GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS TRANSFORMACIONES DE MATERIALES

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1 1 GUIA DE TRABAJOS PRACTICOS TRANSFORMACIONES DE MATERIALES Ing. Ana Velia Druker TRABAJO PRÁCTICO Nº 1: COMO FALLAN LOS METALES Descripción: Estudio de componentes mecánicos fallados en servicio Objetivo: Análisis de las condiciones de servicio, aspectos del diseño y otros factores que afectan al comportamiento de la pieza; determinación de las posibles causas de fallas. Mejoramiento de las propiedades mediante tratamientos térmicos. Desarrollo: Los alumnos deben leer previamente el material que se adjunta; se evalúan sus conocimientos en un cuestionario oral, y su aplicación a la observación, análisis y discusión de piezas falladas en servicio. Informe a realizar: Descripción de las piezas falladas, análisis de las causas y propuesta de mejoras Evaluación: cuestionario oral, participación en la sesión de discusión, actitud frente al problema y al grupo, criterios adquiridos para la resolución de los problemas planteados.

2 2 PROPIEDADES MECANICAS En términos generales, las propiedades mecánicas de un material se caracterizan por dos magnitudes: 1) Resistencia: oposición que presenta a ser deformado o destruido. 2) Plasticidad: Capacidad de adquirir deformación remanente (que se conserva aún después de que las fuerzas deformantes dejan de actuar), sin que se destruya. Una pequeña plasticidad o la carencia total de ella se denomina fragilidad. La magnitud de las propiedades mecánicas, esto es, los valores de las tensiones y deformaciones que modifican el estado físico del material, se determinan mediante ensayos mecánicos. Estos datos permiten a los diseñadores y constructores establecer en qué límites de cargas y en qué condiciones de servicio ese material puede ser empleado. 1- TIPOS DE TENSIONES Las tensiones son esfuerzos que surgen en el interior de los materiales como respuesta a acciones disgregantes o distorsionadoras; de acuerdo con los efectos que las provocan se clasifican en: 1) tensiones temporales: aparecen por efecto de una carga externa aplicada y desaparecen cuando ésta deja de actuar. El caso más simple son las tensiones provocadas por una fuerza de tracción axial P P Tensión = A donde P es la carga aplicada sobre una superficie A determinada, que generalmente no es perpendicular a aquella. Por lo tanto, descomponiendo la fuerza en la dirección de la superficie y en una perpendicular a ella, se pueden desarrollar tensiones normales ( ) y tangenciales ( ). 2) tensiones internas: se originan y equilibran dentro de los límites de la pieza, sin la acción de ninguna carga exterior; están relacionadas fundamentalmente con la distribución heterogénea de deformaciones en su volumen. Las que surgen durante un calentamiento o enfriamiento violento del material, como resultado de dilatación (o contracción) de las capas externas o internas, se denominan tensiones térmicas. Las debidas a procesos de cristalización, cuando las transformaciones de fase no son homogéneas en todo el volumen, son las tensiones estructurales. P 2- TIPOS DE DEFORMACIONES. ROTURA Se entiende por deformación el cambio de dimensiones y forma de la materia causado por la acción mecánica de fuerzas externas aplicadas o diferentes procesos fisico-químicos que ocurren en el cuerpo, por ejemplo, la variación de volumen de algunos cristales durante los cambios de fase, o los gradientes de temperatura.

3 3 Las deformaciones pueden ser elásticas o plásticas. Se llama deformación elástica a la que desaparece completamente cuando las fuerzas dejan de actuar; no produce cambios notables en la estructura y propiedades del material ya que los desplazamientos atómicos relativos son insignificantes. (Los átomos que se alejaron o aproximaron unos de otros durante los esfuerzos, vuelven a sus posiciones de equilibrio cuando éstos dejan de actuar). En algunos casos, por ejemplo, los metales, la magnitud de la deformación elástica es muy pequeña y depende linealmente de la carga respondiendo a la ley de Hooke: =. E donde = l/l es la deformación específica E es el módulo de elasticidad El módulo de elasticidad, es una propiedad del material que caracteriza su rigidez, esto es, su resistencia a las deformaciones elásticas; depende muy poco de la estructura y se determina por las fuerzas de enlace interatómico. He aquí los valores de E para algunos metales: Mg Al Cu Fe E, kg/mm La deformación plástica es aquella que perdura luego de la eliminación de la carga; se produce cuando las tensiones en el material superan un cierto valor f (límite de fluencia, o más bien σel, límite elástico, según se verá más adelante) a partir del cual se altera la proporcionalidad directa entre - l (Fig. 1). Este tipo de deformaciones está relacionado con el deslizamiento de las dislocaciones dentro del grano, y produce cambios residuales en la forma, estructura y propiedades. La deformación plástica de los cristales puede producirse por deslizamiento y maclaje. El deslizamiento o desplazamiento de las distintas partes del cristal, se debe a las tensiones tangenciales, cuando éstas alcanzan en el plano y en la dirección de desplazamiento, una determinada magnitud crítica ( cr). En la Fig. 2 se muestra el esquema de las deformaciones elástica y plástica de un metal con red Fig.1: Deformación en función de la tensión aplicada en un ensayo de tracción

4 4 cúbica, sometido la acción de tensiones tangenciales. El deslizamiento se produce en los planos y direcciones con mayor densidad atómica, donde la resistencia es mínima. Esto se debe a que en dichas direcciones, la magnitud del desplazamiento de cada átomo de una posición de equilibrio a otra es mínima, y la distancia entre planos atómicos es máxima, es decir, cuando se minimiza la fuerza de enlace. Otro modo de deformación plástica es el maclado, que consiste en la reorientación de una parte del cristal, a una posición simétrica a la otra, con respecto al plano (llamado plano de macla). Fig. 3. Fig. 2: Deformación elástica y plástica Fig. 3: Esquema de la formación de una macla Todo proceso de deformación, al aumentar las tensiones, termina en una rotura, que puede ser frágil o dúctil. En la rotura frágil se produce una alteración de los enlaces interatómicos bajo la acción, fundamentalmente de tensiones normales; no va acompañada de deformación plástica; comúnmente transcurre por los límites de grano y la fractura tiene carácter cristalino. Es característica de los materiales cerámicos. Entre los metales, la presentan el zinc y sus aleaciones, los aceros de baja y media aleación después de templados o a bajas temperaturas, o cuando se segregan fases frágiles en los bordes de grano. La rotura dúctil va precedida de una deformación plástica considerable; su fractura es fibrosa y opaca porque tiene lugar como resultado del corte a través de los granos. Normalmente la destrucción del material se produce por una compleja combinación de ambos tipos de rotura. 3- OTRA PROPIEDAD: LA TENACIDAD Es una medida de la cantidad de energía (expresada en Joules o kgm) necesaria para romper el material. Por ejemplo, una carga súbita o repentina de un diente de engranaje contra otro hermanado, desarrolla una cierta cantidad de energía que debe ser absorbida por el par de dientes, o uno de ellos romperá.

5 5 La tenacidad está directamente relacionada con el área bajo la curva tensión-deformación. Comparando las curvas de tres materiales distintos (Fig. 4), se puede observar que ni el de mayor resistencia, ni el más dúctil, son los más tenaces. En cambio, sí lo será un material dúctil, con la misma resistencia que uno no dúctil. El área bajo la curva indica el trabajo total realizado en deformar la probeta hasta la rotura. La tenacidad depende entonces de la resistencia y de la cantidad de deformación antes de la rotura. Existen ensayos especialmente diseñados para evaluar la tenacidad de los materiales. Los ensayos de impacto Charpy e Izod, que difieren en la forma de la probeta y el modo de aplicar la energía, son muy difundidos en ingeniería. No obstante, son más precisos los ensayos de tenacidad a la fractura, que se estudiarán más adelante. Fig. 4: Área debajo de la curva de distintos aceros. 5- FACTORES QUE MODIFICAN EL COMPORTAMIENTO EN SERVICIO DE LOS MATERIALES Las condiciones de servicio de los materiales pueden afectar sus propiedades de resistencia y plasticidad, de tal modo de provocar comportamientos contrarios a los esperados de ellos. Estas condiciones incluyen factores de carácter geométrico, físico y/o mecánico, que describiremos a continuación Factores geométricos. Efecto de entalla La distribución de tensiones en una pieza sometida a un esfuerzo, aún en el caso de tracción simple, no siempre es uniforme y homogénea en todos sus puntos; diversos obstáculos debidos, por ejemplo, a la configuración de la pieza, obligan a las líneas de tensión a efectuar cambios bruscos de dirección (Fig. 5), originándose puntos de concentración de tensiones. Alrededor de ellos las solicitaciones en el material son muy superiores al esfuerzo medio que se originaría en una distribución homogénea (Fig. 6). La relación entre la tensión máxima en el punto de concentración y el promedio que soporta la barra en la sección entallada, se denomina factor de concentración de tensiones: q m q depende de la forma de la entalla, siendo mayor cuanto más aguda y profunda sea ésta.

6 6 Fig. 5 : Efecto de las entallas sobre las líneas de tensión. Fig. 6: Distribución de tensiones en la sección entallada. El aumento localizado de los esfuerzos, puede poner a la pieza en condiciones tales que no sea capaz de soportarlos, produciéndose la rotura en la entalla cuando la tensión allí alcance el valor de la tensión de rotura del material, o sea, para un esfuerzo medio. R m q Esto es válido para materiales que no sean capaces de deformarse plásticamente, lo que prácticamente no ocurre nunca, ya que aún los más frágiles presentan algún tipo de deformación antes de romperse. En el efecto real de entalla tiene influencia la ductilidad, pudiendo definirse entonces otro factor que depende tanto de la forma geométrica y como de la ductilidad: q R donde R : esfuerzo de rotura del metal sin entalla mr mr: esfuerzo medio a que rompe el metal con entalla. Sensibilidad a la entalla Es una propiedad del metal relacionada con su plasticidad, gracias a la cual el efecto de las entallas se mantiene sólo durante el período de deformación elástica. Se define: Q S q 1 q 1

7 7 como q y q son mayores que la unidad, Qs varía entre 0 y 1. Si el material no se deforma plásticamente, q = q y por lo tanto, Qs = 1; si la deformación es mucha, el efecto de entalla se neutraliza ( R = mr), q = 1 y la sensibilidad a la entalla Qs = 0. Esto ocurre porque, al hacerse importante la deformación, la configuración de la entalla se modifica, suavizándose y homogeneizándose la distribución de las líneas de tensión. Por lo tanto, el efecto real de entalla es menor que el teórico y la sensibilidad disminuye cuanto mayor sea la capacidad del material de deformarse plásticamente. Justo al contrario, los peligros de las entallas son tanto mayores cuanto mayor es la resistencia y fragilidad del metal. Triaxialidad Veamos otro efecto producido por la deformación plástica en el material entallado. Cuando la probeta de la fig. 7 es sometida a tracción, cualquiera sea la forma de la entalla, debido a la concentración de tensiones en esa sección se alcanzará el límite elástico antes que en el resto de la probeta; por lo que tenderá a alargarse longitudinalmente y encogerse transversalmente. Pero esa deformación se verá impedida por la acción de las capas de material contiguas a esa sección, que aún no han alcanzado el límite elástico, generándose tensiones de dentro hacia afuera (equilibradas por otras iguales y opuestas en la zona no entallada). Así es que la sección entallada queda sometida a un sistema de tensiones triaxiales perpendiculares entre sí (fig. 8), constituido por 1 debida a la tracción exterior, 2 y 3 transversales, iguales entre sí y menores que 1, originadas como se indicó más arriba. Consideremos una parte de 1 de igual magnitud que 2 y 3, a la que denominamos t. Entre ellas se compone un sistema triaxial simétrico, de características similares a la presión hidrostática; es decir, no se producen tensiones tangenciales capaces de provocar cizallamiento. Queda entonces sólo una parte de la tensión aplicada, 1 t, en condiciones eficaces de deformar plásticamente el material. La deformación sólo será apreciable cuando el valor de la tensión axial aplicada, supere en un número K de veces al límite elástico. Es como si el metal se hubiese reforzado; si la tensión de rotura, R, fuese menor que K. el, se producirán roturas frágiles por efectos de entalla aún en metales normalmente dúctiles. Como en la práctica K, denominado coeficiente de constricción, nunca supera el valor 3, si R > 3. el, se garantiza ductilidad en la entalla. Fig. 7: Probeta entallada sometida a tracción. Fig. 8: Sistema de tensiones triaxiales.

8 Factores físicos Efecto de la temperatura Los procesos de deformación y rotura dependen de los enlaces atómicos y de los desplazamientos de los átomos en los planos cristalográficos. La temperatura, que rige los fenómenos de dilatación y contracción separando o acercando los átomos entre sí, provocará modificaciones en sus fuerzas de enlace. Simultáneamente, debido a su influencia sobre la velocidad de difusión, facilitará o impedirá los desplazamientos atómicos. Por lo tanto, las altas temperaturas facilitan la deformación, provocan la disminución del límite elástico, el aumento de la ductilidad y la disminución de la resistencia a la rotura. Bajas temperaturas provocan, por el contrario, aumento en la resistencia a la deformación y disminución de la ductilidad, pudiendo aparecer roturas frágiles en metales que a temperatura ambiente tienen un comportamiento dúctil o tenaz. En general, la transición dúctil fràgil se da bruscamente a un valor de temperatura crítica, que será tanto más baja cuanto mayor sea la plasticidad del metal. Efecto del tiempo: Impacto Largos tiempos de aplicación de la carga permitirán que efectos lentos se hagan sensibles, apareciendo como fenómenos nuevos, que pasarían inadvertidos si los tiempos fueran breves. Como la deformación plástica importa desplazamientos de planos atómicos, si la carga es aplicada tan rápidamente como para no dar tiempo a que se produzcan esos desplazamientos, el material puede llegar a romperse sin deformarse. Las cargas de impacto, elevan el límite elástico del metal y disminuyen su deformación plástica o ductilidad. Permanencia de la carga. Fluencia: Como ya es de conocimiento de los estudiantes, durante el periodo de deformación plástica se produce un aumento de resistencia debido a la multiplicación de dislocaciones, denominado acritud. Este aumento es necesario para soportar la carga aplicada, siempre que ésta sea inferior a la de rotura. Aunque la difusión a temperatura ambiente es muy lenta, si la carga permanece durante cierto tiempo, se van produciendo desplazamientos atómicos para bajar el nivel de energía en el metal, destruyendo el estado de acritud. Esto implica una pérdida en la resistencia; para poder seguir soportando la carga aplicada, el material deberá deformarse más y reponer la acritud perdida. Fig. 9 Fig. 9: Fluencia lenta en el tiempo

9 9 Por lo tanto, la permanencia de una carga superior al límite elástico dará lugar a que se produzcan en el metal deformaciones más allá de la deformación inicial, en un proceso denominado fluencia lenta o creep. Éste depende de la naturaleza de los materiales y de la capacidad de difusión de sus átomos: es tanto mayor cuanto menor es su temperatura de fusión. Lógicamente, el efecto de fluencia lenta aumenta cuando aumenta la temperatura de trabajo del metal. Acciones enfragilizadoras Hemos visto que existen ciertos factores que inducen al material a comportarse frágilmente; ellos son: el efecto de entalla, las bajas temperaturas y las cargas aplicadas rápidamente. Cuando las tres condiciones se dan simultáneamente, el material tiene más posibilidad de perder plasticidad, y romperse frágil. Los metales de estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo presentan el fenómeno de transición dúctil-frágil. En estos casos, un modo de evaluar la tenacidad es mediante la determinación de la temperatura critica de transición dúctil frágil en ensayos de impacto sobre probetas entalladas, es decir, en condiciones tales que esa temperatura no sea demasiado baja. En el ensayo Charpy (Fig. 10), la probeta se coloca en la máquina sobre dos apoyos, de manera tal que el golpe del péndulo tiene lugar justamente sobre la sección entallada. El péndulo de masa G es elevado a la altura h1; al caer, destruye la probeta y sigue hasta otra altura h2<h1, diferencia que marca el trabajo que efectuó el péndulo para romper la probeta, y que se puede calcular de tablas o de la formulación matemática correspondiente. Este trabajo permite determinar la resiliencia o energía de impacto, dividiendo su valor por el área de la sección entallada de la probeta. Para determinar la temperatura de transición, el ensayo se realiza en una serie de probetas a distintas temperaturas. Hay tres criterios de determinación: 1) la energía absorbida, 2) el aspecto de la fractura, y 3) la ductilidad en la entalla. Fig. 10: Ensayo de impacto. a) Máquina b) probeta c) Esquema del ensayo

10 10 En la figura 11, se representa la energía absorbida en función de la temperatura; siguiendo el primer criterio, la temperatura crítica corresponde al valor de energía absorbida igual a 2,07 kgm. Según el segundo criterio, la transición queda determinada por el valor de temperatura para el cual el 50% de la sección fracturada tiene aspecto dúctil y el otro 50%, frágil. El tercer criterio corresponde a la temperatura por encima de la cual se iniciará una grieta frágil solamente luego de un proceso plástico considerable en la base de la entalla. El criterio más ampliamente utilizado es el de la Energía Absorbida. Por último, cabe agregar que las acciones enfragilizadoras deben tenerse muy en cuenta, seleccionando materiales tenaces, con una adecuada relación de resistencia y plasticidad para evitar las tan peligrosas roturas frágiles. Fig.11: Determinación de la temperatura de transición Factores mecánicos Acción de contacto Se refiere a la trasmisión de esfuerzos a través de las piezas, ya sea por compresión de un material contra otro, o por fricción, con mayor a menor compresión. En el primer caso, de acuerdo al esfuerzo transmitido, se producirán deformaciones en el punto de contacto; sólo es admisible que la magnitud de estas deformaciones sea muy pequeña, por lo que el material deberá trabajar dentro del periodo elástico; además, cuanto mayor sea el módulo de elasticidad, menores serán las deformaciones producidas. Por otro lado, si en alguna de las piezas se supera el limite elástico (o en las dos), la deformación será mayor en aquélla con menor sensibilidad a la acritud. La propiedad de resistencia a la deformación por acción de contacto, se denomina dureza; depende del límite elástico, el módulo de elasticidad y la sensibilidad a la acritud. Los materiales más duros son los que mejor comportamiento tendrán ante las acciones de contacto. Pero este incremento del limite elástico que implica la dureza, puede ser perjudicial en piezas sometidas a impacto, donde es necesario conservar una alta tenacidad; en estos casos la solución pasa por endurecer sólo las capas superficiales de un metal con bajo límite elástico, proporcionándole así buena resistencia a la acción de contacto unida a alta tenacidad másica. Para que la dureza másica difiera de la dureza superficial, se deben efectuar sobre las piezas los tratamientos adecuados.

11 11 Resistencia al desgaste Es la propiedad característica en el caso que la acción de contacto sea por fricción. El coeficiente de fricción disminuye al aumentar la dureza de los materiales, ya que éstos serán capaces de soportar mayores esfuerzos sin deformación plástica, pérdida de material, ni roturas. Pero el proceso de desgaste es tan complejo que no puede asegurarse absolutamente que la fricción sea siempre menor en los materiales más duros 1. En el desgaste por fricción es fundamental el acabado superficial de las piezas. Durante el rozamiento, las rugosidades chocan entre sí provocando puntos de contacto en los que las presiones son muchísimo más elevadas que la presión media de las superficies, y por consiguiente se sufren fuertes deformaciones locales, que pueden llegar al arranque de material con grandes elevaciones de temperatura. Este efecto de desgaste por deformación y por arranque será creciente debido a la disminución de resistencia que implica la alta temperatura y seguirá provocando mayores aumentos de temperatura, pudiendo llegar a soldar los metales y producir el agarrotamiento del conjunto. Pero aún cuando la terminación superficial sea lo más perfecta posible, en ese extremo, las fuerzas de atracción interatómicas entre ambas superficies se opondrán al desplazamiento ocasionando un frotamiento que calentaría los metales, disminuyendo su resistencia y originando nuevamente desgastes. Surge entonces que los metales sometidos a fuertes rozamientos (como son los cojinetes de rodillos o los engranajes) deberán ser de alta calidad tecnológica, de elevada resistencia y muy fina terminación superficial. Y la imposibilidad de anular la fricción obliga a separar las superficies mediante el uso de lubricantes que, al mismo tiempo cumplirán funciones de refrigerante en el caso de producirse contactos metálicos. En resumen, buen ajuste y terminación de las superficies metálicas, buena resistencia al desgaste y correcta lubricación, conducirán a una mayor duración de piezas que trabajan al desgaste por fricción. Tensiones internas Como resultado de diversos procesos de fabricación (deformación, soldadura, etc) las piezas pueden quedar con tensiones internas que se sumarán o restarán a las cargas de trabajo, pudiendo producir efectos enfragilizadores por triaxialidad. De este modo, se modificará el estado de tensión general del material con la consiguiente posibilidad de aumento o disminución de resistencia o fragilidad. Fatiga: comportamiento del material sometido a esfuerzos variables El fenómeno de fatiga se origina en los materiales como consecuencia de la aplicación de cargas alternativas, intermitentes o pulsatorias. En la figura 12 se muestran los tres modos de variación de tensión para piezas como bielas (alternativo), tornillos (intermitente) y cigüeñales o árboles de leva (pulsatorio). Si bien es cierto que los esfuerzos medios son inferiores al límite elástico del material, la fatiga se produce porque en un punto próximo a la superficie, se originan esfuerzos locales (por concentración de tensiones) que sobrepasan el límite elástico del material. En consecuencia se pierde cohesión en ese punto y comienza a incubar una grieta que se propaga hasta producir la rotura. 1 De hecho, tienen excelente resistencia al desgaste los aceros austeníticos

12 12 La fractura característica está compuesta de dos zonas (fig. 13). La primera, llamada zona de fatiga, es una superficie lisa, formada paulatinamente a partir de una rnicrogrieta que se desarrolla en macrogrieta como resultado de la repetida acción de la carga sobre la pieza. Después que la grieta de fatiga ocupa una parte considerable de la sección, tiene lugar la rotura en la segunda zona, llamada fractura remanente; en los metales frágiles es de una estructura cristalina qruesa, y en los dúctiles, fibrosa. La diferencia entre ambas zonas indica el valor de los esfuerzos a que estuvo sometida la pieza. La grieta generalmente se forma en la superficie, donde se concentran las máximas tensiones de tracción La resistencia a la fatiga se caracteriza por el límite de fatiga, la mayor tensión que aplicada N veces, no provoca la destrucción del metal (N es un número grande dado en las especificaciones de la pieza). Su valor se obtiene mediante el ensayo de fatiga, que consiste en la aplicación de una carga de flexión sobre probetas giratorias, en al menos seis Fig. 12: Modos de fatiga probetas. La primera se ensaya a una tensión 1 que para el acero es igual a 0,6. R. Con ésta se determina el número de ciclos N que ocasiona la rotura de la probeta. Para la segunda y posteriores probetas la tensión es 2, 3, etc, cada vez disminuida o aumentada en 2 ó 4 Kg/mm 2 en dependencia del número de ciclos que produjo la rotura de la primera probeta. Los resultados de los ensayos se llevan a un diagrama con coordenadas tensión -número de ciclos n, en escala proporcional o logarítmica (figura 14). La zona horizontal, es decir, la tensión máxima que no ocasiona rotura a un número infinito de ciclos de variación de cargas, corresponde al límite de fatiga. Fig. 13: Fractura de fatiga Fig. 14: Curva de ensayo de fatiga.

13 13 El límite de fatiga depende de los siguientes factores: 1) la tensión media aplicada 2) la amplitud de la carga (figura 15) 3) el diseño geométrico 4) las condiciones superficiales: buen mecanizado, perdigonado (con perdigones de 0,1 a 1 mm) para crear tensiones de compresión 5) los tratamientos de endurecimiento superficial por agregado de carbono, nitrógeno, etc; aumentan la dureza y las tensiones de compresión en la capa exterior 6) influencia del medio: fatiga térmica (con restricciones mecánicas), fatiga con corrosión. Fig. 15: Efecto de la amplitud de los ciclos de carga sobre el límite de fatiga En la fig. 16 se muestran las fracturas por fatiga en piezas sometidas a distintos tipos y niveles de esfuerzos, con y sin entallas, en secciones circula-res y rectangulares.

14 14 NIVEL DE CONCENTRACION DE TENSIONES ELEVADA TENSION NOMINAL BAJA TENSION NOMINAL SIN MEDIA ALTA SIN MEDIA ALTA Tracción-tracción o tracción-compresión Fig. 16: Representación esquemática de superficies fracturadas por fatiga en piezas redondas con y sin entallas, y en secciones cuadradas y rectangulares. Flexión unidireccional Flexión alterna Flexión rotativa Torsión

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16 16 TRABAJO PRÁCTICO Nº 2: MICRODUREZA VICKERS Descripción: Dureza Vickers; concepto, macro y microdureza, preparación de la muestra para ensayo. Objetivo: Conocimiento y aplicación del método de microdureza Vickers, particularmente para la determinación de la profundidad de capa efectiva de piezas tratadas superficialmente. Desarrollo: Los alumnos deben leer previamente el material que se adjunta; se evalúan sus conocimientos en un cuestionario oral, y se practican mediciones de microdureza en el Durométro Shimatzu disponible en la facultad. Informe a realizar: Descripción del procedimiento de medición; determinación de la profundidad de capa efectiva en una pieza cementada. Evaluación: cuestionario oral, participación en la sesión de discusión, actitud frente al problema y al grupo, criterios adquiridos para la resolución de los problemas planteados.

17 17 MICRODUREZA VICKERS CONCEPTO DE DUREZA La dureza del metal está definida usualmente como la resistencia a la indentación permanente. El principio general del ensayo es que la indentación marcada en el metal debe ser realizada bajo condiciones especificadas de cargas y tiempo de exposición; la medida de la dureza se determina midiendo el tamaño o la profundidad de la huella obtenida. El propósito principal del ensayo de dureza es determinar las características del material y del tratamiento en particular a que ha sido sometido. La dureza no es una propiedad fundamental del metal; varía de significado de acuerdo al método utilizado. Los valores de dureza son en realidad arbitrarios y no existen standards absolutos de dureza. Es de práctica corriente dividir los métodos de dureza en dos categorías, macrodureza y microdureza. Macrodureza y microdureza La macrodureza se refiere al ensayo con cargas superior a 1Kg; se aplica, por ejemplo, en herramientas, matrices y planchas de material de grandes dimensiones. La microdureza se practica con cargas de l000gr. y menores, para piezas muy finas (hasta de 0,013mm de espesor), piezas con endurecimiento superficial, determinación de profundidad de capa efectiva, etc. Dentro de los ensayos de microdureza deben distinguirse la dureza Knoop y el método de la pirámide de diamante o Vickers. Dureza Vickers Entre los múltiples métodos de dureza conocidos, la prueba de Vickers ha encontrado una gran difusión porque abarca todo el campo técnico de la dureza y supera en exactitud a los otros métodos. Consiste en producir una huella mediante una pirámide de diamante y medirla ópticamente. La pirámide de Vickers (Fig. 17) es de base cuadrada y el ángulo de la punta entre las superficies opuestas de la misma, es de 136º. La profundidad de penetración es igual a la séptima parte de las diagonales de la huella. Si se expresa en gramos la fuerza de prueba P, y el valor medio de las diagonales de la huella en micrones, entonces la dureza Vickers es: kg HV cm ,5. P 2 d Preparación de la muestra Para obtener la medida exacta de la longitud de las diagonales de la indenta, es preciso contar con una superficie preparada de tal forma que permita realizar dicha operación sin dudas. En la mayoría de los casos, si las circunstancias lo permiten, se suele montar en bakelita el trozo de la pieza que se desea

18 18 analizar. A continuación se la somete al mismo proceso de pulido, lija y paños, que para el preparado de una probeta metalográfica, o sea, una superficie lo más exenta posible de rayas y marcas. En casos especiales, donde se requiere observar en qué punto comienzan a aparecer ciertos tipos de estructuras o identificar alguna fase, se lo puede atacar con los reactivos correspondientes y luego se procede a tomar las indentaciones. Fig. 17: Penetrador Vickers Control del equipo por medio de placas patrón A los efectos de realizar el control correspondiente del equipo, se cuenta con placas patrón, cuyos valores certificados, se encuentran grabados en los costados las mismas. La superficie dispuesta para realizar las improntas está pulida a espejo; se deben guardar impregnadas con vaselina neutra para evitar la oxidación. En ningún caso se pueden utilizar las dos caras de la placa para efectuar las improntas; tampoco se aconseja rectificar las caras, dado que un leve calentamiento puede provocar una estimable variación del valor patrón. Aplicaciones Son muchas las aplicaciones del ensayo de microdureza; se las clasifica dentro de las siguientes categorías: a) Pequeñas piezas de precisión b) Determinación de la profundidad de capa efectiva c) Materiales de escaso espesor y diámetros pequeños d) Exploración de pequeñas áreas e) Dureza de constituyentes t) Dureza cerca del borde a) Pequeñas piezas de precisión A menudo es importante conocer la dureza de las partes de un reloj u otras piezas de tamaño pequeño. Para realizar tal ensayo es necesario montarlas en bakelita y luego proceder al pulido correspondiente hasta dejar la superficie especular.

19 19 b) Determinación de la profundidad de capa efectiva La toma de dureza en gradiente en piezas cementadas, nitruradas o endurecidas por temple por inducción es de gran valor para el metalurgista, ya que es uno de los métodos más exactos para la determinación de la profundidad de capa efectiva (distancia desde la superficie a donde se alcanza una dureza de HRc 50 para piezas cementadas y templadas, y HRc 45 para piezas templadas por inducción). c) Materiales de escaso espesor y diámetros pequeños Es de práctica corriente realizar ensayos en materiales de escaso espesor con bajas cargas, del tipo Vickers, pudiendo llegarse a determinar valores de dureza en chapas de hasta 0,013 mm. Para determinar la carga que debe aplicarse de acuerdo al espesor de la pieza a ensayar, se utiliza el diagrama dureza vs. carga, de la fig. 18: Fig. 18: Determinación de la carga apropiada en función del espesor de material. Ejemplo: Determinar la carga para ensayar una chapa de 0,076mm de un espesor, de un material de dureza estimada en Rockwel B-90. De acuerdo a las tablas de conversión (o gráfica de página 21), HRb 90 es equivalente a HV 165; del diagrama se obtiene que la carga máxima que puede aplicarse es de 280gr, por lo tanto debe utilizarse, dentro de las que permite la máquina:, la carga de 200 gramos. d) Exploración de pequeñas áreas Una de las aplicaciones más comunes de exploración de áreas afectadas por el calentamiento y/o tratamiento térmico, es en soldadura, ya que el cambio de estructura está íntimamente ligado con la dureza. e) Dureza de constituyente Se suele usar el método Vickers para la determinación de la dureza de los constituyentes de una microestructura como por ejemplo, los carburos en un acero de herramientas. También se puede detectar áreas que han sufrido un excesivo calentamiento cuando las piezas son sometidas a la acción cortante de una herramienta; la elevación de temperatura produce un cambio en la estructura.

20 20 f) Dureza cerca del borde Esta práctica se realiza frecuentemente con varios objetivos: en el caso de piezas cementadas o nitruradas, la toma de microdureza en el borde está orientada a detectar cualquier problema de concentración de carbono o nitrógeno, que implicaría disminución de dureza hasta cierta profundidad. También se controlan tratamientos como el cromado, o simplemente la posibilidad de que la pieza se haya descarburado. (Fig. 19) Fig. 19: Dureza cerca del borde En la Fig. 20 se adjunta una gráfica de equivalencias entre métodos de dureza, aplicable a aceros con dureza uniforme.

21 21 Fig. 20: Equivalencia entre métodos de dureza, aplicable a aceros con dureza uniforme.

22 22 INFORME TRABAJO PRÁCTICO Nº 2: MICRODUREZA VICKERS A: Fech a: De: Objetivo: Conclusión: Descripción: Acero: Carga aplicada: Valores de dureza: Distancia Diagonal HV Gráfico distancia vs. Dureza: Profundidad de capa efectiva:

23 23 TRABAJO PRÁCTICO Nº 3: TRATAMIENTOS CON ENFRIAMIENTO LENTO Descripción: Análisis de estructuras obtenidas mediante tratamientos con enfriamiento lento, en aceros de bajo, medio y alto porcentaje de carbono, de baja y media aleación. Objetivo: Relacionar estructuras con propiedades mecánicas. Adoptar criterios para efectuar tratamientos térmicos. Desarrollo: Los alumnos deben leer previamente el material que se adjunta; se evalúan sus conocimientos en un cuestionario oral. Observación en el microscopio óptico de estructuras normales y con defectos, obtenidas con diferentes velocidades de enfriamiento. Controles de dureza y comparación con la microestructura. Informe a realizar: Descripción de lo observado en el microscopio y valores de dureza; relación con propiedades mecánicas y aplicaciones de los diversos casos. Evaluación: cuestionario oral, participación en la sesión de discusión, actitud frente al problema y al grupo, criterios adquiridos para la resolución de los problemas planteados.

24 24 TRATAMIENTOS CON ENFRIAMIENTO LENTO Recocidos y normalizados Estos tratamientos tienen por objeto obtener estructuras próximas a las de equilibrio. El recocido, con mayor tiempo para que actúe la difusión del carbono, mejora la homogeneidad química y estructural, la maquinabilidad y la deformabilidad. El normalizado, con velocidades de enfriamiento algo más rápidas, produce un afinamiento del grano, y crea las condiciones óptimas para un tratamiento posterior. La primera fase consiste es el calentamiento, elevando la temperatura hasta la austenización para provocar la recristalización del grano. En el diagrama Fe-C (fig. 21), será entre 20 y 30ºC por encima de Ac3 para los aceros hipoeutectoides, y entre 20 y 30ºC sobre Ac1 para el recocido de los hipereutectoides, pues no se pretende disolver la cementita. Fig. 21: Porción del diagrama Fe-C Fig. 22: Tratamiento de normalizado en un diagrama TC. En el normalizado, el enfriamiento se realiza al aire con lo que se obtiene una estructura perlítica si el acero es eutectoide, de perlita fina a mediana y ferrita reticular si es hipoeutectoide, y perlita y cementita en los hipereutectoides. En el diagrama TTT (Fig. 22), será un corte de las curvas de inicio y fin de transformación en la zona perlítica. En el recocido de aceros hipoeutectoides habrá perlita gruesa a mediana y en los límites de grano ferrita reticular en mayor proporción. En el caso de aceros de 0,30 % de C o menos, también se forma ferrita en los granos. La marcha del proceso es la graficada en la fig. 23. Fig. 23: Marcha del proceso de recocido.

25 25 Aplicaciones de los tratamientos con enfriamiento lento 1) Recristalizar un grano que fue deformado en frío eliminando tensiones provocadas por la deformación, para retornarlo a las condiciones físicas normales. 2) Eliminar las bandas de ferrita en aceros deformados por forja o en algunas laminaciones. Las bandas se producen cuando hay un alineamiento de impurezas que actúan como núcleos de crecimiento para la ferrita. Durante el tratamiento habrá difusión de carbono por gradiente, homogeneizándose la composición química de la austenita. Si el enfriamiento fuera demasiado lento, se correría el riesgo de que vuelvan a formarse las bandas, ya que este tratamiento no modifica las inclusiones; de allí que deberá ser algo más rápido que para el normalizado común (aire agitado). Fig ) Eliminar tensiones o una estructura de tratamiento térmico incorrecto. 4) Mejorar la zona afectada por el calor en estructuras soldadas. 5) Eliminar la estructura dendrítica en piezas fundidas, donde la ferrita aparece en forma de agujas (estructura de Widmanstätten). Es decir, con estos tratamientos se logran condiciones de maquinado adecuadas, se eliminan tensiones y se mejora la realización de un tratamiento térmico posterior. Fig. 24: Tratamientos de normalizado, normalizado en aire agitado y recocido, en un diagrama TC. Modificaciones del proceso 1) Recocido isotérmico: Desde una temperatura por encima de Ac3 se enfría relativamente rápido hasta la temperatura deseada, manteniéndola hasta la transformación total de la austenita en perlita; ésta resultará homogénea en todos los granos, con distancia interlaminar uniforme. (Fig. 25). El enfriamiento final puede realizarse en cualquier medio pues ya no habrá más transformación. La elección de la temperatura determinará la estructura final deseada. Cuanto más cerca esté de Ac1, el acero resultará más blando, de mayor tamaño de grano, ferrita en proporciones de equilibrio y perlita más gruesa; cuanto más baja sea la temperatura de reacción, la resistencia mecánica será mayor. Es el tratamiento más adecuado para eliminar bandas de ferrita, cuando se utiliza una temperatura inferior a la nucleación de aquella. 2) Patentado: se realiza a temperaturas correspondientes a la zona de la nariz del diagrama (entre perlita fina y bainita superior). Se emplea en alambres o laminillas que luego serán estirados en frío. 3) Recocido de eliminación de tensiones: Es un proceso a temperaturas inferiores a Ac1 para modificar determinadas estructuras sin provocar recristalización. Se realiza luego de la soldadura de piezas templadas o para eliminar tensiones de enrollado en un resorte.

26 26 Fig. 25: Recocido isotérmico Fig. 26 Fig. 27 4) Recocido de ablandamiento o globulizado: Se trata de una fluctuación de temperatura alrededor de Ac1 (Fig. 27) con el objeto de producir la coalescencia de la cementita (nucleación esférica) en aceros de alto carbono. Se logra así la estructura más blanda para cada composición: matriz ferrítica y cementita globular. 5) Recocido de embastecimiento de grano: Se realiza a unos 200ºC por encima de Ac3, de manera de provocar una mayor difusión atómica, permitir la difusión de impurezas y, por lo tanto, obtener una estructura de grano grande con mejor distribución de las mismas. (Fig. 28) 6) Recocido de difusión u homogenización: Elevando la temperatura unos 350ºC por encima de Ac3 se logra disolver el fósforo y evitar la formación de bandas de ferrita y perlita en forma permanente. (Fig. 29) 7) Austempering (temple bainítico): tiene por objeto la obtención de una estructura bainítica. Para ello se calienta la pieza unos 30ºC por encima de Ac3 y se templa en un baño de sales que se encuentre a la temperatura deseada, siempre por debajo de la nariz en el diagrama TTT. Se logra una elevada dureza con propiedades mecánicas adecuadas y buena resistencia al impacto. (Fig. 30)

27 27 Fig.28: Recocido de embastecimiento de grano Fig.29: Recocido de difusión u homogenización Fig.29: Austempering, representado en un diagrama TI.

28 28 TRABAJO PRÁCTICO Nº 4: TRATAMIENTOS CON ENFRIAMIENTO RAPIDO Descripción: Análisis de estructuras obtenidas mediante tratamientos con enfriamiento rápido, en aceros de bajo, medio y alto porcentaje de carbono, de baja y media aleación. Objetivo: Relacionar estructuras con propiedades mecánicas. Adoptar criterios para efectuar tratamientos térmicos evitando las fallas. Desarrollo: Los alumnos deben leer previamente el material que se adjunta; se evalúan sus conocimientos en un cuestionario oral. Realización en el taller, del temple de aceros de medio carbono en medios de distinta severidad. Preparación de probetas. Observación en el microscopio óptico de estructuras normales y con defectos. Controles de dureza y comparación con la microestructura. Informe a realizar: Descripción de lo realizado en taller y lo observado en el microscopio, adjuntando los valores de dureza; relación con propiedades mecánicas y aplicaciones a los diversos casos. Evaluación: cuestionario oral, participación en la sesión de discusión, actitud frente al problema y al grupo, criterios adquiridos para la resolución de los problemas planteados.

29 29 TRATAMIENTOS CON ENFRIAMIENTO RÁPIDO El tratamiento térmico de temple consiste en austenizar el acero, y enfriarlo lo suficientemente rápido para evitar la difusión del carbono, impidiendo los procesos de nucleación y crecimiento, de modo de llegar a temperatura ambiente, luego de pasar por Ms, sin tocar la nariz del diagrama TTT correspondiente a ese acero, (Fig. 30). La austenita se transforma por cizallamiento de sus planos atómicos en una nueva estructura denominada martensita. Por estar impedida la difusión del carbono durante la transformación alotrópica -, la martensita resulta una solución sólida sobresaturada, con un alto grado de distorsión en la red; la estructura cristalina es tetragonal centrada con el C ubicado en las aristas de mayor longitud. Esta distorsión es lo que proporciona la elevada dureza de la martensita. Fig. 31: Variación de la dureza en el revenido de distintos aceros de 0,45% C. Fig. 30: Marcha del proceso. Siendo la martensita una estructura tensionada y frágil, luego del temple es necesario realizar un revenido; esto es calentar el acero martensítico con el objeto de provocar una disminución en el grado de distorsión y de la tetragonalidad de la red. La estructura obtenida se denomina martensita revenida, y su dureza es función de la temperatura de revenido, como se observa en la figura 31. La elección del acero para una aplicación determinada, se realiza en función de la dureza requerida y de las posibilidades de revenido, de manera de obtener una estructura lo menos frágil posible. El porcentaje de carbono proporciona la dureza; en cambio, los elementos aleantes actúan desplazando a la derecha la curva TTT, mejorando la templabilidad. Debido al aumento en la sobresaturación de la estructura, la fragilidad de la martensita aumenta con el porcentaje de C; por lo tanto debe elegirse el menor posible para la dureza requerida. De ahí la importancia de los aleantes; con un acero aleado de menor porcentaje de carbono, pueden obtenerse las mismas propiedades de temple que con un SAE Se denomina TEMPLE al tratamiento para obtener estructuras martensíticas. El enfriamiento es continuo y deben tenerse en cuenta dos aspectos fundamentales: 1) elegir el acero de menor porcentaje de carbono posible 2) elegir el medio de enfriamiento menos severo posible, para evitar distorsiones y disminuir las posibilidades de fisuras. Modificaciones del Proceso: Temple interrumpido

30 30 El enfriamiento se realiza en agua hasta aproximadamente 450ºC, por debajo de la nariz de la curva S, y luego se continúa en aceite, disminuyendo las posibilidades de fisuras. Fig. 32. Fig. 32: Temple interrumpido

31 31 TRABAJO PRÁCTICO Nº 5: ENSAYO JOMINY Descripción: Ensayo de templabilidad Jominy Objetivo: Determinación de la templabilidad de aceros al carbono y aleados. Profundidad de temple. Determinación del diámetro crítico. Relación con diámetros equivalentes. Desarrollo: Los alumnos deben leer previamente el texto; se evalúan sus conocimientos en un cuestionario oral. Realización en el taller del ensayo Jominy en aceros al carbono y aleados. Trazado de la curva dureza vs. distancia desde el extremo templado. Comparación con las bandas normalizadas por SAE. Verificación de la especificación H. Planteo de un problema de aplicación Informe a realizar: Descripción de lo realizado en taller, medidas de dureza, gráfico sobre el papel normalizado con el trazado de la curva obtenida y la banda Jominy del acero. Conclusiones. Solución al problema planteado. Evaluación: cuestionario oral, participación en la sesión de discusión, actitud frente al problema y al grupo, criterios adquiridos para la resolución de los problemas planteados.

32 32 Fig. 33: Dimensiones de la probeta Jominy Fig. 34: Probeta Jominy en el dispositivo de temple en agua y en aceite agitados Fig. 35: Equivalencias en la velocidad de enfriamiento entre la probeta Jominy y barras redondas templadas. Temperaturas de austenización para el normalizado previo y el temple, para probetas Jominy Contenido de C, % Normalizado Temple Aceros series SAE 1000, 1300, 1500, 4000, 4100, 4300, 4600, 5000, 5100, 6100, 8600, 8700, Hasta 0, ,26-0, ,37 y más Aceros series SAE 4800, 9200 Hasta 0, ,26-0, ,37 y más ,50 y más (9200)

33 33

34 34 TRABAJO PRÁCTICO Nº 6: TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS Descripción: Análisis de las estructuras obtenidas con tratamientos termoquímicos de endurecimiento superficial: cementación, nitruración, carbonitrurado. Objetivo: Relacionar estructuras con propiedades mecánicas. Adoptar criterios de selección y aplicación. Reconocer las posibles fallas en los procesos. Proponer acciones para evitarlas. Desarrollo: Los alumnos deben leer previamente el material de texto de la cátedra y contestar el cuestionario adjunto; evaluación de sus conocimientos. Observación en el microscopio óptico de estructuras normales y defectuosas obtenidas mediante cementación, nitruración y carbonitrurado. Determinación de la profundidad de capa efectiva utilizando el ensayo de microdureza. Informe a realizar: Descripción de lo observado con el microscopio. Valores de microdureza, profundidad de capa efectiva, y aplicaciones a casos concretos. Evaluación: cuestionario oral, participación en la sesión de discusión, actitud frente al problema y al grupo, criterios adquiridos para la resolución de los problemas planteados.

35 35 Cuestionario: Cementación 1- Cuáles son las propiedades que se busca obtener mediante la cementación de una pieza? 2- Cuáles son los aceros que se utilizan? 3- Cuáles son las etapas del proceso de cementación gaseosa? 4- Qué tipo de atmósfera se requiere para el proceso de cementación en fase gaseosa? 5- Qué se entiende por gas portador o endotérmico? 6- Qué función cumple el gas cementante? 7- Cuáles son los métodos más empleados para el control de la atmósfera? 8- Qué sucede si se incrementa el potencial de carbono más allá de la saturación de la austenita? 9- Cómo influye el incremento de la temperatura en la penetración de carbono? 10- Cómo se realiza la cementación sólida? 11- Cuáles son las ventajas y desventajas de la cementación en caja? 12- Describa el proceso de cementación en baño de sales. 13- Qué activadores se usan en los métodos de cementación sólida y líquida? 14- Qué diferencia resulta de la cementación con temple directo y de la homogeneización de temperatura y temple directo? 15- Cuál es la diferencia entre la cementación con temple único sin afino del grano y una con afino del grano del núcleo? 16- Qué es una cementación con temple único y recocido intermedio? 17- Qué es una cementación con doble temple y afino del núcleo? 18- Cómo se determina la penetración de carbono?. Gradiente de dureza.

36 36 TRABAJO PRÁCTICO Nº 7: TEMPLES SUPERFICIALES Descripción: Análisis de las estructuras obtenidas mediante los tratamientos de temple por inducción y a la llama. Objetivo: Relacionar estructuras con propiedades mecánicas. Adoptar criterios de selección y aplicación. Reconocer las posibles fallas en los procesos. Proponer acciones para evitarlas. Desarrollo: Los alumnos deben leer previamente el material de texto de la cátedra y contestar el cuestionario adjunto; evaluación de sus conocimientos. Realización en el laboratorio de temples por inducción en aceros de distinto porcentaje de carbono, con distintos tiempos de excitación. Preparación de probetas, observación metalográfica, control de la profundidad de capa. Conclusiones comparativas. Observación en el microscopio óptico de estructuras normales y defectuosas en aceros y fundiciones, obtenidas mediante temples por inducción y a la llama. Informe a realizar: Descripción de lo realizado en taller y lo observado con el microscopio. Profundidad de capa efectiva. Aplicaciones a casos concretos. Evaluación: cuestionario oral, participación en la sesión de discusión, actitud frente al problema y al grupo, criterios adquiridos para la resolución de los problemas planteados. Diseño de inductores El diseño del inductor está relacionado con varios factores, entre los que se incluyen las dimensiones y configuración de la pieza a ser templada, la figura de temple deseada, ya sea en forma progresiva en toda la longitud o en forma estacionaria, el número de piezas a ser calentadas simultáneamente y la potencia disponible. La resistencia al campo magnético dentro del inductor es el factor básico para determinar la relación de calentamiento. Los inductores están diseñados para proveer un máximo de corriente en el inductor y acople permisible (distancia entre el diámetro interior y la pieza). Para todas las frecuencias, generalmente se utilizan caños de cobre por su alta conductividad y moderado costo. En la fig. 36 pueden observarse diseños básicos de inductores. El tubo del inductor debe ser lo suficientemente largo para permitir un adecuado flujo de agua de refrigeración. Con máquinas de baja potencia, los tubos deben ser tan pequeños como de 3,18 mm de diámetro; para unidades de 20 a 50 KW, por lo general, varían de 4,76 a 6,35 mm de diámetro. Fig. 37 Acoplamiento Las espiras de los inductores están normalmente espaciadas a 1,59 2,38 mm y a una distancia entre el diámetro y la pieza de 1,59 a 3,18 mm. Se puede ajustar la figura de temple variando el espacio entre espiras o el acoplamiento individual de las mismas. El espesor de las paredes de los conductores de cobre, usando unidades con motogeneradores es muy importante. Para una operación eficiente, el espesor mínimo de pared puede ser usado como una guía en la construcción de inductores de multiespiras.