MATERIALES INDUSTRIALES II. Capitulo 1 MATERIALES METALICOS. segunda parte

Transcripción

1 MATERIALES INDUSTRIALES II Capitulo 1 segunda parte

2 titanio 22 Ti

3 Titanio sus propiedades Propiedades básicas del Ti comparada con otros metales Propiedad Ti Fe Ni Al Temperatura de Fusión [ 0 C] Transformación alotrópica [ 0 C] 882 β α 912 γ α - - Estructura cristalina bcc hcp fcc bcc fcc fcc E (modulo de elasticidad) [GPa] Densidad [gr./cm 3 ] 4,5 7,9 8,9 2,7 Resistencia a la corrosión Muy alta Baja Media Alta Reactividad con el oxígeno Muy alta Baja Baja Alta Precio comparativo Muy alto Bajo Alto Medio

4 Por qué utilizar Aleaciones de Titanio Alta relación» resistencia/densidad Buenas propiedades mecánicas hasta C Alta resistencia a la corrosión Excelente biocompatibilidad Alto costo

5 Resistencia a la corrosión Adecuado en ambientes oxidantes Soluciones salinas, cloruros, hipocloritos, sulfatos, soluciones de ácido nítrico y crómico Inadecuado en ambientes reductores Ácido sulfúrico, clorhídrico, fosfórico, fluorhídrico En agua de mar potencial similar a aleaciones como : Hastelloy, Inconel, Monel y acero inoxidable Mayor resistencia a la corrosión por picado

6 estabilizadores α Neutros: Zr, Sn Isomorfos: Al, O, N, C Temperatura β α Temperatura α α+β β Ti % aleante Ti % aleante

7 estabilizadores β Isomorfos: V, Mo, Nb, Ta β eutectoides: Fe, Cr, Si Temperatura α α+β β Temperatura α α+β β α+ Ti X A Y β+ Ti X A Y Ti % aleante Ti % aleante

8 características de las aleaciones de titanio

9 diagrama Ti-Al

10 Características de aleaciones α Tienen una relativamente amplia solubilidad sólida Endurecimiento por solución sólida Resistencia moderada Monofásica o con pequeñas cantidades de 2da fase No responden a Tratamiento Térmico Buena soldabilidad Alta temperatura de transición alotrópica Buena estabilidad Térmica Baja Densidad

11 Características de aleaciones β Son las aleaciones de Ti mayor de mayor resistencia Son más densas por el alto contenido de Mo, V, Fe Responden a Tratamiento de solubilizaciòn y envejecimiento Son fácilmente deformadas en frìo (BCC) Se puede aumentar su resistencia con un posterior envejecimiento

12 Características de aleaciones α-β La más importante de estas aleaciones es Ti-6Al-4V Buena respuesta a Tratamiento Térmico Buen balance entre resistencia, ductilidad y propiedades de fatiga y fractura

13 titanio usos Chapas y flejes para uso industrial Barras para uso industrial Caños con y sin costura Tubos con y sin costura para condensadores y/o intercambiadores de calor Titanio sin alear para implantes quirúrgicos Ti 6Al 4V ELI para uso en implantes quirúrgicos Varillas y electrodos para soldadura

14 energia de la fractura Energía (trabajo) para producir a fractura Energía de superficie γs + Energía de deformación plástica γp γs : Energía por unidad de área superficial ( Joule/m2) γp: Energía por unidad de volumen ( Joule /m3) En los metales γp aprox γs

15 concentración n de esfuerzos Concentración de esfuerzos: si abrimos un hueco de radio r a través de una barra reducimos la sección transversal de la barra, con lo cual: Sn= P ( w 2r) t

16 concentración n de esfuerzos Sn = P ( w 2r) t S n : esfuerzo nominal P : carga w: ancho t: espesor El esfuerzo que se mide a los lados del hueco no es el esfuerzo nominal, sino que es mucho mayor. Los esfuerzos se concentran en el borde del hueco

17 concentración n de esfuerzos Mientras menor sea la relación del radio del hueco respecto al ancho de la barra mayor será el factor de concentración de esfuerzos Kσ, el cual Es aproximadamente 2,8 para una relación de 0,05, tal como se puede apreciar en el grafico presente

18 tenacidad a la fractura 1. La capacidad de un defecto o un concentrador de esfuerzos para ocasionar falla catastrófica depende de la tenacidad a la fractura, que es una propiedad el material 2. La concentración del esfuerzo depende de la geometría del defecto y del componente, pero no de las propiedades del material. Para predecir la resistencia a la fractura debemos predecir la severidad de la concentración del esfuerzo y la tenacidad a la fractura del material. Considerando estos puntos procedamos a investigar la evaluación cuantitativa de la tenacidad a la fractura

19 Griffith : la mecánica de la fractura del vidrio El esfuerzo para ocasionar una falla disminuye a medida que aumenta el tamaño del defecto. Desarrolló la siguiente expresión: σf : esfuerzo de fractura ( lb/pulg2 o Mpa) a: mitad de la longitud de la grieta (pulg. o m ) E: modulo de elasticidad ( lb/pulg2 o Mpa ) γs : energía necesaria para aumentar la grieta por unidad de área ( pulg.lb/pulg2 o J/m2) σ f = C π. a σf 2Eγs πa La constante C (lb./pulg2 pulg. o MPa m es proporcional a la energia necesaria para la fractura =

20 la mecánica de la fractura aplicada a los metales La diferencia en la fractura de los metales es la presencia de deformación plástica en la raíz de la grieta que se esta propagando. La tenacidad a la fractura es proporcional a la energía consumida en la deformación plástica Se utiliza un parámetro denominado factor de intensidad de esfuerzo o K I para determinar la tenacidad a la fractura de muchos materiales, que es una medida de la concentración de los esfuerzos en la raíz de una grieta aguda. Para un material agrietado la falla catastrófica ocurre cuando le factor de intensidad llega a un valor critico conocido como K Ic que precisamente se denomina tenacidad a la fractura del material KIc : tenacidad a la fractura (Mpa m ) σf : esfuerzo nominal de fractura (Mpa) a: long. de la grieta ( o la mitad s/geometría ) Y: factor adimensional función de la geometría del componente que contiene la fisura K σ f= Y Ic π a

21 la mecánica de la fractura aplicada a los metales Cuando Y = 1, K Ic es equivalente a la cte C de la ecuación de Griffith Para una grieta en el borde la longitud de la grieta es a. Para una grieta en el centro la longitud de la grieta es 2a En la ecuación anterior para una grieta en el borde el valor de a es la longitud de la grieta y para una grieta en el centro el valor de a es la longitud de la grieta dividida por dos. La relación entre la intensidad de esfuerzo K I y la tenacidad a la fractura K Ic es semejante a la relación entre esfuerzo y resistencia a la tracción. KIc = σ πa Y Para una longitud de grieta dada K I es 0 si σ es 0, y aumenta en forma lineal con el esfuerzo aplicado y la raíz de la longitud de la grieta K Ic siempre tiene un valor pues depende del material!!!

22 modos de fractura de abertura de deslizamiento de desgarramiento

23 Espesor de la muestra y tenacidad a la fractura Hemos introducido un factor de corrección geométrico Y. El ancho y el espesor también se deben tener en cuenta junto con el comportamiento estructural. El factor Y incluye estos efectos geométricos, excepto por el espesor, el cual es importante pues un material puede presentar un comportamiento dúctil en una lamina delgada y frágil en una placa gruesa

24 esfuerzo plano Consideremos que se carga en la dirección y, a) la región cercana a la muesca se comporta como si hubieran varias barras de tensión. Si cada barra se pudiera contraer libremente en la dirección x, el diametro se contraería a medida que la muestra se estirara. La relación de la deformación en la dirección x respecto a la producida por la tensión en la dirección y se denomina Relación de Poisson que para el acero tiene un valor aproximado de 0,3

25 esfuerzo plano En el material las pequeñas probetas bajo tensión no se pueden contraer entre si por lo cual aparece un esfuerzo localizado σx que impide la contracción en la dirección x. Este esfuerzo es 0 en la muesca pues no hay material y varia ver Fig. ( c ). Debido a ser delgada la muestra no se desarrolla una condición similar en la dirección z. Tenemos esfuerzos finitos solo en las direcciones x e y, que están en un plano lo cual se denomina esfuerzo plano. También debido a que las muestras delgadas se pueden contraer según z a través del espesor, la deformación en la dirección z no es igual a cero.

26 deformación n plana Usando el mismo razonamiento anterior en caso de una placa gruesa, las probetas están restringidas en la dirección z, también se desarrolla un esfuerzo en la dirección z, ya no tenemos condición de esfuerzo plano, sin embargo en el centro de la muesca no tiene libertad de estrecharse, como en el caso de la lamina delgada, pues esta restringida por la masa de material en la dirección z. La deformación en la dirección z es aprox. cero. La deformación es finita en las direcciones x e y por lo cual tenemos deformación plana.

27 variación n de la tenacidad de fractura con el espesor En resumen tenemos esfuerzo plano en muestras delgadas y deformación plana en placas gruesas. Para placas delgadas la tenacidad a la fractura se denomina K C. Para placas gruesas la tenacidad a la Fractura se denomina K IC Muchos años de ensayos han demostrado que una placa es gruesa si su Espesor 2,5. K IC σ y.s. 2 σ y.s. es la tensión de fluencia

28 tenacidad a la fractura El valor critico que causa la falla de la placa se denomina tenacidad a la fractura ( ka sub uno ce ) K IC = Y σ f πa

29 medida de la tenacidad a la fractura Para ser valido no debe haber deformación en la dirección de la entalla (z) B >> a deformación plana B = 2,5 (K IC /σ y elástico) 2 El valor de la tencidad a la fractura se usa en diseño para predecir el tamaño de fisura permitido

30 mecánica de fractura y diseño La relación mencionada esta incorporada en las normas ASTM ( American Society for Testing Materials ) E 399, para los ensayos de tenacidad la fractura. 1.La tenacidad a la fractura K IC o K C se determina por ensayos según ASTM E399 2.La longitud de la grieta a se puede determinar por inspección rigurosa o bien estimar conservadoramente. 3. El esfuerzo σ y su distribución se puede determinar por análisis de esfuerzos. Esta es una variable de diseño K σ f= Y Ic π a 2 de los 3 parámetros enunciados determina el tercero Y esta relacionado con el tamaño de la fisura adoptado Se adopta como seguridad que la longitud de la grieta sea un fracción del tamaño critico

31 tenacidad a la fractura vs. resistencia a la fluencia La tenacidad a la fractura de los metales y aleaciones disminuye a medida que aumenta la resistencia a la fluencia, por lo tanto cuando usamos un material de muy alta resistencia ( para reducir el tamaño y peso), el tamaño de las fisuras que se pueden admitir son cada vez mas pequeñas.

32 tenacidad a la fractura de aleaciones metálicas Los materiales con baja deformación plástica antes de la fractura poseen bajos valores de K IC y tienden a ser mas frágiles

33 ejemplo para resolución Dos soportes rectangulares están tensionados y se trataron para producir martensita. E soporte A es de 4340V ( Cr,Mo+V) y se dio un revenido a 427 C y el soporte B se ha revenido a 260 C. El espesor de cada soporte se ha ajustado de tal manera que cada uno soporta una tensión σ D = 60% de la resistencia a la fluencia L w a B

34 ejemplo para resolución n ( cont. ) Calcule con la sig. formula los tamaños críticos de las fisuras Dimensiones de los soportes Soporte A Soporte B L 16 pulg. 16 pulg. W 4 pulg. 4 pulg. K σ IC D = πa c 0,265 1 ac w + ac 0,857+ 0,265 w 3/ 2 a 1 c w B Propiedades del material 0,7 pulg 4340V rev a 427 C 0,59 pulg. 4340V rev a 260 C σ Y.S. 191 ksi 228 ksi Despejando a c calcule los resultados y saque sus conclusiones!!!!! σ D K Ic 115 ksi 97 ksi pulg 137 ksi 51 ksi pulg

35 fallas por fatiga Sometido a esfuerzos cíclicos rompe a una tensión muy por debajo de la que soporta estáticamente. Fallas comunes en: Ejes-Bielas-Engranajes Factores que más afectan: Concentración de tensiones Rugosidad superficial Estado superficial Medio ambiente

36 fallas retardadas : la fatiga y el agrietamiento por corrosión N I : no. de ciclos para iniciar la falla N P :no. de ciclos para la propagación de la falla N I + N P = N total La falla catastrófica se produce cuando N T =N I +N P

37 iniciación n de las grietas por fatiga Zona de iniciación de las grietas pueden ser zonas libres de defectos por la formación de pequeños concentradores de tensiones o por estado superficial

38 iniciación n de las grietas por fatiga Zona con defectos internos que pueden ser poros ( de gas ) o inclusiones no metálicas

39 propagación n de las grietas por fatiga Dos muestras idénticas I y II, sometidas a iguales cargas pero con grietas previas diferentes a I >a II, se ensayan a fatiga y durante el ensayo se para periódicamente para medir el tamaño de las grietas vs. numero de ciclos acumulados en el momento de la medición

40 propagación de las grietas por fatiga da dn A K m da velocidad de crecimiento de la fisura dn A y m constantes que dependen del material, medio ambiente, temperatura K = K máx - K mín variación del factor de intensidad de tensión

41 velocidad de propagación de las grietas por fatiga

42 propagación n de las grietas por fatiga Conclusiones 1. Cuando la longitud de la grieta es pequeña, la velocidad de crecimiento de la grieta a/ N es pequeña 2. La velocidad de crecimiento de la grieta aumenta a medida que aumenta la longitud de la grieta 3.Bajo condiciones idénticas de esfuerzo cíclico,las grietas inicialmente mas grandes se propagan y fallan en menor cantidad de ciclos 4. A igual esfuerzo cíclico e igual geometría de las muestras y de las grietas, la longitud de las grietas, en el momento de la falla será también la misma, independiente de la longitud inicial de la grieta y del numero de ciclos antes de que se Presente la falla

43 agrietamiento por corrosión n con esfuerzo ( SCC, Stress, Corrosion, Cracking) Los ambientes industriales no son inertes, además existen interacciones mas sutiles que pueden limitar la vida de servicio, una de las mas peligrosas es el agrietamiento por corrosión con esfuerzos ( SCC ) que es muy difícil de detectar porque : Los medios ambientales que son ligeramente corrosivos para el material pueden ocasionar SCC severo La presencia del componente nocivo del medio ambiente puede ser muy pequeña y su presencia difícil de detectar. El ataque puede ser muy localizado y se pueden propagar pequeñas grietas sin ser detectadas Los esfuerzos residuales son a veces suficientemente grandes y producen SCC, aún en ausencia de la aplicación de esfuerzos.

44 agrietamiento por corrosión n con esfuerzo ( SCC, Stress, Corrosion, Cracking) Variación del tiempo de falla debido a SCC Variación de la velocidad de crecimiento de la grieta con la intensidad del esfuerz

45 agrietamiento por corrosión n con esfuerzo ( SCC, Stress, Corrosion, Cracking) Recipiente conformado por embutido profundo que se agrieto en pocas horas en contacto con atmósfera no agresiva. Básicamente por altas tensiones residuales.

46 apariencia de la fractura