2. INTRODUCCION
Seguiremos con un barrido muy general de los
materiales usados en el diseño mecánico, con un
énfasis en los metales, antes de revisar aspectos
geométricos del diseño.
Veremos cómo se producen algunos de ellos y a
continuación veremos algunos de los ensayos
más comunes qué se realizan para estimar su
desempeño mecánico en servicio.
Sin importar la forma del diseño habrá que deter-
minar qué material puede ser usado. Para ello es
necesario conocer las propiedades de éstos.
J.Vergara ICM2312
3. INTRODUCCION
Esta clase revisa algunos aspectos metalúrgicos
sencillos como fundamento a lo que seguirá en el
proceso de diseño mecánico.
Veremos solicitaciones mecánicas básicas a los
materiales y métodos de selección.
Finalmente, veremos cómo algunos materiales se
modifican para alcanzar un mejor rendimiento en
ambientes de operación más hostíles.
Esta sección se puede apoyar en el Capítulo 2 del
texto Diseño de Máquinas de Robert Norton.
J.Vergara ICM2312
4. MATERIALES DE INGENIERÍA
Aplicación
Ambiente
Cargas
Material
T
E, sy, sUTS, ef, sF, n, E+
r, KIC, $, Cp, k, a, … n
Comportamiento
f (si, ej,...) < sADM
Desarrollo
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5. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Veremos algunas propiedades de metales más
comunes en la ingeniería mecánica.
1 Hierros de Fundición
2 Aceros Fundidos
3 Aceros Forjados
4 Aceros de Aleación
5 Otros metales
J.Vergara ICM2312
6. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Los metales son estructuras cristalinas, i.e. BCC,
FCC, HCP, etc., que al solidificar desde un metal
fundido va consolidando ese arreglo ordenado.
Esta estructura va creciendo en forma tridimen-
sional, formando un grano.
J.Vergara ICM2312
7. ATRIBUTOS DE LOS METALES
En el caso de ciertos materiales avanzados es
posible lograr una estructura cristalinas basada
en un solo cristal, lo que ofrece particulares pro-
piedades de resistencia en ambientes hostiles.
Álabe de turbina de alta
presión fabricado a partir
de un cristal fundido de
la superaleación EMP102,
desarrollado en conjunto
por NASA-GEAE-P&W. Se
enfría lento con vibración.
J.Vergara ICM2312
8. ATRIBUTOS DE LOS METALES
El crecimiento cesa cuando el grano se topa con
los granos vecinos, lo que detiene el crecimiento
y define los parámetros de resistencia. Los bor-
des de grano son discontinuidades en la macro-
estructura, sin orden y susceptibles de defectos.
Bordes de
grano con
desprendi-
miento.
Metal puli-
do y deca-
pado para
observar
bordes.
J.Vergara ICM2312
9. ATRIBUTOS DE LOS METALES
El acero y los hierros de fundición son los mate-
riales estructurales más comunes de la industria
(más del 90% de los metales). La material prima
principal, el fierro, está en la naturaleza en forma
de óxido: magnetita (Fe3O4) y hematita (Fe2O3).
La historia registra uso de hierro miles de años
antes de Cristo, en artesanías y luego armas. Las
aplicaciones son múltiples, según el contenido
de carbono y de otros elementos de aleación.
El acero difiere del hierro al removerse una parte
del carbono, que le permite ser forjado. Otros ele-
mentos de aleación mejoran sus propiedades.
J.Vergara ICM2312
10. ATRIBUTOS DE LOS METALES
°C Diagrama de Fase en Equilibrio de Fierro – Carbono
1800
Fed (Fe-C a DT lento)
1600 d+L
L
1400 d+g
g+L L+C
1200 Feg Austenita 1130°C
FCC
1000 E
g+C g+C
800 a+g 723°C
600 Fea PT
Ferrita a+C a+C
400 BCC
Perlita Ledeburita Cementita
Fe3C
200 ACEROS HIERRO FUNDIDO
0
0 1 2 3 4 5 6 %C 7
Hipo Hiper
Eutectoide Eutectoide
J.Vergara ICM2312
11. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Los hierros de fundición son materiales de fierro
de bajo costo y fáciles de formar, por su alta pro-
porción de carbono (el grafito facilita el vaciado,
moldeo, formado y maquinado), con mayor resis-
tencia a la compresión que a la tracción y de una
densidad de ~6900 kg/m3.
Son difíciles de soldar y sus propiedades no son
uniformes. El Módulo de Young está en un rango
entre 100 y 170 Mpa, pero no es lineal.
Existen cuatro tipos de fundiciones, según su
resistencia a la fluencia.
J.Vergara ICM2312
12. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Fundición blanca: material duro y frágil (uso en
recubrimientos por su alta dureza)
Fundición gris: material común, con escamas de
grafito que le dan lubricidad y poco desgaste, de
baja resistencia a la flexión o fatiga. Usado en ro-
tores y bloques. La ASTM lo gradúa según la re-
sistencia a la fluencia (140-520 MPa).
Fundición maleable: mayor resistencia (350 a 830
MPa) pero pierde lubricidad. Resiste flexión.
Fundición nodular: alta resistencia (480-930 MPa).
Dúctil, denso y tenaz, apto para cigüeñales.
J.Vergara ICM2312
13. ATRIBUTOS DE LOS METALES
El acero inicia su proceso en un Alto Horno, que
funde fierro, coke y caliza, con aire.
El carbón coke es el combustible. La caliza apor-
ta carbón y elimina la ganga (tierra). El CO es un
reductor para una reacción relativamente rápida.
Fe2O3 + C Fe + CO Fe3O4 + CO 3FeO + CO2
Fe2O3 + CO Fe + CO2 FeO + CO Fe + CO2
CaCO3 CO2 + C + CaO CaCO3 CO2 + C + CaO
El producto de un alto horno es el arrabio (94%
Fe + 3-5%C, 1-4%Si, S, P, Mn). Este material se
ha separado de la escoria.
J.Vergara ICM2312
15. ATRIBUTOS DE LOS METALES
El arrabio se funde nuevamente, para reducir el
contenido de carbono y eliminar otros elementos.
Esto se realiza en un horno Siemens-Martin o en
un Bessemer (ya obsoletos), en un Convertidor
Básico de Oxígeno o en uno Eléctrico, agregando
chatarra y/o cal y/u oxígeno.
Otra forma de producir acero es directamente en
un horno eléctrico, a partir de chatarras, con la
adición de fundentes y materiales de aleación. En
algunos países se desincentiva el alto horno. En
estos casos cambia la forma de energía (C por e-).
J.Vergara ICM2312
16. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Los aceros fundidos tienen mejores propiedades
mecánicas que las fundiciones (resistencia de
450-1380 MPa), con menor contenido de carbono
que estos. Son fáciles de conformar.
Se clasifican Bajo carbono: (<0.2%)
por el conte- Medio carbono: (0.2-0.5%)
nido de C: Alto carbono: (>0.5%)
Se clasifican Baja aleación: (<5%)
según otros
elementos: Alta aleación: (>5%)
J.Vergara ICM2312
17. ATRIBUTOS DE LOS METALES
El carbono se remueve por una reacción con O2,
formando CO y CO2. Las impurezas provienen del
coke o del mineral y afectan a las aleaciones.
Azufre: forma sulfuro de fierro (FeS), que fragiliza
el material (se deposita en bordes de grano). Un
acero típico a T° no tolera impacto (fragil). FeS
desplaza la transición ductil-fragil. Mn tiene más
afinidad con S que Fe (forma MnS a escoria).
Fósforo: forma fosfuro de fierro (FeP), precursor
de esteadita, que deposita en BG y reduce la duc-
tilidad. Se remueve con CaO ( a escoria).
J.Vergara ICM2312
18. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Después de removerse el carbono y las impure-
zas (S, P, Si, O, etc.) se le agregan los elementos
de aleación requeridos. A veces se agrega S y P
de nuevo (con intención de alguna propiedad).
El acero se funde nuevamente en hornos secun-
darios (i.e. eléctrico y de cuchara) en los que se
agregan ciertos elementos. Sigue un proceso de
colada discreta o continua, según el caso, para
formar lingotes, tochos (rieles, vigas, etc.), plan-
chones (láminas, planchas, tubos, etc.) o palan-
quillas (barras, alambrón, alambre, etc.).
J.Vergara ICM2312
19. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Los aceros forjados son los que se forman mecá-
nicamente, por deformación. Los productos inter-
medios y finales se logran deformando el material
a temperatura ambiente o a alta temperatura.
El más común es el laminado (rolado) en caliente
o en frío desde un lingote. Por ej. el trefilado de
alambre, el embutido profundo y la extrusión.
Laminado en Caliente: vigas I, ángulos, placas,
tubos. Pueden requerir un tratamiento térmico.
Laminado en Frio: barras, láminas y placas pasa-
das a través de dados. Logra alta resistencia.
J.Vergara ICM2312
20. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Terminamos con productos según las capacida-
des de la planta. Se ve algo de lo que hace CAP:
Alto horno Convertidor Planchones Laminado en caliente
Formado de barras y alambrones Laminado en frío
J.Vergara ICM2312
21. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Los aceros al carbono son numerados según la
serie de una norma (ASTM, AISI, SAE).
Tipo AISI/SAE Principal elemento de aleación
Básico 10XX Carbono con ~0,XX % de C
Libre corte 11XX Carbono reazufrado
Libre corte 12XX Carbono reazufrado y reforforado
J.Vergara ICM2312
22. ATRIBUTOS DE LOS METALES
Los aceros aleados usan similares códigos. Ej:
Tipo AISI/SAE Principal elemento de aleación
Manganeso 13XX/15XX 1.75%Mn / 1-1.65%Mn
Níquel 23XX/25XX 3.50%Ni / 5.00%Ni
Niquel-Cromo 31XX/33XX 1.25%Ni - 0.70%Cr / 1.55%Ni - 3.50%Cr
Molibdeno 40XX/44XX 0.25%Mo / 0.40% o 0.52%Mo
Cromo-Molibdeno 41XX 0.95%Cr y 0.20%Mo
Ni-Cr-Mo 43XX/47XX 1.82%Ni - 0.60%Cr - 0.25%Mo / más
Níquel-Molibdeno 46XX/48XX 0.82% o 1.82%Ni - 0.25%Mo / 3.50%Ni
Cromo 50XX/52XX 0.27% a 0.65%Cr / 0.90%Cr /1.45%Cr
Cromo Vanadio 61XX 0.60% o 0.95%Cr y 0.10% a 0.15%V
Más detalles en ASM.org o manuales
J.Vergara ICM2312
23. PRUEBA DE MATERIALES
Las propiedades mecánicas de los materiales de
uso en ingeniería suelen obtenerse por medio de
ensayos destructivos, bajo ciertas condiciones y
geometrías estandarizadas. También sirven los
ensayos no destructivos (i.e. gamagrafía).
El ensayo de un material lo define un protocolo
registrado por una sociedad relevante, i.e. ASTM
(American Society for Testing and Materials) al
cual el diseñador debe adaptar su situación.
Los siguientes ensayos nos permitirán conocer
el comportamiento de los materiales.
J.Vergara ICM2312
24. PRUEBA DE MATERIALES
Cuando se trata de ensayos de materiales hay
que hacer algunas previsiones:
a) El ensayo de material rara vez duplica las
cargas de servicio.
b) Los materiales suelen tener variaciones en
sus propiedades, aunque tengan idéntica
composición. El usado en la prueba puede
ser distinto del utilizado en servicio.
c) El costo de los ensayos debe ser tolerable y
consistente a la naturaleza de la aplicación.
J.Vergara ICM2312
25. PRUEBA DE MATERIALES
Cuando se trata de ensayos de materiales hay
que hacer algunas previsiones (cont):
d) Por razones de costo, el ensayo de material
más común es el ensayo de tensión uniaxial.
e) En ciertos casos, por la naturaleza de una
aplicación y las consecuencias de una falla
(i.e. un nuevo avión), los ensayos deberán
cubrir una gama de situaciones. En muchas
veces se construyen equipos para pruebas
específicas (ensayo de tensión biaxial, corro-
sión fatiga, túnel de viento, rig multi-test, etc).
J.Vergara ICM2312
26. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tensión Uniaxial
Sometemos a una tracción y medimos la elongación. F
F inicio de Una teoría general
kE
fluencia es el deslizamiento
l A
F de dislocaciones
F F
(defectos lineales)
A0 que facilitan el co- A0 l0
u
rrimiento de planos
F cristalinos.
u
F=0 F=0
l0 A0
J.Vergara F ICM2312
27. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tensión Uniaxial
Podemos relacionar el esfuerzo con la deformación.
F F
F
F kE s= E
A0
F
F l A F F F
A0
u
F
u u
F=0 F=0 F=0 F=0 e=
l0
l0 A0
J.Vergara ICM2312
28. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tensión Uniaxial
El esfuerzo posibilita la falla de una pieza.
La deformación define la F
s= E
intensidad y dirección de A0
una elongación.
Valores de Valores A0·l0 = A·l = k
ingeniería reales
A0 A
F F
s= s´=
A0 A
l0 l
e=
u lf - l0
l0
=
l0
d= dl
l
l
= ln f
l0 e=
u
l0
J.Vergara ICM2312
29. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tensión Uniaxial
Esfuerzo vs deformación s
(real e ingeniería).
F su
s= E
F F A0 l l0 + u A0
s´= = =s =s F s0.1%
A A0 A l0 l0 s´= sy
A
A0·l0 = A·l = k
s´= s (1 + e)
A0 A
lf - l0 l l
e= = f -1 e+1 = f
l0 l0 l0 l0 l
d = ln(1 + e)
0.1% lf u
d = ln e=
l0 l0
J.Vergara ICM2312
31. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tensión Uniaxial (conceptos)
s
su Nomenclatura
u e= Límite elástico
sy y y= Punto de fluencia
f
se e
u= Punto último
f = Punto de fractura
se = Resistencia elástica
ee = Deformación elástica
E E= Módulo de Elasticidad
sy = Resistencia a la fluencia
ey = Deformación de fluencia
ee ey eu ef e su = Máx. resistencia a tracción
eu = Deformación última
Rango Rango ef = Ductilidad
elástico plástico
J.Vergara ICM2312
32. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tensión Uniaxial (conceptos)
s
su Medidas de Robustez
u Resiliencia (Ue)
sy y ee
f
se e
0
Ue = s·de ≈
se
2
ee =
s e2
2E
s y2
≈
E Tenacidad (Ut) 2E
eu
Ue Ut Ut =
0
s·de ≈
sy + su
2
eu
ee ey eu ef e
Ductilidad (ef )
Rango Rango
elástico plástico
J.Vergara ICM2312
33. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tensión Uniaxial (conceptos)
s
su Criterios de Falla
u Principal (en 1D):
sy y
f
se e Falla si s > sy
Otros (en 1D):
E
Falla si U > Ue
Ue Ut Falla si U > Ut
ee ey eu ef e
Falla si e > ef
Rango Rango
elástico plástico
J.Vergara ICM2312
34. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tensión (formas típicas y teóricas)
Acero
s templado s s s
Acero con Sin punto
Hierro
punto de de fluencia
fundido
fluencia
Material frágil Material dúctil Material dúctil Polímeros
e e e e
Endurecimiento
s s s s por trabajo
Elástico Rígido Elástico Rígido y Elás-
plástico plástico tico-plástico
e e e e
J.Vergara ICM2312
35. PRUEBA DE MATERIALES
Metales y
aleaciones
Resistencia a la Fluencia sy medio
METALES CERAMICOS POLIMEROS COMPOSITOS
105 Compositos
s
sy
y
Cerámicos (crist.) Polímeros
Diamante y vidrios (amorfo)
medio
SiC
104
sy alto sy bajo
Al2O3, Si3N4
Sílica
MPa Al2O3, WC
TiC, MgO
103 Aleac. Acero
Aleac. Co
Aleac. Ti Comp iónicos
BFRP
CFRP
Acero dulce Poliet. Resist. Concreto Ref
Aleac. Al Hielo Kevlar
102 Metales
PMMA
Nylon
Epoxicos
GFRP
puros com. Madera II
Poliuretano
Aleac. Pb
101 Metales Polietileno
Madera ┴
ultra puros
Espuma
100 polimérica
10-1
J.Vergara ICM2312
36. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Compresión Uniaxial
Aplicación de compresión usualmente en la mismo equipo,
con un cilindro de área uniforme. No da una buena curva.
Ensayo de Torsión
Aplicación de un giro helicoidal a una probeta, resultando a
fuerza cortante tendiente a fractura o defomación.
Ensayo de Flexión
Aplicación de una fuerza central a una barra apoyada, que
resulta en su fractura o defomación.
J.Vergara ICM2312
38. PRUEBA DE MATERIALES
Esfuerzo Máximo de Tracción
El ensayo de tensión nos da una “idea” de la resistencia al
corte de cierto material (con sy). Podremos estimar el área
mínima (A) o la fuerza (F) máxima a tolerar. AT (FT)
sX sX
Si sólo Traccionamos una se-
FT
cción, podemos estimar AT sX = < sADM = sy
AT n
mínima (sólo rango elástico):
Con n = factor de seguridad
FT·n
que acomoda diferencias de AT ≥
sy
producción e incertidumbre.
J.Vergara ICM2312
39. PRUEBA DE MATERIALES
Esfuerzo Máximo de Corte
El ensayo de tensión nos da una “idea” de la resistencia al
corte de cierto material (con sy). Podremos estimar el área
mínima (A) o la fuerza (F) máxima a tolerar. AC (FC)
tYX
Si sólo Cortamos la sección, 1A
FC
podemos estimar AC mínima tYX = < tADM = ty
AC n
(sólo rango elástico):
n = factor de seguridad. 2A
s FC·n FC·2n
Demostraremos que: ty ≈ y AC ≥ =
2 ty sy
J.Vergara ICM2312
40. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Dureza Superficial
Es el ensayo más simple y económico. Sirve especialmente
para piezas que requieren dureza superficial (tolvas, palas)
para resistir roce. Se realiza usando durímetros de mesa con
indentador esférico, piramidal o cónico. Luego, se mide la
huella y se obtiene un número. Hay varios métodos:
BHN (Brinell Hardness Number)
VHN (Hardness Vickers Number)
RHA, RHB,... (Rockwell Hardness A,B,...)
KHN (Knoop hardness Number)
Otros
J.Vergara ICM2312
41. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Dureza Superficial
BHN (Brinell Hardness Number) D
2P
BHN = 2-d2) P = kD
pD(D- D d
136°
VHN (Vickers Hardness Number) 136°
P
VHN = 1.85 2 P = carga
d
d
J.Vergara ICM2312
42. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Dureza Superficial
RHN (Rockwell Hardness Number)
RHN = profundidad diferencial
de carga de bola o cono. h
KHN (Knoop Hardness Number)
1
KHN = 0.0025 2 k = cte. w l
lk
J.Vergara ICM2312
43. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Dureza Superficial
Hay tablas que correlacionan los su
20 30 40 50
valores de los diferentes ensayos MPa 60 100 HRC
de dureza (i.e. BHN vs KHN). 1500 HRB
Lo interesante es que hay cierta Acero
correlación (vía tablas y figuras) 1000
entre la dureza y la resistencia Hierro Fundido
Bronce
del material. 500
Este test no reemplaza el ensayo su = (3.34±0.2)·BHN
BHN
de tracción. 0
0 100 200 300 400 500
J.Vergara ICM2312
44. PRUEBA DE MATERIALES
Factor de Concentración de Esfuerzo
En diseño, conviene revisar si hay factores que magnifican
el esfuerzo, para adecuar la geometría y los materiales.
s
C. Inglis (Arquitecto Naval) observó
cierto comportamiento:
Dúctil
r s
D
Con Sin
s Hendidura Frágil Hendidura
s
d
s e
J.Vergara ICM2312
45. PRUEBA DE MATERIALES
Factor de Concentración de Esfuerzo
En diseño, conviene revisar si hay factores que magnifican
el esfuerzo, para adecuar la geometría y los materiales.
sMAX
Aparte de n, se usa un Kt = s = f (d, D, r)
NOM
Factor de Concentración
de Esfuerzo Elástico (Kt)
si hubiera una hendidu- D/d
d
r
ra, la que puede estimar- Kt D
se de la forma del defec-
to o vía tablas y figuras.
r/D
J.Vergara ICM2312
46. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tenacidad
El ensayo determina la capacidad de
absorción de energía de una material.
10 mm 10 mm
Charpy Izod
10 mm
Mide la altura a la cual llega el péndulo
después del golpe. Tipos de probetas:
Charpy y Izod (i.e. V). Permiten evaluar
esta capacidad a bajas temperaturas.
J.Vergara ICM2312
47. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tenacidad
Ensayos a distintas temperaturas muestran una 79
-59 -12 4 16 24
transición
dúctil-frágil (típica del acero).
J Energía Absorbida
200 0.10 %C
NDTT= f(perlita,
tamaño de grano,
impurezas)
0.20 %C
100
0.40 %C
0.60 %C
0.69 %C
0
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 °C
J.Vergara ICM2312
48. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayo de Tenacidad
Forma típica de ensayo de tenacidad de distintos materiales,
que se traslada con más defectos y viceversa.
J Energía Absorbida
Acero
Aleaciones de Carbono
Níquel
Acero
Inoxidable
Acero
Aleaciones
Carbono
de Carbono
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 °C
J.Vergara ICM2312
49. PRUEBA DE MATERIALES
Ensayos de Fractura y fatiga
Dos modos de falla relevantes, fractura y fatiga, que dan
dolores de cabeza a los ingenieros y analistas, usualmente
agravados por la influencia del ambiente de operación,
requieren diseñar ensayos específicos para determinar la
susceptibilidad de los materiales a estos.
En la próxima clase veremos en detalle estos mo-
dos, y las probetas típicas que se utilizan para la
determinacíón de propiedades. Usualmente usan
los mismos artefactos que prueban la resistencia
mecánica estática, con actuadores dinámicos.
J.Vergara ICM2312
50. PRUEBA DE MATERIALES
Otros Ensayos
neutrografía
Además, hay ensayos no destructivos
(portátiles), para verificar ausencia de
defectos macroscópicos. Entre otros,
destaca la gamagrafía (defectos en sol-
dadura), ultrasonido (mide espesores),
partículas magnéticas, tintas penetran-
tes. La neutrografía es menos portable.
Además, se usan microscopios (SEM-
TEM) para conocer la estructura crista-
lina, la morfología y espectro químico. SEM
J.Vergara ICM2312
61. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Produjimos arrabio, hierro fundido o acero y lo
llevamos a una forma final con algún proceso de
formado (laminado, fundición, maquinado, etc.).
Luego probamos el desempeño de la pieza con
algún dispositivo de ensayo, elegidos según la
madurez del proceso y la relevancia del material
en el desempeño del producto final.
Suponemos que queremos refinar la estructura
morfológica para ajustar o mejorar las propieda-
des mecánicas. Eventualmente debemos desa-
rrollar una aleación más compleja.
J.Vergara ICM2312
62. OPTIMIZACIÓN DE METALES
La resistencia de estos materiales se controla por
diferentes mecanismos. La teoría que subyace es
la de oposición al deslizamiento de dislocaciones
(defectos lineales). Las dislocaciones permiten la
deformación “plástica”. Cuando éstas se traban,
cesa esa deformación y el material resiste más.
a) Endurecimiento por deformación;
Métodos para b) Reducción del tamaño de grano;
detener/trabar c) Formación de martensita;
dislocaciones d) Endurecimiento por solución sólida;
e) Endurecimiento por precipitación.
J.Vergara ICM2312
63. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Una forma de lograr más resistencia es mediante
procesos de forja. Las opciones son el Laminado
en caliente (vigas, ángulos, tubos, etc.) y el Lami-
nado en frío (barras, láminas y placas, etc.).
Posiblemente los productos que han sido forma-
dos en caliente requerirán un tratamiento térmico
para reducir el tamaño de grano.
Asimismo, los que han sido formados en frío po-
siblemente requerirán algún tratamiento térmico
para reducir los esfuerzos residuales y corregir
alguna distorsión.
J.Vergara ICM2312
64. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Terminado el proceso de formado (y a veces pre-
mecanizados) los aceros suelen ser tratados tér-
micamente, para controlar el tamaño de grano, y
así asegurar una resistencia y dureza deseadas.
Este tratamiento es más efectivo para un acero
hiper-eutectoide, con suficiente carbono. Consis-
te en llevar la forma a la condi-
ción de austenita (Feg), dejarla
por un tiempo y enfriarla con
agua o aceite (templado). Con
esto se forma una estructura
diferente, la Martensita (BCT).
J.Vergara ICM2312
65. OPTIMIZACIÓN DE METALES
°C Diagrama de Fase
1800
Fed (Fe-C a DT lento - equilibrio)
1600 d+L
L
1400 d+g
g g+L g
1200 Feg Austenita
FCC
1000
g+C
g g
800 a+g
Fea
600 Ferrita PT a+C
BCC Perlita
400
200
ACEROS
0
0 1 2 3 4
J.Vergara ICM2312
66. OPTIMIZACIÓN DE METALES
La Martensita es una estructura filamentosa que
no se logra en equilibrio, la que se hace mediante
una pequeña trampa microestructural.
Si el material se enfría lentamente (en un horno,
en forma controlada), se formaría Perlita (Fea +
cementita). Si se enfría a un ritmo intermedio se
produce bainita (una perlita más fina).
Normalmente requiere un revenido para lograr
una mayor ductilidad vía control de tamaño de
grano (aunque puede reducir la resistencia).
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67. OPTIMIZACIÓN DE METALES
°C Diagrama Transformación de Fase
900
Feg (Fe-C)
800
T° Peritectoide Fea
Feg 700
Perlita gruesa
600
500 Perlita fina
Feg
500 Bainita
Ms 300
Ms Templados
200 Ms50 Fe3C
Ms90
100 Revenido
Tiempo (s)
0
10-1 100 101 102 103 104 105 106
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68. OPTIMIZACIÓN DE METALES
El dilema de ingeniero metalúrgico es lograr el
mayor valor de sy y Ut o ef. Al reducir el tamaño
de grano normalmente logra ambas mejoras.
El endurecimiento por solución sólida o por pre-
cipitación implica agregar elementos de aleación
para restringir la movilidad de las dislocaciones.
Las aleaciones tienen amplias aplicaciones. Los
elementos de aleación persiguen mejorar varias
propiedades al unísono (i.e. resistencia, dureza,
tenacidad, maquinabilidad, ductilidad, protección
del entorno, etc.) y suelen desplazar la curva TTT.
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70. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Los aceros se pueden recubrir para suplir o mejo-
rar su resistencia a la corrosión, la dureza super-
ficial y la resistencia al desgaste, abriendo otras
aplicaciones con notable desempeño.
El recubrimiento superficial más común es la pin-
tura, en una amplia gama de variedades poliméri-
cas y cerámicos (esmaltes). Otros comunes son
el galvanizado (torres AT) y el cromado (cilindros
hidráulicos). Otros más sofisticados son las elec-
trochapas y la deposición de vapores metálicos o
cerámicos. Si no logra el efecto se recurre a altas
aleaciones y metales de alto desempeño y costo.
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71. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Ejemplo: La fabricación de una vasija
de presión de un reactor PWR.
Las más antiguas se fabricaban por
planchones (40 cm) rolados y curva-
dos que se soldaban. Hoy se evitan
las soldaduras axiales. El cilindro
central se forja y suelda circunferen-
cialmente por métodos de baño fun-
dido con el domo inferior. La tapa se
suelda al flange superior. La superfi-
cie interior se cubre con acero inox.
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72. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Ejemplo: La fabricación de una vasija para PWR:
Colada Preparación Lingote Formación cilindro Tratamiento térmico Maquinado grueso
Maquinado fino Envainado Domo inferior Perforación Toberas Soldadura Toberas
Toberas y domos Flange Apertura CRDM Soldadura CRDM Hidrotest
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73. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Ejemplo: La fabricación de una vasija para PWR:
Colada Preparación Lingote Formación cilindro Tratamiento térmico Maquinado grueso
Maquinado fino Envainado Domo inferior Perforación Toberas Soldadura Toberas
Preparación para envío Envío
Toberas y domos Flange Apertura CRDM Soldadura CRDM Hidrotest
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74. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Se mejora la resistencia al entorno usando aceros
inoxidables que incluyen 10+%Cr y 0.2–%C. En cier-
tos casos también son susceptibles. Hay 4 tipos:
Martensítico (12-15%Cr y 0.2 a 1,2%C) Series 400.
Principal uso en cuchillería. Poco soldable.
Ferrítico (16%Cr y bajo C) Series 400. Magnético,
no apto para tratamiento térmico. Uso en Cocina.
Austenítico (17-25%Cr y 10-20%Ni) Series 300. No
magnético, dúctil a bajas temperaturas, soldable.
Endurecido por Precipitación. Series PH. Ofrecen
alta resistencia a la temperatura y la corrosión.
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75. OPTIMIZACIÓN DE METALES
El aluminio es de baja densidad (1/3 del acero) y
buena relación de resistencia a peso, su módulo
es 70 GPa (~1/3 del acero), es dúctil, maquinable,
de fácil formabilidad. Puede fundirse y soldarse
frío y caliente, es fácil forjarlo (i.e. extruirlo). Es
brillante y se autoprotege de la oxidación median-
te una capa de óxido, aunque se puede anodizar.
El uso de aleaciones de aluminio es común (más
raro es el uso puro) en aeronaves, automóviles y
lanchas, logrando desempeños comparables al
del acero (razón resistencia / densidad). Su mejor
de-sempeño es a temperatura ambiente.
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76. OPTIMIZACIÓN DE METALES
El titanio tiene la mitad de la densidad y una resis-
tencia comparable y un módulo 60% de un acero
medio con tolerancia hasta 750°C. Su resistencia
específica (s/r) es comparable o mayor al acero y
exhibe resistencia a la corrosión y a la fatiga. La
rigidez específica (E/r) es mejor para deflexiones
limitadas y no es magnético.
Sus aplicaciones son restringidas por su elevado
costo, usualmente asociado a la industria aeroes-
pacial en gran escala y a la industria médica en la
escala reducida (prótesis). Se usa en aleaciones,
siendo una común el Ti-6Al-4V.
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77. OPTIMIZACIÓN DE METALES
Las superaleaciones son aleaciones de Fe, Co o
Ni aptas para altas temperaturas (0.7TM), enfati-
zando la resistencia al creep y oxidación.
Las superaleaciones de Ni son más aptas para las
aplicaciones aeroespaciales. Los solutos son Al
y/o Ti inferior al 10%, que generan fases g y g´, fi-
nos precipitados que elevan la resistencia.
Estos y otros solutos generan fases microdisper-
sas que refinan la estructura y producen desem-
peños excepcionales, mejorando varias propieda-
des al mismo tiempo.
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79. CONCLUSIONES
Completamos un barrido general de las diferentes
clases de materiales usados en diseño mecánico,
con un leve énfasis en los metales, para pronto
pasar a los aspectos geométricos del diseño.
Vimos cómo se producen y ensayan para estimar
su desempeño mecánico en servicio. Revisamos
aplicaciones de materiales simples y avanzados,
que se desempeñan en ambientes hostiles.
Asimismo, vimos mapas de materiales de diferen-
tes clases que nos permiten seleccionarlos, con-
trastándolos según pares de variables.
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80. CONCLUSIONES
En la siguiente clase veremos algunos problemas
adicionales que se refieren al desempeño de los
materiales en sus sistemas mecánicos. Analiza-
remos algunos tipos de falla.
En especial revisaremos elementos de fractura y
cómo inciden en la capacidad de un material para
sobrevivir en presencia de defectos (es raro un
material que no tiene o no incuba algún defecto
micro o macroscópico). Asimismo, veremos as-
pectos de fatiga, una situación que comunmente
se impone a los componentes estructurales.
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