Resistencia estática (página 2)

Si la carga correspondiente al punto I se aplica de
nuevo, el material se deformará elásticamente en
valor ?e. Por tanto, en el punto I la deformación unitaria
total consiste en las dos componentes ?p y ?e y está dada
por la ecuación

?= ?p + ?e

Este material puede ser descargado y recargado cualquier
número de veces desde el punto I y hasta éste. Por
lo tanto,

?e= si/E

El labrado en frío de un material produce un
nuevo conjunto de valores para las resistencias, como puede verse
en los diagramas esfuerzo – deformación. Si el punto
I está a la izquierda del punto U, es decir; si
Pi

S´y = Pi/A´i = so?mi Pi<=Pu

Debido al área reducida, es decir, debido a
A´i

S´u= Pu/A´i

Puesto que Pu= Su Ao, se halla, con la ecuación
:

S´u = SuAo/Ao(1-w) = Su/(1-W) ?i<=?u

Lo cual es válido cuando el punto I está a
la izquierda del punto U.

EFECTOS DE LA TEMPERATURA

La resistencia y la ductilidad, o la fragilidad, son
propiedades afectadas por la temperatura del entorno de la
operación.

Se ha realizado numerosos ensayos de metales
férreos sometidos a cargas constantes con temperaturas
elevadas durante lapsos prolongados. Se encontró que las
probetas se deformaban permanentemente durante los ensayos,
aún cuando en ocasiones los esfuerzos reales eran menores
que la resistencia cedente del material evaluada en pruebas de
corto tiempo realizadas a la misma temperatura. Esta
deformación continua bajo la carga se llama flujo
plástico( en inglés creep).

El diagrama se obtiene a una temperatura constante
especificada. Un cierto número de ensayos suele efectuarse
simultáneamente con distintas intensidades de esfuerzo. La
curva presenta tres regiones o etapas. En la primera están
incluidas la deformación elástica y
plástica. En esta etapa ocurre un flujo decreciente que se
debe al endurecimiento por deformación. En la segunda
etapa se tiene una variación mínima constante del
escurrimiento que proviene del efecto de recocido. En la tercera,
la probeta experimenta una considerable reducción de
área transversal, se intensifica el esfuerzo y el
escurrimiento plástico acentuado conduce finalmente a la
ruptura.

SISTEMAS DE DESIGNACIÓN
NUMÉRICA

En 1975 la SAE publicó el Unified Numbering
System for Metals and Alloys (UNS); este sistema también
contiene referencias interrelacionadas para otras
especificaciones de materiales. El UNS emplea un prefijo literal
para designar el material.

En el caso de los aceros, los dos números que
siguen al prefijo literal indican la composición,
excluyendo el contenido de carbono. Las diversas composiciones
utilizadas en los aceros son las siguientes:

El segundo número indica el contenido aproximado
de carbono (en centésimas de 1%).

PROCESO DE TRABAJO EN CALIENTE

Por trabajo ( o labrado) en caliente se entienden
aquellos procesos como laminado o rolado en caliente, forja,
extrusión en caliente y prensado en caliente, en los
cuales el metal se caldea en el grado suficiente para que alcance
una condición plástica y fácil de
trabajar.

El laminado en caliente se usa por lo general para
obtener una barra de material con forma y dimensiones
particulares.

El extrusionado es el proceso por el cual se aplica una
gran presión a un lingote metálico caliente,
haciendo que fluya en estado plástico a través de
un orificio restringido.

El forjado o forja es el trabajo en caliente de metales
mediante martinetes, prensas o máquinas de forja. En
común con otros procesos de labrado en caliente, la forja
produce una estructura de grano refinado que da por resultado una
mayo resistencia y ductilidad. Las piezas forjadas tienen mayor
resistencia por el mismo peso.

PROCESO DE TRABAJO EN
FRÍO

El trabajo (o labrado) en frío significa la
conformación de un metal a baja temperatura (por lo
general, la temperatura del ambiente). En contraste con las
piezas producidas por el trabajo en caliente, las que se labran
en frío tienen un acabado nuevo brillante, son más
exactas y requieren menos maquinado.

Las barras terminadas en frío se producen por
rolado, estirado, torneado, esmerilado y pulimentado. Con mucho
el mayor porcentaje de productos se elaboran por procesos de
laminado y estirado en frío.

Muchas formas diferentes de barras laminadas o roladas
en caliente pueden ser empleadas para el estirado en
frío.

El rolado y el estirado en frío tienen el mismo
efecto sobre las propiedades mecánicas. El labrado en
frío da por resultado un gran incremento en la resistencia
de fluencia, acrecienta la resistencia última y la dureza,
y disminuya la ductilidad.

El recalcado es un proceso de trabajo en frío en
el cual el metal se acumula por impactos. Por lo general, esta
operación se usa para formar las cabezas de tornillos y
remaches. El roscado por laminación es un proceso para
obtener una rosca o filete por compresión y rolado de una
pieza base. El rechazado es la operación para conformar
material laminar de forma circular, alrededor de una forma
rotatoria. Estampado es el término que se emplea para
describir operaciones de troquelado como silueteado,
acuñado, conformado y estirado poco profundo.

TRATAMIENTO TÉRMICO DEL
ACERO

El tratamiento térmico se refiere a acciones con
las que interrumpe a varía el proceso de
transformación descrito por el diagrama de
equilibrio.

Las operaciones comunes de tratamiento son recocido,
templado, revenido y templado superficial.

Recocido Cuando un material se somete a trabajo
en frío o en caliente, se inducen esfuerzos remanentes o
residuales y, además, el material generalmente adquiere
una gran dureza debida a estas operaciones de labrado.

Se mantiene a esta temperatura por un tiempo suficiente
para que el carbono quede disuelto y difundido a través
del material. El objeto tratado se deja enfriar luego lentamente,
por lo general en el mismo horno en el que fue tratado. Si la
transformación es completa, se dice entonces que se tiene
un recocido total. El recocido se emplea para suavizar un
material y hacerlo más dúctil, para eliminar
esfuerzos remanentes y para refinar la estructura del
grano.

Templado la rapidez de enfriamiento es el factor
que determina la dureza. Una rapidez de enfriamiento controlada
en un material caldeado constituye el proceso que recibe el
nombre de templado. Las dos sustancias más utilizadas para
templar son el agua y el aceite.

La eficacia del endurecimiento depende del hecho de que
cuando la austenita se enfría no se transforma
instantáneamente en perlita, sino que se requiere tiempo
para iniciar y completar el proceso. Cuando el material es
enfriado rápidamente hasta 200 C° o menos, la
austenita se transforma en una estructura llamada martensita.
Ésta es una solución sólida sobresaturada de
carbono en ferrita, y es la clase de acero más dura y
resistente.

Revenido cuando una probeta de acero ha sido
endurecida totalmente resulta ser dura y frágil en extremo
y con esfuerzos resultantes altos. El acero queda inestable y
tiende a contraerse al envejecer. Esta tendencia aumenta cuando
la probeta se somete a cargas aplicadas exteriormente debido a
que los esfuerzos resultantes contribuyen aún más a
la inestabilidad. Dichos esfuerzos internos pueden ser eliminados
por un proceso de calentamiento ligero llamado de alivio de
esfuerzos.

Después de que la probeta ha sido endurecida
totalmente por el templado desde arriba de la temperatura
crítica, se recalienta a una temperatura inferior a la
crítica durante cierto tiempo y luego se deja enfriar al
aire tranquilo.

Templado superficial el objeto de esta
acción de endurecimiento es producir una corteza dura en
una probeta o una pieza de acero de bajo carbono, retenido al
mismo tiempo la ductilidad y la tenacidad en el núcleo.
Esto se logra aumentando el contenido de carbono en la
superficie, es decir, carburizándola. El proceso consiste
en introducir la pieza por caburizar en el seno de un material
carburizante durante un tiempo y a una temperatura establecidos,
dependiendo de espesor de la corteza que se desee y de la
composición de la pieza.

ACEROS ALEADOS Y ELEMENTADOS DE
ALEACIÓN

Los aceros aleados no sólo poseen propiedades
físicas más convenientes, sino que también
permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento
térmico.

Cromo la adición del elemento cromo
origina la formación de diversos carburos de cromo que son
muy duros; sin embargo, el acero resultante es más
dúctil que un acero de la misma dureza producido
simplemente al incrementar su contenido de carbono. La
adición de cromo amplía el intervalo crítico
de temperatura.

Níquel la adición de níquel
al acero amplía el nivel crítico de temperatura, no
forma carburos u óxidos. Esto aumenta la resistencia sin
disminuir la ductilidad. El cromo se utiliza con frecuencia junto
con el níquel para obtener la tenacidad y ductilidad
proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste
y la dureza que aporta el cromo.

Manganeso el manganeso se agrega a todos los
aceros como agente de desoxidación y desulfuración,
pero si el contenido de manganeso es superior a 1%, el acero se
clasifica como un acero aleado al manganeso. Reduce el intervalo
crítico de temperaturas.

Silicio este elemento se agrega como desoxidante
a todos los aceros. Cuando se adiciona a aceros de muy baja
cantidad de carbono, produce un material frágil con baja
pérdida por histéresis y alta permeabilidad
magnética. El uso principal del silicio es, junto con
otros elementos de aleación, como manganeso, el cromo y el
vanadio, para estabilizar los carburos.

Molibdeno el molibdeno forma carburos y
también se disuelve en ferrita hasta cierto punto, de modo
que intensifica su dureza y la tenacidad. El molibdeno abate
sustancialmente el punto de transformación. Debido a esta
abatimiento, el molibdeno es de lo más eficaz para
impartir propiedades deseables de templabilidad en aceite o en
aire. Exceptuando al carbono, es el que tiene el mayor efecto
endurecedor y un alto grado de tenacidad.

Vanadio es un fuerte desoxidante y promueve un
tamaño fino de grano, también acrecienta la
tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difícil de
suavizar por revenido, por lo que se utiliza ampliamente en
aceros para herramientas.

Tungsteno (wolframio) este elemento se emplea
mucho en aceros para herramientas, por que la herramienta
mantendrá su dureza aún cuando estuviera candente o
al rojo. Produce una estructura densa y fina, impartiendo
tenacidad y dureza.

ACEROS INOXIDABLES RESISTENTES A LA
CORROSIÓN

Aleaciones a base de hierro y que contienen por lo menos
12% de cromo se denominan aceros inoxidables. Las
características más importantes de estos metales es
su resistencia a muchas condiciones corrosivas. Los cuatro tipos
disponibles son los aceros al cromo ferríticos, los aceros
al cromo-níquel austeníticos y los aceros
inoxidables martensíticos y templables por
precipitación.

Los aceros al cromo ferríticos tienen su
resistencia a la corrosión depende del contenido de dicho
elemento. Los aceros de muy alto carbono presentan buena
templabilidad, tanto que en los de bajo carbono
desaparece.

Con muy altos contenidos de cromo la dureza se hace tan
intensa que debe prestarse cuidadosa atención a las
condiciones de servicio. Puesto que el cromo es costoso, el
diseñador deberá de elegir el contenido de cromo
mínimo compatible con las condiciones
corrosivas.

Los aceros inoxidables al cromo-níquel retienen
la estructura austenítica, por lo que son susceptibles de
tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede
mejorar notablemente por el trabajo en frío, sólo
así serán magnéticos. Todos los aceros al
cromo-níquel retienen la estructura austenítica,
por lo que no son susceptibles de tratamiento térmico. Su
resistencia mecánica puede mejorar notablemente por el
trabajo en frío.

MATERIALES PARA
FUNDICIÓN

Hierro colado gris de todos los matrices para
fundición, el hierro gris es el que más
comúnmente se usa debido a su costo relativamente bajo, la
facilidad de ser fundido o colación en grandes cantidades
y a su fácil maquinado. Las principales objeciones son: su
fragilidad y su baja resistencia a la tensión. Este
material so se suelda con facilidad debido a que puede
agrietarse.

Hierro colado blanco si todo el carbono en un
hierro de fundición está en forma de cementita y
perlita sin que haya grafito, la estructura resultante se conoce
como hierro colado blanco. Se puede producir en dos variedades y
uno u otro método dan por resultado un metal con grandes
cantidades de cementita, y así el producto será muy
frágil y duro para el maquinado, pero también muy
resistente al desgaste.

Hierro colado maleable si el hierro fundido
blanco se somete a un proceso de recocido, el producto se le
llama hierro colado maleable. Un hierro maleable de buena clase
puede tener una resistencia a la tensión mayor que 350
Mpa., con una elongación de hasta el 18%. Debido al tiempo
que se requiere para el recocido, el hierro maleable
necesariamente es más costoso que el gris.

Hierro colado dúctil o nodular se combinan
las propiedades dúctiles del hierro maleable y la
facilidad de fundición y maquinado del gris, y que al
mismo tiempo poseyera estas propiedades después del
colado.

El hierro colado dúctil es esencialmente el mismo
hierro maleable, sin embargo, el hierro dúctil se obtiene
agregando magnesio al metal fundido.

El hierro dúctil tiene un alto módulo de
elasticidad( de 172 Gpa). El hierro nodular posee una resistencia
a la compresión que es mayor que la resistencia a la
tensión, aunque la diferencia no es tan grande. Su
intervalo de aplicaciones resulta utilizable en piezas de
fundición que requieran resistencia a cargas de choque o
impacto.

Hierros colados de aleación el
níquel, el cromo y el molibdeno son los elementos de
aleación más utilizados con el hierro fundido. El
níquel aumenta la resistencia y la densidad, mejora la
resistencia al desgaste. Cuando se agrega cromo y níquel,
la dureza y la resistencia mejoran sin que haya reducción
en la maquinabilidad. El molibdeno aumenta la rigidez, la dureza
y la resistencia a la tensión y al impacto.

Aceros para fundición la ventaja del
proceso de colado es que piezas con formas complejas se pueden
fabricar a un costo menor que por otros medios. Los mismos
elementos de aleación que se utilizan en aceros para forja
se emplean con los aceros para fundición, a fin de mejorar
la resistencia y otras propiedades mecánicas. Las piezas
de acero fundido también pueden ser tratadas
térmicamente a fin de modificar las propiedades
mecánicas y, a diferencia de los hierros fundidos, pueden
ser soldadas.

METALES NO FÉRREOS

Aluminio las características
sobresalientes del aluminio y su aleaciones son su ventajosa
relación de resistencia peso, su resistencia a la
corrosión y su alta conductividad eléctrica y
térmica.

El aluminio puro tiene una resistencia a la
tensión de aproximadamente 90Mpa, pero este valor puede
mejorarse en forma considerable por el trabajo en frío y
por aleación con otros materiales. El módulo de
elasticidad es 71 Gpa, lo que significa que tiene más o
menos un terco de la rigidez del acero.

El aluminio se funde a los 660 °C, lo que lo hace
muy conveniente para la reducción de piezas fundidas en
molde permanente o de arena.

La resistencia a la corrosión de las aleaciones
de aluminio depende d la formación de una delgada capa de
óxido. Esta película se forma
espontáneamente por que el aluminio es muy
reactivo.

Los elementos de aleación más
útiles para el aluminio son cobre, silicio, magnesio,
manganeso y hierro. Las aleaciones del aluminio se clasifican
como aleaciones para fundición o aleaciones de forja. Las
primeras tienen mayores porcentajes de elementos de
aleación, con el fin de facilitar el moldeo, pero esto
dificulta el trabajo en frío.

Magnesio la densidad del magnesio es igual a 2/3
de la del aluminio y a ¼ de la del acero. Es el más
ligero de todos los metales de uso comercial, su mayor empleo
está en la industria aeronáutica. Aunque no tiene
gran resistencia a peso es comparable con las más
resistentes aleaciones de aluminio o de acero. El magnesio no
resiste temperaturas elevadas y su punto de cedencia se reduce en
forma notable cuando la temperatura se lleva hasta un valor igual
al punto de ebullición del agua. Tiene un módulo de
elasticidad de 45Gpa a tensión y compresión.
Extrañamente ocurre que el trabajo en frío reduce
su módulo de elasticidad.

Aleaciones a base de cobre cuando el cobre es
aleado con zinc recibe el nombre de latón. Si se liga con
otro elemento, a menudo se denomina bronce. Existen cientos de
variedades en cada categoría.

Latones con 5 a 15% de zinc son fáciles de
trabajar en frío, en especial los que tienen alto
contenido de zinc. Son dúctiles, pero a menudo resultan
ser duros para el maquinado. La resistencia a la corrosión
es adecuada. Las aleaciones llamados latón de dorar(5%
Zn), bronce comercial(10% Zn), y latón rojo(15% Zn). El
primero se utiliza, principalmente, en joyería, tiene las
misma ductilidad que el cobre pero mayor resistencia. El bronce
comercial, se emplea también en joyería y en la
fabricación de piezas forjadas y estampadas. Sus
propiedades de maquinado son deficientes, pero tiene excelentes
propiedades para el labrado en frío. El latón rojo
posee buena resistencia a la corrosión, así como
resistencia a las altas temperaturas.

Latones con 20% a 36% de zinc en este grupo
figuran el latón de bajo zinc(20%), el latón para
cartuchos(30%) y el latón amarillo(33%). El latón
pobre en zinc es muy semejante al latón rojo, y se utiliza
en artículos que requieren operaciones de estirado
profundo. El latón para cartuchos es el que tiene la mejor
combinación de ductibilidad y resistencia. Aunque la
maleabilidad en caliente del latón amarillo resulta
deficiente, se puede usar prácticamente en cualquier otro
proceso de fabricación y, por tanto, en una gran variedad
de productos.

La adición de plomo afecta las propiedades de
trabajo en frío y la unión por soldadura. En este
grupo se tienen el latón de bajo plomo(32.5%Zn, .5%Pb), el
latón de alto plomo (34% Zn, 2%Pb) y el latón de
corte libre(35.5%Zn, 3%Pb). El latón de bajo plomo no
sólo es fácil de maquinar, sino que tiene
además excelentes propiedades para el trabajo en
frío. El latón de alto plomo se emplea en la
manufactura de piezas de instrumentos diversos, cerraduras y
relojes. El latón de corte libre también se utiliza
en piezas para tornos automáticos y tiene buena
resistencia a la corrosión con excelentes propiedades
mecánicas.

Latón con 36 a 40% de zinc los latones con
más de zinc son menos dúctiles que el latón
para cartuchos y no pueden ser trabajados en frío en forma
severa. El metal Muntz es de bajo costo y moderadamente
resistente a la corrosión. El metal naval tiene una
adición de estaño que contribuye a la resistencia a
la corrosión.

Bronces el bronce al silicio tiene propiedades
mecánicas iguales a las del acero dulce, sí como
buena resistencia a la corrosión. Puede ser trabajado en
frío o en caliente, maquinado o soldado. Es útil
donde quiera que se necesite resistencia a la corrosión
combinada con resistencia mecánica.

El bronce al fósforo, que contiene 11% de
estaño y fósforo en pequeñas cantidades, es
especialmente resistente a la fatiga y a al corrosión.
Tiene alta resistencia a la tensión y también al
desgaste.

El bronce al aluminio es una aleación
termotratable que contiene hasta 12% de aluminio. Este metal
tiene mejores propiedades de resistencia mecánica y a la
corrosión que las del latón, y además sus
propiedades pueden ser variadas en una amplia gama por trabajo en
frío, tratamiento térmico o cambio de
composición.

El bronce al berilio es otra aleación
termotratable que contiene aproximadamente 2% de berilio. Esta
aleación es muy resistente a la corrosión y posee
alta resistencia, gran dureza y elevada resistencia al desgaste.
Se utiliza en resortes y otras piezas sujetas a cargas por
fatiga.

SENSIBILIDAD A LA MUESCA (O
ENTALLADURA)

Algunos materiales no son completamente sensible a la
presencia de muescas o entalladuras y, por lo tanto, en el caso
de que existan éstas puede utilizarse un valor reducido de
Kt.

smáx= Kf so

aí que es conveniente considerar a Kf como un
factor de concentración de esfuerzo reducido a partir de
Kt debido a la menor estabilidad de la muesca. El factor
resultante se define por la ecuación:

Kf= esfuerzo máximo en probeta con musca/esfuerzo
en probeta libre de muesca

La sensibilidad de la muesca q se define por la
ecuación

q= Kf-1/Kf-1

donde q está por lo general cero y la unidad. La
ecuación indica que si q=0, entonces Kf=1, y el material
tiene sensibilidad completa a la muesca.

Trabajo enviado por:THE
DOGGFATHER