformaciones.Hay materiales en los que la curva no es lineal en su zona elstica (hoja 6 fotocopias de clase).Ejemplo: Hormign.Hay que determinar elmdulo secantey elmdulo tangente.Mdulo secante:Pendiente de la recta secante entre dos puntos de la curva.Mdulo tangente:Pendiente de la recta tangente a la curva en un punto determinado.PROPIEDADES ELSTICAS:El coeficiente de Poisson relaciona la contraccin relativa de una seccin transversal y el alargamiento relativo de la seccin longitudinal.(Vase figura 2)Esta figura es la misma que aparece en la pgina 123 del libro de Callister en la parte inferior de la pgina 9 de los apuntes de esta asignatura que se encuentran en la direccin:http://pagina.de/minasvigoMaterial istropo: Es aqul en el cual las propiedades mecnicas son las mismas en todas las direcciones.Deformacin de cizalla: =a/h=tgTensin de cizalla: =G*(Vase la figura 3)Esta figura es un diagrama de cmo la deformacin producida por una tensin de cizalla afecta al material, desplazando una partcula situada a una altura h a una distancia a de su posicin inicial.Nota: En la mayora de los materiales G"0,4* (G es el mdulo de cizalla). Esto nos permite obtener una constante a partir de la otra.Anelasticidad: La deformacin elstica depende del tiempo. Aparece en determinados materiales (obsrvese el caso de los polmeros). Al dejar de aplicar una carga, el material sigue deformndose durante un periodo de tiempo. Lo mismo ocurre al eliminar la carga, ya que tarda un tiempo en recuperar su forma inicial.El ensayo de traccin fue diseado para conseguir que la velocidad de deformacin sea constante, ya que es este parmetro el que realmente controlamos en el ensayo.Superada la zona elstica se producen una serie de deformaciones que permanecen una vez retirada la carga (zona plstica). El lmite que separa estas zonas no est definido claramente. En la zona plstica hay rotura de enlaces y formacin de otros nuevos. Nos interesa que la mayor parte de las estructurasnopasen de la zona elstica, luego es muy importante definir los lmites entre zonas.Lmite elstico convencional: Es la carga unitaria definida para la cual se produce una deformacin plstica (expresada en %) prefijada. Es una medida de la resistencia a la deformacin plstica. Es comn el lmite del 0,2%.En algunos materiales la variacin de zonas es muy abrupta (zona de cedencia). Se definen dos lmites: el lmite superior de cedencia y el lmite inferior de cedencia.Norma aplicada: EN 10002-1 (1990)La zona de cedencia aparece en los aceros al carbn endurecidos por nitrgeno. Se producen unas rayas caractersticas en la probeta, con un ngulo de 45 con respecto al eje de traccin.1. El lmite elstico convencional se calcula trazando una lnea inclinada paralela a la zona elstica desde el alargamiento en % que queremos calcular.Resistencia a la traccin: Es la carga nominal o unitaria mxima que soporta la probeta. Es un parmetro de diseo. Estos valores varan mucho segn el tipo de material (ver tablas en fotocopias de clase), si estn aleados, si han sido tratados trmicamente, etc.DUCTILIDAD: Medida del grado en que un material es capaz de deformarse plsticamente. Esta propiedad se evala por medio del ensayo de traccin mediante dos parmetros, que son elalargamiento porcentual de rotura(A) y elcoeficiente de estriccin(z). [Ver las fotocopias]Nota: El alargamiento depende tanto de L0 como de S0.,-LEY DE BARBA-a,c:Parmetros que dependen del material (son constantes)S0,L0:Variables (Consultar anexo; ejercicios)Para que dos probetas de distintas dimensiones den lugar a un alargamiento semejante debe verificarse la ley de semejanza geomtrica, esto es:S0/( L0)2=S1/(L1)2=k en general k=5,65Entonces se podrn comparar los alargamientos.Estriccin: Variacin de la seccin de la probeta por unidades de seccin inicial (en %). No depende de S0 ni de L0.El opuesto a un material dctil es un material frgil. Su deformacin a la fractura es inferior a un 5%.EFECTO DE RESILIENCIA:Es la capacidad que tiene un material para absorber energa elstica cuando es deformado y de ceder esta energa cuando dejamos de aplicar la carga. La propiedad asociada a este efecto es elmdulo de resiliencia, que lo definimos como energa de deformacin por unidad de volumen que se requiere para deformar el material hasta su lmite elstico.Matemticamente este mdulo UR se expresa como la integral entre 0 y Y del producto *d y las unidades se expresan en Pascales.(Ver figura 4 y desarrollo de la expresin)Un material de alta resiliencia necesita un mdulo de Young bajo y un lmite elstico elevado.Tenacidad: Se puede definir como la resistencia del material a agrietarse rpidamente, o tambin como la capacidad de absorber energa plstica antes de fracturarse.En el ensayo de traccin (ensayo realizado a baja velocidad de deformacin) se puede evaluar la tenacidad como el rea que hay debajo de la curva -. Se trata de una energa por unidad de volumen.La tenacidad es mayor cuando se alcanza un compromiso entre una buena resistencia y una buena ductilidad. Un material puede ser dctil pero no tenaz, o puede ser resistente pero no ser tenaz.(Ver figura 5)Explicacin de esta figuraLa figura 5 muestra un diagrama - en el que aparecen tres tipos de materiales. El primero posee una elevada resistencia a la traccin (RT ordenada mxima) pero baja deformacin; es muy resistente pero poco tenaz. El segundo posee buenas cualidades de resistencia a la traccin y de deformabilidad, luego es muy tenaz. El tercero es altamente deformable pero posee muy poca resistencia; es por tanto muy dctil, pero poco tenaz.En condiciones de aplicacin de cargas a velocidades altas hay que recurrir a otros ensayos: Ensayos de flexin por choque con entalla.Existen estados ms complejos de tensiones.(Curva convencional y curva real en un material metlico. Vase la figura 6)La curva convencionalnonos proporciona informacin acerca de cmo son las tensiones y deformaciones reales (R=F/SI; R).Enmascaracin: El no utilizar una tensin real enmascara que el aumento de acritud es continuo en todo el ensayo, y nos oculta tambin que para seguir deformando el material es necesario aplicar una carga mayor.Deformacin plstica-> Deslizamiento de las dislocaciones. Las dislocaciones se deslizan por planos de deslizamiento. Los sistemas de deslizamiento vienen dados por un plano de deslizamiento (compacto) y por una direccin de deslizamiento (compacta).SISTEMAS DE DESLIZAMIENTOFCC-----12BCC-----12 24 segn el metalHC-----3 6 segn el metal(Fuente: Callister pgina 163)Acritud: Favorece la inmovilidad de las dislocaciones, lo que implica el impedimento de la deformacin plstica. El esfuerzo real es siempre creciente.A partir del punto de carga nominal mxima se produce la estriccin, que es un estrechamiento en la parte central de la probeta.(Ver la figura 7)En la curva Fuerza-Alargamiento, la fuerza disminuye despus de aplicar la carga mxima (a partir del punto de estriccin). Lo que ocurre es que el rea instantnea SI tambin disminuye, y en mayor medida; por eso:(F!/ SI!!)=R!Alargamiento remanente: Es hablar de la deformacin convencional multiplicada por cien (en porcentaje).A=[(LU-L0)/L0]*100Siendo:1. LU la longitud final entre marcas.1. L0 la longitud inicial entre marcas.1. (LU-L0)/L0=L/L0= (deformacin convencional)Adems, el alargamiento remanentenoes aditivo, esto es que si para un tiempo t1 el alargamiento es:A1=[(L1-L0)/L0]*100=20%Y para un tiempo t1 tenemos:A2=[(L2-L0)/L0]*100=30%Si realizamos la diferencia A2-A1=10%, que sin embargo no es el alargamiento remanente entre t1 y t2. Lo que tenemos es:A2-A1=[(L2-L1)/L0]*100Este resultado es un incremento porcentual de longitud referido a la longitud inicial, que nos proporciona una informacin errnea.Lo que haremos ser definir unalargamiento real, que nos permita conocer cual es el incremento de longitud proporcional a un incremento infinitesimal de la tensin para cada longitud instantnea LI.R=[(L1-L0)/L0]+[(L2-L1)/L1]+[(L3-L2)/L2]+...Este alargamiento R es igual a la integral definida entre L0 y L de dL/L, obteniendo que:R=Ln(L/L0)La ventaja es que si realizamos la deformacin a traccin y a compresin obtenemos valores idnticos, pero de distinto signo:Ejemplo: Para un material cualquiera obtenemos 0,69 a traccin y -0,69 a compresin; en caso de no utilizar deformacin real obtendramos 1 y -0,5 como resultados.Para deformaciones inferiores al 10%, los valores del alargamiento y deformacin real son muy parecidos.Desde el momento en que comienza la deformacin plstica hasta el inicio de la estriccin en la probeta, el alargamiento es homogneo, y el volumen de la zona que estamos ensayando se conserva.S1*L1=S0*L0A partir de la curva F-L se determina la curva convencional -. Veamos la relacin que tiene esta curva con los valores reales (R-R):R=F/SI=(F*LI)/(S0*L0)=(F/S0)*(L0/L0+L/L0)=*(1+)LI=L0+LR=Ln(L/L0)=Ln[(L0+L)/L0]=Ln(L0/L0+L/L0)=Ln(1+)Desde que comienza la estriccin hasta que se produce la rotura habr que medir la carga aplicada y la seccin y longitud instantneas.Esta correlacin anterior era teniendo en cuenta que el volumen era conservativo, lo que nos permite definir la siguiente correlacin que slo se cumple cuando el material es poco sensible a la velocidad de deformacin.Ecuacin de Ludwik(En la zona de alargamiento homogneo)R=K*(R)NK=Coeficiente de resistencia.n=ndice de endurecimiento por deformacin ndice de acritud.N y K son constantes caractersticas que dependen del material y de las condiciones del ensayo (T, tamao de grano del material, etc.).CORRECCIONES POR EL CUELLOEn la estriccin tenemos una distribucin triaxial (mayor grado de complejidad) de tensiones. La tensin axial en el cuello es ligeramente menor que la que estamos considerando, por lo que hay que hacer una correccin a la curva (Vase fotocopia 11b).Log(R)=Log(K)+n*Log(R)A mayor valor de n indica un mayor endurecimiento por deformacin (acritud) del material. Esto implica que la tensin necesaria para deformar el material aumenta tambin.(Vase figura 8)Aunque la acritud es siempre creciente con la deformacin, el ritmo de acritud no lo es, ya que inicialmente es ms rpido que al final.A efectos prcticos, para controlar el valor de n en el ensayo controlamos el tamao de grano, pero hay otros factores que influyen en n (material con fases dispersas, endurecimiento por precipitacin,...). N disminuye cuanto ms resistente sea el material al desplazamiento de las dislocaciones.FACTORESTipo de soluto sustitucional: En general los solutos sustitucionales disminuyen el valor de n (son aleaciones).Presencia de fases dispersas: Mayoritariamente es una estructura cristalina con micro nanoestructuras de otra fase. Disminuyen el valor de n.En general, cualquier elemento que aumente la resistencia del material, haciendo ms difcil el movimiento de las dislocaciones, hace que n disminuya.Materiales recocidos: n!!M. trabajados en fro: n!!Para conformar los materiales en fro es importante que n sea elevado.A partir de la curva real, n es igual al valor de la deformacin real en el punto de inicio de la estriccin. Es una buena aproximacin tomar el valor de n como el valor de la deformacin en el punto de inicio de la estriccin en la curva convencional.Una informacin similar a la que proporciona n se obtiene mediante la ecuacin:n"RC/RMSi este cociente es prximo a la unidad, esto quiere decir que el material adquiere muy poca acritud con la deformacin, que rompe al pasar de la zona elstica.Si el cociente es menor que la unidad, significa que el material adquirir mucha acritud al deformarse.Estriccin: Es el cuello que se forma en el centro de la probeta a partir del punto de carga mxima. Si el material es muy dctil, la estriccin es casi un punto. Cuanto ms dctil sea el material menor va a ser la seccin final cuando rompa la probeta.NDICE DE ESTRICCINZ=[(S0-SU)/S0]*100Si tuvisemos en cuenta la carga axial que acta en la zona de estriccin, tendramos una curva por debajo de la curva real.EFECTO DE LA T EN LA CURVA DE TRACCINInteresa por que la curva de traccin se utiliza para el diseo de una pieza de ese material, mediante el clculo de determinadas propiedades mecnicas. Por eso es interesante saber el comportamiento del material a diferentes temperaturas.Se pueden realizar ensayos de traccin a altas temperaturas, mediante una probeta envuelta en un horno (resistencia, etc.). La temperatura afecta al material disminuyendo su resistencia y aumentando su ductilidad, mediante la disminucin aumento de las propiedades mecnicas relacionadas con stas.Si la temperatura aumenta, podemos decir que:1. Disminuye el lmite elstico.1. Disminuye la resistencia.1. Disminuye n.1. Aumenta la ductilidad.Para hacer una buena comparativa de materiales hay que realizarla a una temperatura homloga, que es igual a la temperatura de ensayo dividida por la temperatura de fusin del material.Para comparar lmites elsticos en materiales sometidos a altas temperaturas hay que utilizar un factor homologado, que sera el lmite elstico dividido por el mdulo de Young.Si tratamos de ver la influencia de la estructura cristalina, podemos diferenciar el siguiente comportamiento general (con excepciones):FCC: El lmite elstico vara poco y sin embargo el ndice de acritud vara considerablemente.BCC: Para estos materiales el lmite elstico vara de forma significativa, mientras que el ndice de acritud apenas vara.HC ( HCP): Comportamiento similar al de materiales de estructura FCC, existiendo sin embargo una gran influencia de las impurezas en el comportamiento.Lgicamente, el conformado de materiales en caliente resulta mucho ms fcil debido al aumento de la ductilidad.Resistencia a la traccin y durezaEs una correlacin aproximada (ver fotocopia 19). Nos sirve para extrapolar valores del ensayo de traccin a partir del ensayo de dureza (ms rpido, sencillo y barato).Para los aceros se da la siguiente correlacin numrica (Callister):RM(MPa)=3,45*HBAl hacer un ensayo varias veces nunca obtendremos los mismos resultados; hay que dar un valor promedio con su desviacin tpica. En la tensin de trabajo hay que utilizar un factor de seguridad, para sobredimensionar el resultado obtenido.W=Y/nSiendo n"2Ejemplo de curva de traccin (Vase anexo).Referencia: Anexo (Ejercicios)FRACTURAPor fractura se entiende la separacin o fragmentacin de un cuerpo slido en dos o ms partes bajo la accin de una tensin a temperaturas que estn muy alejadas de la temperatura de fusin del material. Los materiales metlicos sufren sobre todo fractura por fatiga.Etapas a tener en cuenta: (son 2)1. Iniciacin de una grieta o fisura.1. Propagacin de dicha grieta o fisura (es la etapa que determina el modo de fallo).Clasificacin: Fractura dctil y fractura frgil.La ductilidad depende tanto de factores internos como de factores externos. De aqu que la clasificacin de fractura atendiendo a la ductilidad del material depende en gran medida de las condiciones de ensayo.Al hablar del tipo de material, los factores que condicionan su ductilidad son:Estructura cristalina: (FCC, BCC, HC). Cada estructura cristalina tiene unos sistemas de deslizamiento distintos (Vase hoja correspondiente). Cuantos ms sistemas de deslizamiento haya, ms fcil ser de deformar plsticamente dicho material.1. FCC: Au, Al, Ag, Ni, Cu, Bronces y aceros inoxidables austenticos.1. BCC: Fe (puro), aceros dulces, Mo, W.1. HC: Ti, Mg, Zn, Co, Be, Zr.Microestructura: Factor importante es el tamao de grano, ya que existe una correlacin inversa entre ductilidad y tamao de grano; es decir, a menor tamao de grano mayor ser la ductilidad (y tambin la tenacidad) para un determinado material. El tamao de grano es el nico mecanismo que hace aumentar a la vez la ductilidad y la tenacidad de los materiales.Caractersticas generalesFractura dctil: Tiene asociada una gran deformacin plstica en el entorno de la grieta (o zona fracturada). Se trata de una grieta estable, ya que para seguir creciendo necesita que el esfuerzo (externo) sea cada vez mayor. Adems, el avance de la grieta es lento y existe una deformacin plstica apreciable en las superficies de fractura.Fractura frgil: Una vez iniciada, la grieta se propaga rpidamente sin necesidad de aumentar el esfuerzo (grieta inestable), y adems no existe deformacin plstica en el entorno de la grieta.La mayor parte de los materiales metlicos son muy dctiles y tenaces. Los materiales cermicos van a ser frgiles, y en cuanto a los polmeros tendremos los dos tipos de comportamiento. Esto es vlido para cualquier tipo de ensayo (traccin y compresin).FRACTURA EN EL ENSAYO DE TRACCINPodemos tener los dos tipos de fractura. Dentro de la fractura dctil podemos tener una fractura muy dctil (como la del Au por ejemplo). En este tipo de fractura, la tensin cortante mxima se obtiene cuando los ngulos y son iguales y con un valor de 45. A esta tensin se la denomina tensin de cizalladura resuelta crtica. (Vase fotocopia FR4 y figura 9).En otros materiales se da la fractura de copa-cono. El mecanismo por el que se llega a este tipo de fractura incluye otros efectos. Existen unas marcas superficiales caractersticas. Este tipo de fractura es caracterstica de la mayora de los metales.La rotura de materiales es un hecho no deseado porque puede producir posibles prdidas de vidas humanas e importantes prdidas econmicas. Su prevencin es muy difcil de garantizar.CAUSASPuede deberse a una mala utilizacin en servicio; en muchos casos es una seleccin inadecuada para una determinada actividad o se debe a un mal diseo.Es responsabilidad del ingeniero evitar esto.El estudio de las causas de rotura es uno de los problemas principales que tratan hoy en da los ingenieros especializados en metalurgia.Mecanismo de la fractura de copa-cono: (Vase fotocopia FR5)La primera etapa es que una vez iniciada la estriccin se forman una serie de microcavidades en el interior de la seccin de la probeta en esa zona de estriccin. Estas microcavidades se deben a la descohesin a lo largo de la intercara entre partculas de 2 fase y la matriz (Ver la figura 10). En muchos casos las partculas de 2 fase forman parte del material o son impurezas. Si el precipitado que se forma es muy grande puede romper, produciendo las fisuras. A medida que continua la deformacin, las microcavidades crecen, y va a llegar un momento en el que se produce una coalescencia de microcavidades, por rotura de los tabiques de separacin de esas microcavidades. Se forma entonces una grieta elptica, cuyo eje mayor es perpendicular al esfuerzo (de traccin, en este caso), que va a seguir creciendo (por coalescencia de microcavidades). Pero la rotura final se va a producir cuando, en un momento dado, la seccin del material no aguante la carga (ya que est aplicada sobre los extremos), y rompe de manera rpida por propagacin de la grieta alrededor del permetro exterior de la estriccin por tensin de cizalladura, formando un ngulo de 45 con el eje de aplicacin de la carga. Este ngulo es de 45 porque ah es donde estn situados los planos ms activos; los que deslizan antes.En este caso tenemos la fractura de copa-cono, en la que una de las superficies de fractura tiene forma de copa y la otra de cono.Si nos fijamos en la parte central observamos que sta tiene un aspecto fibroso muy caracterstico que identifica claramente el modo de fallo. Existe una comprobacin de este fenmeno por medio de la fractografa, que es la ciencia que se dedica al estudio de las superficies de fractura para, por medio de una serie de anlisis, poder determinar el tipo de fallo.Esta ciencia se apoya en el microscopio electrnico de vaco, que por medio de un bombardeo con haces de electrones provocan una reemisin de electrones secundarios por parte del material, obteniendo una informacin en forma de imagen topogrfica.(2 imagen de la fotocopia FR6) Cada hueco se denomina cpula y corresponde a la mitad de un microvaco. A efectos macroscpicos, la superficie es muy fibrosa y hay una gran deformacin plstica en el entorno.Enmateriales frgiles, tenemos a nivel macroscpico una fractura que se propaga a travs de una superficie prcticamente plana, perpendicular a la direccin del esfuerzo (fotocopia FR4 c). Microscpicamente (fotocopia FR7), se observa una pequea deformacin plstica.(Fotocopia FR8) Micrografa de la seccin de un acero (con aspecto todava macroscpico). Hay unas marcas radiales que nacen del centro de la superficie de fractura y que son tpicos de la fractura frgil de los aceros, y que apuntan hacia el inicio de la grieta.Volviendo a la fotocopia FR7 podemos ver una zona como granular. El mecanismo de fallo es el siguiente:En la mayora de los materiales frgiles la propagacin de la grieta corresponde a una sucesiva rotura de enlaces atmicos a lo largo de planos cristalogrficos (lo que se denomina como descohesin oclivaje), observndose unos huecos alargados que indican los planos de fractura.Este tipo de fractura (por clivaje) es transgranular, porque las microgrietas van atravesando los granos del material. En este tipo de fallo, los planos de descohesin cambian de un grano a otro (por cmo estn distribuidos los planos mejor orientados). Esto proporciona un aspecto facetado a la superficie de fractura.Rotura intergranular en materiales frgiles: (FR9).La grieta progresa por los lmites de grano. Este tipo de fallo est asociado a la presencia de impurezas en el lmite de grano, que debilitan el material. Como ejemplo tenemos la rotura que se da en los aceros inoxidables austenticos sometidos a una carga de traccin en un ambiente corrosivo. Tambin son importantes en las fracturas los factores externos adems de las cargas, como se puede apreciar en el ejemplo.ENSAYOS DE IMPACTOEl modo de fallo en el ensayo de traccin no nos permite extrapolar los resultados a otras situaciones diferentes. El tipo de fallo est condicionado por las condiciones de contorno del material.Para ensayar los materiales en las peores condiciones posibles se crearon los ensayos de impacto, para poder saber en qu condiciones el material presenta fractura frgil. Estas condiciones son: Temperaturas bajas. Velocidad de deformacin elevada. Estado triaxial de tensiones (mediante entalla mecnica).Tipos: Ensayo Charpy y ensayo Izod.Estos dos ensayos han sido normalizados y diseados para determinar la energa de impacto o tenacidad a la entalla, que se define como la energa absorbida por la superficie entallada cuando rompe. En ambos casos se romper una superficie entallada de un golpe dado con una masa-pndulo. Se medir la energa absorbida por ese golpe. La velocidad que adquiere la masa al golpear la probeta queda determinada por la altura del pndulo. Tras la rotura, la masa continua su camino hasta llegar a una cierta altura, a partir de la cual se determina la energa absorbida (FR10).Energa absorbidaEabs=(m*g*h)-(m*g*h')=m*g*(h-h')La diferencia entre alturas se correlaciona muy bien con el ngulo que forman el brazo con la vertical en las posiciones inicial () y final () y con la longitud del brazo (I).Eabs=m*g*I*(cos-cos)ltima norma aplicada: EN 10045-1Esta norma define una probeta de 55 mm de longitud total y de base cuadrada de 10 mm de lado. A la mitad de la longitud hay una entalla, que puede tener forma de U o de V.U: se define una profundidad de 2 mm y rc=0,25 mm.V: profundidad=5 mm y rc=1 mm.En el ensayo viene tambin normalizada la velocidad de choque Vc, que vara entre 5 y 5,5 m/s.En el ensayo Izod la probeta est en posicin vertical y la carga golpea perpendicularmente a la probeta por el lado de la entalla.Inicialmente en Espaa a estos ensayos se les denomin Ensayos de Resiliencia.EXPRESIN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ENSAYOKU=130 JKV=121 JNota: Los valores dados son para un caso hipottico. Las unidades vienen expresadas en Julios, absorbidos por el ensayo Charpy de flexin por choque con entalla en forma de U o V.En esta norma la energanose define como energa absorbida por unidad de superficie, ya que no se contempla la resiliencia.Una entalla particular es la denominada ojo de cerradura, que no aparece en la nueva norma.Lo ms importante de estos ensayos es que nos van a permitir determinar la temperatura de transicin dctil-frgil (Su principal ventaja sobre los otros ensayos). Esto se consigue realizando el ensayo en iguales condiciones normalizadas, pero a distintas temperaturas. Lo que se hace es calentar o enfriar la probeta antes de realizar el ensayo (La distribucin de temperaturas debe ser homognea en toda la probeta). Se obtienen una serie de curvas (fotocopia FR15).Se observa que existe una dependencia de la energa absorbida con la temperatura. A altas temperaturas se absorbe gran cantidad de energa, lo que est relacionado con la fractura dctil. A bajas temperaturas tenemos una menor absorcin de energa, lo que est relacionado con la fractura frgil.Podemos hacer la misma grfica pero sustituyendo la energa absorbida por el % de la superficie de fractura dctil, correspondiendo el origen de ordenadas con el 0%.Hay una influencia importante de la estructura del material en el tipo de fractura. En la mayora de los casos habr una transicin brusca del comportamiento del material a alta temperatura y a baja temperatura. Existe lo que se denominaintervalo de transicin dctil-frgil(tpico en materiales de estructura BCC).Cuando no hay transicin pronunciada, referimos la temperatura de transicin dctil-frgil a la temperatura para la cual el material absorbe 27 Julios de energa, o tambin a la temperatura para la cual el 50% de la superficie de fractura del material es de fractura dctil.Condiciones de uso del material: Trabajaremos con el material a una temperatura que est por encima de la temperatura de transicin dctil-frgil.La temperatura de transicin dctil-frgil depende de:Los factores externos que condicionan el ensayo, fundamentalmente la velocidad de aplicacin de la carga y el tipo de entalla. La entalla es un concentrador de tensiones. Cuanto ms aguda sea la entalla mayor ser la concentracin de las tensiones.Los factores internos, como son:Composicin del material(Estudiaremos los aceros. Fotocopia FR15). Al introducir carbono formamos una solucin slida intersticial (porque los tomos de C son muy pequeos y ocupan los intersticios) [Es un mecanismo de endurecimiento]. Esto hace al material menos tenaz. Cuanto ms carbono aadimos hacemos ms favorable la fractura frgil. El oxgeno fragiliza tambin el acero, y de forma ms pronunciada.Tamao de grano: La disminucin del tamao de grano endurece al material y a la vez aumenta su tenacidad. La deformacin inducida es ms fcil de absorber debido a la gran superficie del lmite de grano (de alto desorden). Esto se utiliza para comprobar la tenacidad de los metales.SLA-> Aceros de alta resistencia y baja aleacin (son aceros ferrticos).Tienen una ITT=-80C (ITT=T de transicin)Esto implica una alta resistencia a bajas temperaturas.Determinacin del tamao de granoN=2n-1n ndice de tamao de grano ASTM (Va de 2 a 12)N N de granos por pulgada cuadrada a 100 aumentosEfecto de la estructura cristalina: Los materiales con estructura FCC son muy tenaces. Presentan una transicin muy suave. Se utilizan para trabajar a temperaturas criognicas (como por ejemplo los aceros inoxidables austenticos). Los materiales BCC presentan sin embargo una transicin muy brusca. Los materiales HC tienen un comportamiento similar al de las aleaciones de alta resistencia (poca transicin pero baja tenacidad), a excepcin del titanio (muy tenaz).Hay otro mecanismo de deformacin plstica en metales, y que es ms rpido que el deslizamiento de dislocaciones, y se denominamaclado. Adquiere importancia cuando no hay tiempo efectivo para el desplazamiento de las dislocaciones. Los materiales FCC, en condiciones adversas (baja temperatura y elevadas velocidades de aplicacin de la carga), presentan maclado activo. Los BCC, a pesar de tener ms sistemas de deslizamiento, dichos sistemas son menos activos, por eso se deforman peor. En estos materiales se puede dar un maclado mecnico a temperatura ambiente cuando la velocidad de aplicacin de la carga es elevada (en los FCC no ocurre), y tambin presentan maclado mecnico a bajas temperaturas, pero en menor medida que otros.Los materiales FCC sern dctiles y tenaces para cualquier velocidad de aplicacin de la carga y para cualquier temperatura.Materiales dctiles como los BCC a temperatura ambiente y bajas velocidades de aplicacin de la carga se comportan como frgiles cuando la temperatura es baja y cuando a temperatura ambiente se aplica la carga a altas velocidades.Esto significa que la fractura frgil se puede dar con uno o ms requisitos. Los materiales HC sern frgiles en prcticamente todas las condiciones (con excepciones).Ventajas y limitaciones de estos ensayosComo ventajas tenemos que el ensayo es muy simple (fcil de realizar), y que nos permite determinar la temperatura de transicin dctil-frgil.Como limitaciones tenemos que slo obtendremos datos cuantitativos que nicamente sern tiles a efectos comparativos (no para el clculo de piezas o estructuras); que estn determinados en materiales sin defectos (ya que los materiales de prueba no presentan en general discontinuidades internas); que los datos son poco representativos de las condiciones de servicio reales, ya que:1. El tamao de la probeta es independiente del espesor real del material.1. Siempre se emplea un carga de ensayo por impacto, con independencia de que la estructura en servicio est sometida a cargas estticas o dinmicas.1. La raz de la entalla puede ser menos severa que una entalla real o defecto similar (poros, microgrietas, fisuras, etc.)La energa absorbida es igual a la total ms la energa de propagacin de la grieta.El ensayo de impacto permite cuantificar la tenacidad de un material, pero no obtenemos resultados aplicables cuando lo que necesitamos es disear piezas estructurales. Para esto se ha creado toda una rama de la ciencia de los materiales, que se llama mecnica de fractura.La mecnica de fractura es la ciencia que estudia la resistencia de un material a la fractura frgil cuando dicho material posee defectos internos (microfracturas, grietas, etc.) mediante anlisis tericos y experimentales. Las teoras de la mecnica de fractura nos permiten cuantificar las relaciones que existen entre las tensiones aplicadas, las propiedades del material, la presencia de defectos que producen grietas y los mecanismos de propagacin de las grietas.Concentrador de tensiones: Cuando los tericos de la mecnica de fractura estudiaron la resistencia cohesiva terica en un material elstico frgil, se constat que era aproximadamente igual al mdulo de Young partido por 10 (=E/10). En anlisis experimentales se ve que este valor se reduce entre 10 y 100 veces. Esto se debe a la presencia de defectos internos que pueden inducir la aparicin de microgrietas. El primero en postular este fenmeno fue A. Griffin. Las microgrietas son problemticas porque actan como concentradores de tensin en los vrtices del defecto, y el fallo suele iniciarse en la zona del material con mayor tensin aplicada.(Fotocopia FR17).CONCENTRACIN DE TENSIONES: Seguiremos el dibujo y las frmulas que aparecen en esta fotocopia.La tensin a lo largo de la direccin x va aumentando a medida que nos acercamos al vrtice de la grieta, donde tenemos la mayor concentracin de tensiones.El factor de concentracin de tensiones KT se define como la tensin mxima aplicada dividida por la tensin nominal. Tenemos tambin una frmula para determinar el valor de la tensin mxima (ver FR17).El efecto concentrador de tensin es debido a la longitud de la grieta y al radio de curvatura. Si el defecto es un defecto intenso, la longitud de una grieta superficial a, se define como la mitad de la longitud de la grieta (ver FR16a), y la tensin mxima se alcanza en ambos vrtices de la grieta (FR16b).Este mismo efecto de concentracin de tensiones se da tambin en cualquier aspecto de diseo que acte como tal (presencia de ngulo vivo o rosca).La mecnica de fractura estudia los materiales frgiles porque en los materiales dctiles se produce una redistribucin del estado tensional cuando el material empieza a deformarse plsticamente. Esta nueva distribucin de tensiones hace que la tensin mxima no sea tan alta, y por tanto la propagacin de la grieta sea ms lenta. En materiales frgiles la rotura suceder rpidamente.K es el factor de intensidad de tensiones. Aparece cuando se realiza el estudio tensional en el extremos de la grieta, y depende de:1. El valor de la tensin aplicada.1. La longitud y posicin de la grieta.1. Geometra de la pieza slida.Latenacidad de fractura, KC, es una propiedad mecnica, definida como la resistencia de una determinado material a la fractura frgil cuando hay una grieta presente.Tambin se define como el valor crtico del factor de intensidad de tensiones en la punta de la grieta, pero que se propague en un material frgil que contiene un defecto. Su expresin general es:KC=Y**(*a)1/2Donde Y es un parmetro sin dimensiones que depende de la geometra de la pieza y de la geometra de la grieta.El valor de KC, para probetas delgadas depende del espesor B, y disminuye a medida que B aumenta. Para probetas gruesas tenemos la condicin de deformacin plana, con lo que KC es independiente de B.Condicin de deformacin plana (Figura 11)B"2,5*(KIC/Y)2Explicacin a la figura 11: Nos interesan las condiciones en las que el defecto es muy pequeo en comparacin con el espesor de la probeta, considerando as que no hay deformacin en la direccin de la grieta. Experimentalmente, se comprueba que se dan las condiciones de deformacin plana cuando se verifica la anterior relacin (ver FR19).KC suele llevar un subndice, que se corresponde con la direccin de avance de la grieta, que puede ser de rotura (subndice=1) por deformaciones planas, de cizalladura (subndice=2), o de desgarre (subndice=3).(FR20 tabla 6.5). En esta tabla aparecen valores normales de tenacidad a la fractura para aleaciones seleccionadas en ingeniera. El valor de KC depende de la temperatura, velocidad de deformacin, microestructura, etc. Esto viene dado por las normas.Un material puede estar sometido a diferentes estados de deformacin, pero empezar a romperse cuando alcance el valor de KC. Los materiales frgiles tendrn valores de KC muy pequeos, mientras que los materiales dctiles tendrn un elevado valor para KC. En general interesa estudiar el valor de KC para materiales de ductilidad intermedia.Desde el punto de vista del material, KC se encuentra relacionada sobre todo con el tamao de grano. Un menor tamao de grano aumenta la tenacidad a la fractura. Otros mecanismos de endurecimiento (especialmente las disoluciones slidas o las dispersiones de una segunda fase) disminuyen la tenacidad a la fractura.Determinacin del tamao del defectoK1C=Y**(*a)1/2Lo que hay que determinar en un diseo basado en la mecnica de fractura son tres parmetros (Fijamos 2 y el tercero queda entonces determinado). Supongamos que tenemos fijada la tensin aplicada y el material a emplear, quedando slo el tamao de la grieta (a). La determinacin de este parmetro se puede realizar mediante ensayos no destructivos (NDE), como son:1. Lquidos no penetrantes.1. Gammagrafas.1. Corrientes inducidas.1. Partculas magnticas.Esta clase de ensayos permiten determinar el tamao y la posicin de los defectos.FATIGAEs otro tipo de fractura que aparece en los materiales metlicos. Tambin se da en los polmeros, y los cermicos la soportan muy mal (ya que en general rompen enseguida). La fatiga se produce cuando el material est sometido a cargas cclicas y variables (se repiten a lo largo del tiempo), aunque el valor del esfuerzo al que est sometido el material sea inferior a la resistencia a la traccin e incluso inferior al lmite elstico. Un ejemplo de fatiga sera un alambre que se doblase continuamente. Su importancia es enorme, ya que aproximadamente el 80% de los fallos en servicio de las piezas metlicas son causados por fatiga.El primero en estudiar la fatiga fue Whler, que defini tres condiciones fundamentales para que se produjese rotura por fatiga: Una tensin mxima de traccin de valor elevado. Una variacin o fluctuacin lo suficientemente elevada. Un nmero suficiente de ciclos.De aqu se deduce que los resultados obtenidos por los ensayos de traccin no nos sirven para poder identificar o determinar este tipo de fallo.Los mecanismos que influyen en la fatiga son muy complejos. Los enumeramos y realizaremos un estudio bsico de este fenmeno.A la hora de hablar del ensayo de fatiga, existen varios parmetros a tener en cuenta, como son la cintica de aplicacin de la carga, el tipo de tensiones aplicadas al material, etc.Tipos de ensayo: Simplificaremos el nmero de ensayos. Los principales son tres. Los resultados obtenidos son muy parecidos en los tres, por lo que slo necesitamos un ensayo. Para simplificar la cintica de aplicacin de cargas haremos una aproximacin a la realidad aproximando los ciclos de carga a una funcin senoidal.Podemos definir como ciclo de carga a la ley de variacin de la tensin o esfuerzo a lo largo de un periodo. Es un ciclo sencillo, con una parte a traccin y otra a compresin, donde hay que definir una serie de parmetros.Latensin mximaes la mayor tensin que se alcanza en la fibra ms solicitada.Latensin mnimaes la menor tensin que se alcanza en la fibra ms solicitada.Latensin media(M) es la mitad del valor de la suma de las tensiones mxima y mnima.Laamplitud de la tensin(A) es la mitad del valor de la diferencia entre la tensin mxima y la tensin mnima respectivamente.Elrango de tensiones(R) se puede definir como la diferencia entre tensin mxima y tensin mnima, o como el doble del valor de la amplitud de la tensin.Tambin podemos tener distintos ciclos de carga:Ciclo alterno simtrico: En este ciclo la tensin media es igual a 0 (M=0).Ciclo alterno asimtrico: La tensin media es menor que la amplitud de la tensin. En cualquier caso la distribucin de las tensiones es simtrica con respecto al valor de la tensin media.Ciclo intermitente: El valor de la tensin media es igual al valor de la amplitud de la tensin (M=A).Ciclo pulsatorio: El valor de la tensin media es superior al de la amplitud de la tensin.En cualquiera de estas situaciones, donde los esfuerzos aplicados varan entre Max y Min, puede considerarse que el esfuerzo aplicado es la suma o superposicin de una componente esttica (igual a la tensin media) y una componente fluctuante o alterna (igual a la amplitud de la tensin.Max=M+AMin=M-AUtilizaremos generalmente el ensayo de flexin rotativa (que es el ms sencillo). Aplicaremos una fuerza de flexin a una probeta que gira mediante cargas aplicadas en los extremos. Tambin se puede aplicar a una probeta fijada a un eje (que provoca el giro) con un peso en el otro extremo. En este tipo de ensayo el ciclo de carga tiene una tensin media igual a 0 (ciclo alterno simtrico).Curvas de fatiga de Whler:Normalizaremos una mquina de flexin por fatiga para determinar este tipo de curvas, en las que representaremos la amplitud de la tensin frente al nmero de ciclos necesarios para llevar al material hasta la rotura por fatiga.Mecanizamos un nmero N de probetas y sometemos una de ellas a una serie de ciclos con una determinada amplitud de tensin (A), condicionada por la tensin mxima (esto nos permite obtener el primer punto de la curva). Repitiendo el ensayo con probetas idnticas donde slo variamos los valores de tensin (disminuyendo su valor), obtenemos una curva que se denomina curva de Whler (se trata de una curva a escala logartmica).Se suele empezar con valores de tensin mxima o de amplitud de tensin del orden de (2/3)*RT (dos tercios de la resistencia a la traccin del material).Cuanto mayor sea la amplitud de la tensin menor ser el nmero de ciclos necesarios para llevar la probeta a rotura.Hay dos tipos diferenciados de curvas. En algunos materiales se produce un valor asinttico a partir de un nmero determinado de ciclos. Esto se suele dar en algunos aceros y en aleaciones de titanio. En las curvas correspondientes a otros materiales existe una disminucin de la tensin a medida que aumenta el nmero de ciclos necesarios para romper la probeta.Para las curvas con valor asinttico definiremos ellmite de fatigacomo la mxima tensin quenoproduce rotura cualquiera que sea el nmero de ciclos para el cual existe aplicacin de cargas.Este lmite de fatiga, en los aceros, suele estar comprendido entre el 35% y el 60% del valor de la resistencia a la traccin.En aquellos materiales que no posean lmite de fatiga se define laresistencia a la fatigacomo el nivel de tensin que produce la rotura despus de un determinado nmero de ciclos.Las normas definen que para las aleaciones frreas, ese nivel de tensin es el correspondiente a 1*107 ciclos, y para aleaciones no frreas, este lmite prctico de fatiga se establece para 3*107 ciclos.En este tipo de curvas tambin se define el parmetrovida-fatiga, como el nmero de ciclos necesarios para producir la rotura a fatiga para un nivel determinado de tensiones.El fenmeno de la fatiga es un fenmeno para el cual se obtienen resultados con una gran dispersin, por lo cul estos resultados se representan mediante curvas de probabilidad.Para los tres tipos principales de ensayo las curvas son muy parecidas. Las curvas dependen del tipo de ensayo, y tambin de la tensin media (para el mismo tipo de ensayo).El valor de la tensin media afecta a las curvas de Whler, ya que varan el valor del lmite de fatiga (las distintas curvas son paralelas entre si). Experimentalmente podemos hacer una curva para cada valor de la tensin media (ver figura 12).Otra manera es utilizar aproximaciones matemticas basadas en la curva de Whler determinada en un ensayo para un ciclo de carga donde la tensin media es igual a cero (vase fotocopia FAT7). Tenemos dos aproximaciones para poder determinar el valor del nuevo lmite de fatiga (Se'), segn sea el valor de la tensin media (que con el cambio de notacin se expresa como Sav), la amplitud de tensin (Sa), el lmite de fatiga para una tensin media igual a cero (Se) y la resistencia a la traccin (RM). La aproximacin de Gerber es de orden 2 (cuadrtica), mientras que la de Goodman es lineal (orden 1) y es ms conservativa que la primera, ya que es la aproximacin en la que suponemos el menor valor del lmite de fatiga. Los resultados obtenidos en los ensayos experimentales se encuentran dispersos en el rea comprendida por estas dos curvas. Una aproximacin todava ms conservativa que la de Goodman es la lnea de Soderberg, en la que se sustituye RM por Re (lmite elstico). Estas curvas nos permiten determinar la variacin del lmite de fatiga dependiendo del valor de la tensin media. Las ecuaciones correspondientes son las siguientes: Aproximacin de Gerber:Se'=Se*[1-(Sav/RM)2] Aproximacin de Goodman:Se'=Se*[1-(Sav/RM)]Superficie de fractura en fallos por fatigaEl aspecto macroscpico de la superficie de fractura en fallos por fatiga resulta muy caracterstico. Su anlisis fractogrfico permite identificar el tipo de fallo. Tambin puede darse el caso de que existan fracturas por fatiga que no presenten estas marcas caractersticas. De todos modos, siempre que detectemos estas marcas sabremos que nos encontramos ante un material que ha roto por fatiga.En un material que ha sufrido un fallo por fatiga se apreciarn dos zonas, lazona de fatigay lazona de sobrecarga. Esta ltima zona es la zona de fallo final, y puede ser de fractura frgil o dctil segn el tipo de material.Cuando hablamos de las marcas caractersticas nos referimos a la zona de fatiga.La superficie de fractura es siempre perpendicular a la carga mxima (la mayor de las tensiones aplicadas). Adems, en su conjunto, la zona de fatiga corresponde con la fractura frgil (no hay deformacin plstica importante). La zona de fractura por fatiga tiene aspecto bruido, como de pulido, debido al rozamiento entre las superficies de la grieta.Dentro de la zona interna hay dos tipos de marcas caractersticas, como son las marcas de playa y las estras. Las marcas de playa son macroscpicas. Son lneas concntricas con respecto al punto de inicio de la grieta, y se corresponden con el avance de la grieta provocado por el trabajo continuado de la pieza sin que cese la aplicacin de la carga sobre la pieza. Las estras son de carcter microscpico (observables mediante un microscopio electrnico de barrido) y se corresponden con el avance de la grieta por cada ciclo de carga. Estas dos marcas, si se encuentran en el material, definen claramente una rotura por fatiga (ver FAT8, FAT9 y FAT10).Etapas en el proceso de fatigaPara todos los materiales, tanto dctiles como frgiles, tenemos tres etapas.La primera etapa se denominaetapa de incubacin. En determinados puntos del material, como consecuencia de los esfuerzos que soportan, se origina deformacin plstica, y en su entornoacritud. Esta acritud local es en un principio positiva para el material, y mientras no haya fisuracin el material soporta mejor la sobretensin sin ningn tipo de perjuicio.Cuando aparece una fisura en el material tenemos lazona de daado, que en general aparece en la superficie del material (o de la probeta en el ensayo). Resulta importante saber cuando aparecen las fisuras. La forma de detectarlas sera mediante el empleo de ensayos no destructivos (en especial ultrasonidos o partculas magnticas). Entonces se puede determinar la curva de daado, que se corresponde con la curva de iniciacin de las grietas (Vase figura 13).La curva de fatiga se produce cuando la grieta, que ha progresado a travs del material, provoca la fractura del mismo. Para una amplitud de tensin determinada, el nmero de ciclos de fallo se define como el nmero de ciclos que se necesitan para iniciar una grieta y propagarla hasta llevar a rotura al material:Nf=Ni+Nd+NFNf es el nmero de ciclos de fallo.Ni es el nmero de ciclos para que se inicie la grieta.Nd es el nmero de ciclos de daado.NF es el nmero de ciclos correspondiente a la fractura del material y se considera igual a 0.De aqu extraemos que la segunda etapa ser laetapa de daado, que ir desde el inicio de las grietas hasta la rotura del material, y se corresponder con la progresin de las grietas a travs del material.La ultima etapa ser por tanto laetapa de rotura, y ser una etapa muy rpida (se corresponde con la rotura del material). Por tanto el nmero de ciclos correspondiente a esta etapa ser 0.Es importante conocer la etapa de daado, ya que si podemos registrarla entonces podremos sustituir la pieza a tiempo y evitar as un fallo en servicio, que podra tener consecuencias graves.Factores que afectan a la resistencia a la fatiga Frecuencia de aplicacin de los ciclos de carga:Se observa que hasta 10000 o 12000 ciclos por minuto la frecuencia no tiene ningn efecto en el lmite de fatiga. Se empieza a apreciar algo de influencia de este factor a partir de unos 30000 ciclos por minuto, en donde se observa que frecuencias tan altas elevan ligeramente el valor del lmite de fatiga (hacen al material ms resistente). La temperatura:Para temperaturas por debajo del ambiente, cuanto ms baja sea la temperatura, ms alto ser el lmite de fatiga, siempre y cuando la probeta no tenga ningn tipo de entalla (concentrador de tensiones), en cuyo caso el efectos es el contrario (Vase fotocopia FAT15).A temperaturas altas, por encima de la temperatura ambiente, el valor del lmite de fatiga disminuye, lo que implica una menor resistencia a la fatiga de los materiales, ya que las altas temperaturas favorecen los mecanismos de propagacin de las grietas.Un caso particular es el acero al 0,17% de C. En este acero aumenta el valor del lmite de fatiga (Se) asociado a un mecanismo de endurecimiento que se hace efectivo a una temperatura que oscila entre 200C y 400C. Acritud previa:Si antes de someter una probeta metlica al ensayo de fatiga inducimos una acritud homognea por algn mecanismo deformador, y despus sometemos la probeta al ensayo de traccin, sta presentar un aumento del lmite de fatiga si la comparamos con la misma probeta (del mismo material) pero sin haber sido sometida a la acritud. Rugosidad superficial:Se ha comprobado experimentalmente que el acabado superficial de las probetas tienen una influencia considerable en el lmite de fatiga, debido a que las grietas se inician en la superficie del material.La presencia de marcas de mecanizado en la superficie del material disminuye el lmite de fatiga (porque dichas marcas actan como concentradores de tensiones y las grietas se inician en donde se concentran las tensiones). Cuanta mayor rugosidad superficial ms bajo ser el valor del lmite de fatiga. Un pulido metalogrfico mejorar el valor del lmite de fatiga, haciendo ms resistente al material. Tensiones residuales superficiales:Las tensiones residuales del material se superponen a las tensiones procedentes del ciclo de carga que actan sobre las fibras del material (se pueden sumar o contrarrestar dependiendo de si el tipo de tensin residual es de traccin o de compresin).El mecanismo ms efectivo para luchar contra la fatiga es inducir en la superficie del material tensiones residuales de compresin (para evitar el inicio de las grietas). Esto se debe a que la parte del ciclo que favorece el avance de las grietas es la parte correspondiente a esfuerzos de traccin. Estado superficial:Las tensiones residuales se miden por difraccin de rayos X (su valor mximo es el lmite elstico). Cuanta ms tensin residual ms ancho ser el pico que muestre el difractograma.Para que se produzca fatiga tiene que haber un valor de tensin de traccin mximo.Condicin superficial:Cualquier tratamiento en la superficie del material que modifique su resistencia a la fatiga.1. Perdigonado o granallado:Consiste en bombardear la superficie del material con bolitas metlicas de pequeo tamao (perdigones de 0,1 a 1 mm de dimetro), que inducen una serie de tensiones superficiales de compresin (se denomina Shot Penning).Hay procesos de conformado que tambin inducen tensiones superficiales, mejorando la resistencia a la fatiga de la chapa.1. Tratamientos de cementacin y nitruracin:Es otro tipo de tratamiento superficial que aumenta la resistencia a la fatiga. Se hacen para endurecer al material (sobre todo aceros), elevando la resistencia a la fatiga del material considerablemente, induciendo una serie de tensiones superficiales de compresin.Un tratamiento muy negativo para la resistencia a la fatiga es ladecarburizacin. Esto consiste en que el acero pierde tomos de carbono en su zona ms externa (como consecuencia del conformado en caliente). Esto ablanda la superficie, disminuyendo su resistencia a la fatiga.1. Revestimientos metlicos superficiales:Pueden ser recubrimientos por deposicin (galvanizado) o recubrimientos electrolticos (cromado, niquelado). Queda hidrgeno atmico ocluido en la superficie del material como consecuencia de este recubrimiento. Cuando el hidrgeno se recombina en hidrgeno molecular se fragiliza el material (esto se produce sobre todo en los aceros). Debido a todo esto podemos concluir que estos recubrimientos producen peor resistencia a fatiga. Tamao y orientacin del grano:Resulta muy complejo de estudiar. Tamaos de grano pequeos aumentan la resistencia a la fatiga del material (tericamente). Sin embargo experimentalmente se obtienen resultados contradictorios. Efecto de los concentradores de tensiones:El efecto de los concentradores de tensiones se estudia mediante probetas entalladas, normalmente en forma de V, o tambin con entalla circular.Definiremos elfactor de reduccin a la resistencia(Kf). Sirve para evaluar la efectividad de la entalla en su accin de reducir la resistencia a la fatiga del material, y se define como el cociente entre Se sin entalla y Se con entalla para un determinado material en un ensayo concreto y con el mismo ciclo de carga. Es un valor constante para cada material y para cada tipo de entalla, y vara con: La severidad de la entalla. Tipo de entalla. Tamao de la probeta. Nivel de tensiones. Tipo de material.Cuando se realizan ensayos en condiciones de inversin completa de carga (ciclos alternativos simtricos), en los que M=0, se observan normalmente dos tendencias: Kf es casi siempre menor que KT. Kf/KT disminuye cuando aumenta KT.Esta segunda tendencia explica cmo el concentrador de tensiones reduce el lmite de fatiga.Entallas muy agudas producen un efecto en la resistencia a la fatiga mucho menor de lo que cabra esperar. Esto se debe a la variacin de KT con respecto a Kf. Se comprueba experimentalmente que hay tamaos de grieta (para grietas muy pequeas o crticas) que no producen nunca rotura por fatiga.Factor de sensibilidad a la entallaq=(Kf-1)/(KT-1)Definido as este factor, significa que para materiales que no presentan reduccin a la fatiga por entalla tendrn q=0 porque Kf=1.En materiales muy susceptibles al efecto de la entalla, tendremos que q=1, ya que Kf=KT.Concentradores de tensiones en los materiales: Debidos al diseo de las piezas tenemos las roscas o los ngulos vivos. Como concentradores de tipo metalrgico tenemos las picaduras (marcas de corrosin), las sopladuras (bolsas de aire dentro del material), las microgrietas, las interfases en una inclusin dura (aleaciones de Al) y dentro de un material blando, etc. Fatiga trmica:Se produce debido a las tensiones que se originan en el material por las dilataciones y contracciones que ocurren en piezas estructurales sometidas a variaciones de temperatura. Son tensiones internas de tipo residual (por debajo del lmite elstico), debido a la imposibilidad del material para dilatarse y contraerse libremente. No es necesaria la aplicacin de esfuerzos externos. Estas tensiones dependen del coeficiente de dilatacin trmica (), del mdulo de Young (E) y de la variacin de la temperatura (T):=*E*Tcon =k-1Un material que se ve afectado por esta clase de fatiga es el acero inoxidable austentico, debido a que tiene un coeficiente de dilatacin alto y adems una mala conductividad trmica. Understressing y overstressing:Evalan el fenmeno de una fatiga previa del material, es decir, cmo afecta la fatiga a una probeta o una pieza cuando stas hayan sido sometidas a una fatiga previa.Understressing: Sometemos al material a una serie de esfuerzos alternos variables (ciclos de carga) inferiores al valor del lmite de fatiga (e).A estos materiales, si los sometemos posteriormente al ensayo de fatiga, aumenta entonces su lmite de fatiga, debido a que hemos endurecido al material.Si lo hacemos para una amplitud de tensin determinada, lo que conseguimos es que aumente el nmero de ciclos necesarios hasta romper a fatiga.Overstressing: Cuando sometemos al material a un nmero determinado de ciclos a un valor de amplitud por encima del lmite de fatiga. Si no se han producido grietas, entonces hemos endurecido el material, por lo que al someter posteriormente al material a fatiga aumentar su resistencia a la fatiga.Pero si el nmero de ciclos es lo suficientemente elevado como para producir grietas, entonces al someter al material nuevamente a fatiga disminuir su resistencia a la fatiga (el valor del lmite de fatiga disminuir). Corrosin:Para un material sometido a cargas y a corrosin tenemos lo siguiente:Si el material es sometido simultneamente a fatiga y medio corrosivo, los materiales que presentaban un lmite definido ya no lo presentan.Si el material es sometido primero a corrosin y luego a fatiga, entonces, si el material tiene lmite lo va a seguir teniendo pero ms bajo, y si no lo tiene definido entonces, para el mismo nmero de ciclos, la amplitud de la tensin que produce fatiga es ms bajo.Esto se debe a lo siguiente:Los fenmenos de corrosin aceleran la aparicin de las grietas, porque producen defectos en la superficie del material (picaduras o microgrietas de corrosin).Adems, aceleran el avance de la grieta una vez formada, porque el efecto corrosivo favorece la rotura en el fondo de la grieta.La superficie de fractura correspondiente al fenmeno de fatiga-corrosin es tambin muy caracterstica.MECANISMOS DE REFUERZO DE LOS MATERIALES METLICOSDeformacin plstica en los materiales metlicos: El proceso por el cul se produce deformacin plstica debido al movimiento de las dislocaciones se denomina deslizamiento. Para simplificar el estudio del deslizamiento, primero lo vamos a estudiar para un monocristal y despus para un agregado cristalino.Las dislocaciones pueden ser de borde, helicoidales y mixtas. Todas ellas se mueven en respuesta a una tensin de cizalladura aplicada a lo largo de un plano de deslizamiento y una direccin de deslizamiento (que conforman un sistema de deslizamiento).Cuando apliquemos a un material un esfuerzo de traccin o de compresin pura (o de torsin, como se muestra en la figura 14, que genera en unas fibras traccin y en otras compresin) tienen una componente de cizalladura, que es la que permite el desplazamiento de las dislocaciones. Esta componente de cizalladura se denomina tensin de cizalladura resuelta, que va a depender:1. De la tensin aplicada.1. De la orientacin del sistema de deslizamiento.Veamos ahora la relacin existente entre la tensin uniaxial que acta sobre un cilindro de un metal puro (monocristal) y la tensin de cizalladura resuelta producida sobre un sistema de deslizamiento (vase figura 15).La tensin debida al esfuerzo uniaxial y la tensin de cizalladura resuelta es igual a la fuerza en la direccin de deslizamiento partida por el rea del plano que va a deslizar.=F/A0 R=FR/A1Adems: cos=FR/FCos=F/FN=A0/A1 (esta ltima igualdad se debe a que el ngulo que forman las normales a dos planos es igual al ngulo que forman los dos planos).Tensin de cizalladura resueltaA1=A0/cos FR=F*cosEntonces:R=FR/A1=(F/A0)*cos*cos R=*(cos*cos)Expresin que se conoce como Ley de Schmid, y al producto de los cosenos se lo conoce tambin como factor de Schmid.En cada sistema de deslizamiento, cada plano forma ngulos distintos con respecto a la tensin aplicada. La tensin R ser mxima para aquellos sistemas de deslizamiento donde el producto de los cosenos sea mximo:R(Mx)=*(cos*cos)MxAl aplicar una tensin dada, el deslizamiento comenzar en aquel sistema donde R sea mxima (en el sistema orientados de forma ms favorable) y cuando el valor de la tensin de cizalladura alcance un valor crtico. Este valor crtico se conoce con el nombre de tensin de cizalladura resuelta crtica (RC), que representa el valor mnimo de cizalladura que se requiere para que empiece a deslizar el cristal. Es una propiedad del material (depende de ste).Un cristal se empieza a deformar plsticamente cuando en el material se supera el valor del lmite elstico (Y).RC=Y*(cos*cos)Mx==45 cos45=0,707RC=Y*(0,707)2=0,5*YY=2*RCEl valor de RC mnimo para que el sistema mejor orientado empiece a deslizar es la mitad del lmite elstico del material.En aquellos planos de deslizamiento paralelos al eje uniaxial tenemos que =0, y por lo tanto =90 y cos90=0. En aquellos planos que sean perpendiculares al eje de traccin tendremos que =0 y que =90, por lo que cos=cos90=0. Por lo tanto en estos planos no existir tensin de cizalladura ni deslizamiento.Cuando deslizan muchas dislocaciones a travs de un sistema de deslizamiento, llega un momento en el que afloran a la superficie de la probeta, formando lneas bastante gruesas que se denominan bandas de deslizamiento, que es la confirmacin de que los sistemas de deslizamiento se hallan activos (en los planos prximos a dichos sistemas se da este mismo fenmeno). Dependiendo de la anchura de las bandas stas sern macroscpicas o microscpicas (Vase figura 16).Reorientacin de un cristal durante la deformacin plstica: Cuando estamos deformando un cristal segn el eje de traccin, tenemos fijada la probeta a unas mordazas. El deslizamiento lateral est limitado por dichas mordazas, por lo que los planos se ven obligados a rotar para poder mantener centrado el eje de traccin.Los planos situados en el centro de la probeta sufren una rotacin pura, y los planos situados ms hacia los extremos sufren rotacin y flexin (vase figura 17).La reorientacin de los planos de deslizamiento como consecuencia de ese giro vara directamente con el cambio de longitud que experimenta la probeta, segn la siguiente relacin.LI/L0=senx0/senxIL0 es la longitud inicial del monocristal.LI es la longitud final del monocristal.x0 es el ngulo entre el eje de aplicacin de la carga y el plano de deslizamiento.xI es el ngulo que forma el plano de deslizamiento con respecto al eje de aplicacin de la carga una vez que acaba la deformacin.Si tenemos un esfuerzo axial, se comprueba que los planos de deslizamiento se han reorientado de manera que se sitan paralelamente al eje de traccin.De igual forma, si tenemos la probeta sometida a compresin, los planos de deslizamiento tienden a alinearse perpendiculares al eje de aplicacin de la carga.Como consecuencia de esto, sistemas de deslizamiento que no eran activos al principio de aplicar la tensin, empiezan entonces a ser activos, ya que alcanzan el valor de tensin de cizalladura resuelta crtica suficiente para empezar a deslizar.Para unagregado policristalino(metal) formado por gran cantidad de granos, la situacin se complica debido a las siguientes causas: Tenemos gran cantidad de granos orientados al azar, por lo que la direccin de deslizamiento vara de un grano a otro. En cada grano, el movimiento de las dislocaciones tiene lugar segn un sistema de deslizamiento que sea el ms favorablemente orientado. Existen interacciones a travs de los bordes de grano entre los granos que se deforman. La integridad mecnica del material se mantiene precisamente a travs de los lmites de grano (no se separan ni se deslizan).Los lmites de grano son zonas muy pequeas, y debido a lo anterior (mantienen integridad mecnica), cada grano individual est parcialmente constreido a la forma que puede asumir debido a la presencia de los lmites de grano.Cuando aplicamos un esfuerzo de traccin dado en un material policristalino, el deslizamiento comienza en los sistemas mejor orientados de cada grano. A medida que desliza, el grano se va alargando, rotando hacia el eje de traccin, de tal manera que debido a la cohesin entre los lmites de grano, ste fuerza a que los granos contiguos, que no han empezado a deslizar, tambin roten, y al girar, algn sistema que en un principio no era activo, se sita en una orientacin tal que se alcance el valor de la tensin de cizalladura resuelta crtica, y por lo tanto empiece a deslizar.An cuando un grano est favorablemente orientado para el deslizamiento, ste no puede empezar a deslizar hasta que los granos adyacentes y menos favorablemente orientados sean tambin capaces de deslizar. Esto requiere una mayor tensin, ya que debe conseguirse que en cada grano haya algn sistema de deslizamiento activo.Por eso el lmite elstico de un material policristalino es mucho mayor que el de un monocristal del mismo material.Si tuvisemos una probeta de un material de una misma fase con la superficie pulida, al deformarla observaremos bandas de deslizamiento en cada uno de los granos, que estarn orientadas en distintas direcciones (vase figura 18). Tambin puede darse la existencia de ms de un sistema de deslizamiento activo para un mismo grano, por lo que se observarn bandas de deslizamiento con distintas orientaciones en ese grano.La orientacin de los granos cuando se aplica un esfuerzo implica que los granos se alarguen, en la direccin del eje de aplicacin de la carga si el esfuerzo es de traccin, y perpendicularmente al mismo si el esfuerzo es de compresin. Debido a esto, la orientacin de los granos nos permite identificar el tipo de esfuerzo al que ha sido sometido el material (vase figura 19).Hay un mecanismo de deformacin plstica que no vamos a tratar, que es elmaclado. Este mecanismo es mucho menos importante que el deslizamiento.La deformacin plstica de un material ser ms fcil cuando exista un mayor nmero de sistemas de deslizamiento, ya que es ms probable que se alcance la tensin de cizalladura resuelta crtica al orientarse el grano de una forma ms rpida.Todas las tcnicas de refuerzo que estudiaremos se basan en el impedimento al movimiento de las dislocaciones. De esta forma el material no se deforma plsticamente, o hace falta ms tensin para deformarlo.En general, todos estos mecanismos conllevan las siguientes consecuencias en las propiedades mecnicas:1. Aumento de la dureza del material.1. Aumento de la resistencia a la traccin (RM).1. Aumento del lmite elstico.1. Disminucin de la ductilidad.1. Disminucin de la tenacidad.Los mecanismos de refuerzo son: Endurecimiento por deformacin plstica en fro. Endurecimiento por solucin slida sustitucional. Endurecimiento por solucin slida intersticial. Endurecimiento por afino o reduccin del tamao de grano. Fortalecimiento por precipitacin. Fortalecimiento por dispersin de otras fases en la estructura. Fortalecimiento por vacantes. Fortalecimiento por transformacin martenstica (lo estudiaremos para los aceros, pero se puede dar en otros tipos de aleaciones).En muchos casos los materiales se endurecen por varios de estos mecanismos que actan simultneamente. La contribucin al endurecimiento de cada mecanismo es muy difcil de cuantificar. Endurecimiento por deformacin plstica en fro:Se denomina acritud (Ver DPF1, DPF2, DPF3 y DPF4). Lo que ocurre es que introducimos dislocaciones en el material (generamos nuevas dislocaciones). La densidad de defectos (dislocaciones) es del orden de 106. Cuando generamos acritud en el material, la densidad de dislocaciones se eleva a 1012. Estas dislocaciones se generan a partir de las que ya existan en el material a travs del mecanismo de Frank-Read.Aparte de esto, tambin se ponen en movimiento las dislocaciones existentes, que para seguir movindose demandarn esfuerzos crecientes. Cuando las dislocaciones empiezan a moverse se aproximan unas a otras y llega un momento en el que se repelen, debido a que en el entorno de la dislocacin existe un campo de tensiones.La dislocacin de borde positiva genera tensiones de traccin en su parte inferior y de compresin en la parte superior, mientras que una dislocacin de borde negativa genera compresin en la parte superior y traccin en la inferior.Si tenemos muchas dislocaciones del mismo signo en el mismo plano, cuando se aproximen se van a repeler, ya que van a tener campos de tensiones enfrentados, que bloquean el movimiento de las dislocaciones.Otro efecto que se produce cuando hay muchas dislocaciones es que las dislocaciones de distinto signo (especialmente las de borde) se pueden llegar a anular (este fenmeno ocurre en menor proporcin).Otro efecto es que las dislocaciones se pueden quedar ancladas en obstculos (vacantes, precipitados...) impidiendo la deformacin plstica del material.Por ltimo, una dislocacin puede inmovilizarse por la accin de otras dislocaciones (queda anclada, impidiendo el deslizamiento).En la fotocopia DPF4 tenemos la relacin:We(%)=[(A0-AU)/AU]*100Con A0 rea inicial de la seccin transversal y AU rea de la seccin transversal tras la deformacin.Factores que afectan a la acritud (Vase DPF2): Hay factores tanto internos como externos.El grado de deformacin en fro, la naturaleza del esfuerzo y la velocidad de aplicacin del esfuerzo son factores externos que afectan a la acritud del material.Podemos reducir la seccin del material mediante una laminacin (tensin de compresin) o mediante una extrusin (compresin y cizalladura), y lo podemos realizar a diferentes velocidades.Con respecto a los factores internos tenemos el tipo de sistema cristalino del material, el grado de pureza del metal, el tamao de grano y la energa de los defectos de apilamiento (es un defecto que proviene de que una dislocacin de borde se separe en dos dislocaciones, y que lleva asociada mayor o menor energa dependiendo del tipo de material).nes un parmetro mecnico con el que cuantificamos la acritud del material (n se obtiene a partir de la ecuacin de Ludwik).4) Endurecimiento por reduccin del tamao de grano:Los materiales metlicos son agregados policristalinos formados por granos que tienen una orientacin cristalogrfica diferente (a pesar de tener la misma estructura cristalina). La interfase de los granos (es decir, el lmite de grano), supone una barrera para el deslizamiento de las dislocaciones, en primer lugar, porque para pasar a otro grano contiguo, la dislocacin tiene que cambiar de direccin, lo cul supone un esfuerzo adicional. El segundo motivo es que el lmite de grano