TTP Equipos e Instalaciones Electromecánicas

TTP Equipos e Instalaciones Electromecánicas
Modulo N° 3 Materiales y Ensayos
( apunte en base a www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/index.html)
1. Metales
Definiciones:
Los metales son electropositivos (tienden a
perder electrones), conducen fácilmente el
calor y la electricidad.
Clasificación
Ferrosos
Metales
No Ferroso
2. Definiciones básicas
Elasticidad: las deformaciones desaparecen
cuando se anula el esfuerzo que las provoca
Plasticidad: permite que el material tenga
deformación permanente sin llegar a la rotura
Tenacidad: energía requerida para producir la
rotura
Ductilidad: propiedad que permite que el
material se deforme hasta hacer hilos delgados
Fragilidad: opuesta a la ductilidad, el material se
rompe con deformación nula o despreciable
Maleabilidad: propiedad que permite, por
procesos mecánicos, formar láminas delgadas
sin fracturas
Tensión: relación entre fuerza y superficie
3. Materiales ferrosos -SiderurgiaEs la parte de la metalurgia que estudia lo
referente a Hierros, Aceros y Fundiciones.
Los principales minerales de hierro son:
Magnetita: 65% de hierro
Óxido férrico: 50 % de hierro
Óxidos férricos hidratados: son fáciles de reducir
En siderurgia veremos el comportamiento y
características de distintas aleaciones por lo que
definiremos este termino:
Aleaciones; en metalografía se entiende por
aleaciones a toda mezcla o combinación de dos o
mas metales donde comparten sus características
particular, aportándolas para el producto final
4. Aceros y Fundiciones
0 hasta 1,7 % de C (carbono) = ACERO
Materiales
Siderúrgicos
1,7 hasta 6,7 % de C = FUNDICIÓN
0
1,7
ACERO
6,7
FUNDICIÓN
El carbono le aporta dureza al material pero también
mayor fragilidad
El acero es mas blando que la fundición pero la
fundición es mas frágil que el acero.
5. Aceros
Desde el punto de vista de su composición, los
aceros se pueden clasificar en dos grupos:
1. Aceros al carbono: formados
principalmente por hierro y carbono
2. Aceros aleados: Contienen, además del
carbono otros elementos en cantidades
suficientes como para alterar sus
propiedades (dureza, puntos críticos,
tamaño del grano, templabilidad,
resistencia a la corrosión) .
3. Con respecto a su composición, puede
ser de baja o alta aleación y los
elementos que puede contener el acero
pueden ser tanto deseables como
indeseables, en forma de impurezas.
6. Normas de los aceros
Los aceros estan normalizados según distintas normas,
las mas usadas en nuestro medio son las normas SAE,
AISI y DIN.
Veremos en las tablas algunas características de los
aceros y como se lo clasifican
En los aceros al carbono, las normas AISI son
similares que las SAE
Ejemplo:
AISI /SAE 1010 acero al carbono con un 0,10% C
Acero blando
AISI /SAE 1045 acero al carbono con un 0,45% C
Acero Semi blando
7. Fundiciones
Son materiales férricos de gran resistencia a los
esfuerzos de compresión pero de poca resistencia a la
tracción.
Funden a menor temperatura que los aceros por lo que
son propicios para trabajarlos por el método de
colado.
Existen varios tipos de fundición según el porcentaje
de carbono y el método de enfriado para su obtención
Algunas fundiciones:
Fundición gris: es mas blanda y tenaz que la blanca,
es apta para fundir,
Fundición blanca: todo el carbono se halla combinado
con el hierro, es dura y quebradiza, no resulta
adecuada para fundir, se usa como materia prima para
la obtención del acero.
Fundición dura; tiene el medio gris y la superficie
blanca, es mas dura y quebradiza que la gris
Apuntes Teóricos
Naturaleza Cristalina de los materiales
Analizaremos los aspectos más relevantes de las propiedades mecánicas de los aceros y plásticos de mayor uso
en la fabricación de piezas. Lo primero es comprender que un metal está internamente ordenado en celdas cristalinas
como por ejemplo la celda cúbica simple, y otras de mayor complejidad como la celda cúbica centrada en el cuerpo que
se muestra en la figura 1.
Cuando el metal fundido solidifica, en varios puntos se comienzan a reunir moléculas y forman un
núcleo ordenado que crece en todas direcciones. Las figuras 2 y 3 ilustran la asociación de dos celdas vecinas en un
diagrama simple y en una maqueta.
Las agrupaciones de celdas que comienzan a solidificar, crecen tridimensionalmente hasta toparse unas
con otras, deteniendo el crecimiento.
Esto produce zonas en las cuales la red cristalina está ordenada las que llamaremos granos y zonas
denominadas límites de grano o fronteras de grano, en donde no existe orden alguno. En la figura 4 se muestra
una micrografía obtenida con un microscopio electrónico, donde se aprecian granos y sus fronteras.
Para observar esto en un microscopio, se pule una superficie plana, lo que corta los granos en cualquier
dirección. Para mejorar la visualización se aplica sobre la superficie una solución ácida denominada ataque, la
cual corroe los granos en mayor o menor grado, dependiendo de su orientación cristalina. En la figura 5 se
muestra una metalografía con granos de acero ampliada 175 veces.
Por otra parte, los plásticos están estructurados por ordenamientos en línea, compuestos por un
"monómero", o unidad básica que se une con otro monómero idéntico, para formar cadenas de gran longitud. Pero
a diferencia de los metales, una cadena (polimero) no se relaciona con otra cadena. El crecimiento es lineal y en
los metales es espacial.
Los cambios que ocurren en las aleaciones a distintas temperaturas dependen de la cantidad presente de
cada elemento aleante. Esto se puede graficar en los llamados diagramas de fases, que indican las posibles
combinaciones en función de la composición química de la aleación y de la temperatura. Estos diagramas sirven
para seleccionar los tratamientos térmicos y optimizar la composición de la aleación en función a la
microestructura que se desea obtener.
En la figura 6 se muestra el diagrama de fases de la aleación Fierro Carbono, que muestra en el eje vertical la
temperatura y en el eje horizontal la composición química. En el extremo izquierdo se encuentra la composición 100% Fe y
0% C y en el extremo derecho se encuentra la composición 100% C y 0% Fe. En la figura se muestra solamente hasta 5%
C y 95% Fe por ser la zona de mayor interés ya que contiene los aceros y las fundiciones de mayor uso.
Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos nos muestra cómo el metal al solidificar se dispone en diversas
formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o pierden energía y buscan una nueva ordenación tratando siempre de
permanecer estables.
Acero
Fundición
Composición química y designación de los aceros comunes
Existen dos formas de identificar los aceros: la primera es a través de su composición química, por ejemplo
utilizando la norma AISI:
Nº
AISI:
Descripción
Ejemplo
10XX
Son aceros sin aleación con 0,XX % de C
(1010; 1020; 1045)
41XX
Son aceros aleados con Mn, Si, Mo y Cr
(4140)
51XX
Son aceros aleados con Mn, Si y C
(5160)
La Tabla 1 relaciona la nomenclatura AISI-SAE con los valores de resistencia, ductilidad y dureza, conceptos que
se explicarán más adelante. Sirve para relacionar la composición química y las propiedades mecánicas de los
aceros. En las Tablas 2 y 3 se entrega información detallada de la composición química de diversas aleaciones
listadas en base su número AISI-SAE.
Nº SAE o
AISI
Resistencia
a la tracción
Rm
Límite de
fluencia
Re
Alargamiento
en 50 mm
Dureza
Brinell
Kgf / mm2
Mpa
Kgf/mm2
Mpa
%
1010
40,0
392,3
30,2
292,2
39
109
1015
42,9
420,7
32,0
313,8
39
126
1020
45,8
449,1
33,8
331,5
36
143
1025
50,1
491,3
34,5
338,3
34
161
1030
56,3
552,1
35,2
345,2
32
179
1035
59,8
586,4
38,7
377,5
29
190
1040
63,4
621,7
42,2
413,8
25
201
1045
68,7
673,7
42,2
413,8
23
215
1050
73,9
724,7
42,2
413,8
20
229
1055
78,5
769,8
45,8
449,1
19
235
1060
83,1
814,9
49,3
483,5
17
241
1065
87,0
853,2
51,9
509,0
16
254
1070
90,9
891,4
54,6
535,4
15
267
1075
94,7
928,7
57,3
560,9
13
280
1080
98,6
966,9
59,8
586,4
12
293
Tabla 1
En la siguente tabla se entregan los valores de resistencia y ductilidad de los aceros para uso estructural y de
barras para hormigón armado.
Grados del
Acero
Resistencia
a la tracción
Rm
Límite de
fluencia
Re
Alargamiento
en 50 mm
Kgf/mm2
Mpa
Kgf/mm2
Mpa
%
A37-24ES
37
363
24
235
22
A42-27ES
42
412
27
265
20
A52-34ES
52
510
34
324
18
A44-28H
44,9
440
28,6
280
16
A63-42H
64,2
630
42,8
420
(*)
Ensayos de tracción
Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su
comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se
coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a
medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de
tracción se muestra en la Figura 7.
Figura 7 Máquina de Ensayo de Tracción
La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad seleccionable.
La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que representa la carga aplicada, las máquinas
poseen un plotter que grafica en un eje el desplazamiento y en el otro eje la carga leída.
La Figura 8 muestra el gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un acero.
Figura 8
Curva Fuerza-Deformación de un Acero.
Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se comporta como un
resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud inicial.
Se tiene entonces que en la zona elástica se cumple:
F = K (L - L0)
F: fuerza
K: cte del resorte
L: longitud bajo carga
L0: longitud inicial
Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde aquí el
material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si se quita la carga la probeta
quedaría más larga que al principio. Deja de ser válida nuestra fórmula F = K (L - L0) y se define que ha
comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la zona plástica es el
punto de fluencia (yield point) y la fuerza que lo produjo la designamos como:
F = Fyp (yield point)
Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a un máximo en F =
Fmáx. Entre F = Fyp y F = Fmáx la probeta se alarga en forma permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud.
En F = Fmáx la probeta muestra su punto débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un
cuello.
La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la carga deje de subir. Al adelgazarse la
probeta la carga queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.
La figura 9 muestra la forma de la probeta al inicio, al momento de llegar a la carga máxima y luego de la
ruptura.
Figura 9
Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta, se dividen las cargas por
la sección transversal inicial Ao , obteniéndose:
resistencia a la fluencia:
Fy
p
yp
=
A0
resistencia a la tracción:
F
máx
ult
=
A0
Obs:
yp
ult
= Re
= Rm (en alguna literatura)
Ya realizamos trabajos prácticos
de dimensionados utilizando estos
conocimientos (estas Formulas)
Unidades : Kg/mm2 o Mpa o Kpsi
Considerando una probeta cilíndrica
Ao = (
)
Otros materiales ensayados a la tracción
material: el hule muestra
una gran ductilidad al alcanzar una gran deformación ante cargas pequeñas; el yeso y el carburo de tungsteno muestran
poca ductilidad, ambos no tienen una zona plástica; se rompen con valores bajos de elongación: son materiales frágiles.
La única diferencia entre ellos es la resistencia que alcanzan.
Figura 14
Los diagramas esfuerzo-deformación de diversos materiales varían ampliamente y diferentes ensayos de tensión con el
mismo material pueden producir resultados diferentes de acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de
carga. Sin embargo, es posible distinguir algunas características comunes a los diagramas de varios grupos de materiales
y dividirlos en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles, conceptos definidos anteriormente.
Te recomendamos consultar:
Siderurgia - Pezano
Aceros - Boss
Tecnología Industrial I y II (Todos están en la biblioteca)
http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/microsconstituyentes.html
http://www.infoacero.cl/acero/que_es.htm