Guion de Practicas CTM, Apuntes de Materiales

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CIÈNCIA I

TECNOLOGIA DE

MATERIALS

Guió de Pràctiques

Febrer 23

EEBest

Escola d’Enginyeria Barcelona Est

Índice

1. PREPARACIÓN METALOGRÁFICA

1.1. Introducción

Las técnicas metalográficas se han desarrollado para preparar adecuadamente muestras que por observación posterior permitan identificar las fases y/o microestructuras presentes en los materiales. Estas microestructuras generalmente son de tamaño microscópico y es necesario preparar adecuadamente la muestra del material para su observación mediante microscopía óptica o electrónica. Aunque estas técnicas pueden utilizarse en todo tipo de materiales (plásticos, fibras, cementos, etc.), en este caso se referirá a la preparación de metales y aleaciones para observación por microscopía óptica.

La superficie metálica a observar debe ser plana y perfectamente pulida. Plana porque la poca profundidad de foco de los sistemas ópticos de observación no permite enfocar simultáneamente dos superficies situadas en planos a distinto nivel; y perfectamente pulida para que sólo se aprecien los detalles de su propia estructura y no otros ajenos que hayan sido producidos durante la preparación metalográfica.

El proceso de preparación metalográfica es generalmente un proceso manual donde la experiencia juega un papel muy importante. La calidad del proceso de preparación dependerá de la observación a efectuar: tipo de material, microestructura, etc.

Actualmente se dispone de equipos automatizados que permiten establecer condiciones de repetitividad para un mejor control del proceso.

1.2. Obtención de la muestra

Antes de la obtención de la muestra es necesario conocer el problema a estudiar. El número de muestras y la zona del material de donde se obtendrán dependen de cada problema. Así, en algunos casos será necesario obtener una única muestra de un lugar determinado, pero en otros, deberán obtenerse varias muestras en distintas posiciones y orientaciones del material. La orientación de la muestra puede jugar un papel decisivo en aquellos casos en que el material presenta anisotropía (laminación, deformación en frío, etc.)

El modo de obtención de la muestra tiene como objetivo el mantenimiento de las características originales del material. Así, para materiales blandos pueden utilizarse sierras (manuales o mecánicas), mientras que para materiales duros suelen emplearse tronzadoras con abundante refrigeración para evitar que el calentamiento producido altere la microestructura del material.

También es muy recomendable utilizar discos de corte especiales para muestras metalográficas. La utilización correcta para cada familia de materiales (muy duros, duros, blandos, etc.) evitará calentamientos excesivos del material, tiempo de proceso demasiado largo y una rugosidad excesiva de la superficie cortada que prolongaría las etapas posteriores.

2 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials

Estos discos están formados por un abrasivo de tamaño de grano adecuado aglutinado con un adhesivo apropiado.

1.3. Embutición

El proceso de embutición se realiza cuando el tamaño de la muestra es demasiado reducido para manipularlo con facilidad, o cuando se desea observar con detalle los bordes de la misma.

Consiste en la embutición de la muestra metálica en una base de material plástico. Este se presenta en forma de polvo o pastillas.

La embutición puede realizarse en caliente o en frío.

 Embutición en caliente:

Los polímeros usualmente empleados son: Baquelita (resina fenólica opaca) Lucita (termoplástico acrílico transparente) El proceso consiste en colocar la muestra y el polímero en un molde usualmente cilíndrico y someter el conjunto a presión (12 bar) y temperatura (145ºC) durante un tiempo (8 min. aprox.), dejando enfriar posteriormente dentro del molde.

 Embutición en frío:

Se utilizan resinas termoestables de polimerización a temperatura ambiente. Este grupo está formado por resinas de tipo epoxi, acrílico (metacrilato) y poliéster.

Se presentan en forma de polvo o líquido, que mezclado con un catalizador, produce la reacción de polimerización.

La utilización de uno u otro sistema y resina, dependerá de las instalaciones existentes, del tipo de material y del proceso.

1.4. Desbaste

Tiene por objeto la reducción de la rugosidad superficial; se realiza en cuatro etapas sucesivas mediante material abrasivo en forma de papel esmeril.

El abrasivo más utilizado es el carburo de silicio (SiC). Su tamaño de grano varía entre 240, 320, 400 y 600 grados mesh (#). La unidad mesh corresponde al número de hilos por pulgada cuadrada que hay en un cedazo. Por tanto, cuanto mayor tamaño de grano, menor índice mesh.

El proceso se realiza en un útil de desbaste y consiste en frotar la superficie de la probeta contra el abrasivo hasta que sólo se aprecien las marcas originadas por el tamaño de grano utilizado, a continuación se repite el proceso girando la probeta 90º, utilizando un tamaño de grano menor, hasta completar las cuatro etapas.

Durante el desbaste, la muestra debe estar refrigerada para evitar su calentamiento, usualmente se utiliza agua, que además de refrigerar, cumple la misión de limpieza por arrastre de granos arrancados y virutas de material de la muestra y soporte plástico. Ello implica que el papel esmeril empleado debe ser resistente al agua.

1.5. Pulido

Tiene por objeto reducir las marcas originadas en la etapa anterior. Igual que en el proceso anterior, el pulido se realiza en varias etapas consecutivas y en cada una de ellas se utiliza un abrasivo de tamaño de grano menor que el de la etapa anterior.

4 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials

1.7. Resultados

Ferrita laminada

(x150) (x300) Chapa naval (acero al carbono al 0.2%)

(x300) (x600)

Ferrita

(x75) (x300)

Preparación metalográfica 5

Acero C45E laminado

(x300) (x750)

Acero C45E templado

(x750) (x1500)

Acero C45E

(x300) (x750)

2. ENSAYOS DE TRACCIÓN Y RESILIENCIA

2.1. Ensayo de tracción

2.1.1. Introducción

El ensayo de tracción técnico permite la medida de unas propiedades relacionadas con la resistencia a la tracción y la ductilidad de un material metálico. El primer tipo de propiedades se usan en los diseños ordinarios de estructuras y equipos, mientras que el segundo tipo permite conocer hasta que punto puede deformarse plásticamente un material sin que rompa.

En un ensayo de tracción una determinada muestra de material se somete a una fuerza de tracción en dirección axial que provoca su alargamiento normalmente hasta la rotura. Aunque las condiciones del ensayo no son estáticas, se considera que el ensayo de tracción técnico es cuasiestático dado que la velocidad del alargamiento es muy pequeña.

2.1.2. Fundamentos del ensayo

Se considera una probeta cilíndrica de longitud L 0 que se somete a tracción aplicando una fuerza F.

Por efecto de la fuerza F , la probeta aumenta su longitud. Se define como alargamiento a la diferencia entre la longitud considerada en cada momento L menos la longitud inicial L 0.  L = L - L 0 Simultáneamente a la realización del ensayo, se determina el valor de la fuerza ( F ) aplicada sobre la muestra (probeta) y el alargamiento longitudinal (  L ) producido en la misma. Representando estos valores de fuerza en el eje de ordenadas y los correspondientes valores de alargamiento en el eje de abscisas se obtiene el diagrama fuerza-alargamiento o diagrama de máquina (figura de la página siguiente). Estos valores de fuerza y alargamiento longitudinal dependen de las dimensiones de la muestra por lo que usualmente se normalizan considerando la sección y la longitud inicial de la muestra utilizada en el ensayo.

8 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials

Así, dividiendo los distintos valores de fuerza aplicada por la sección inicial ( S0 ) de la probeta se obtienen los correspondientes valores de tensión ( ). Análogamente, dividiendo los alargamientos instantáneos producidos por la longitud inicial de la probeta ( L 0 ) se obtienen los correspondientes valores de deformación unitaria o deformación lineal ( e ), que son adimensionales.

 =

F

S 0

e =

L

L 0

La representación de los valores de tensión en ordenadas y de deformación lineal en abscisas permite obtener el diagrama tensión-deformación lineal o diagrama convencional.

Diagrama de máquina o diagrama Fuerza vs. Alargamiento

Diagrama convencional o Tensión vs. Deformación.

10 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials

F = k ·  L  F =  · S0;  L = e ·L (^0)

 ·S0 = k ·e · L 0  e S

k L 

0

^0

Para que los valores de proporcionalidad sean independientes de la forma y dimensiones iniciales, se define como módulo de elasticidad o módulo de Young a la relación:

0

0 S

k L E

 (^) (MPa)

Por lo que resulta:  = E · e A valores de tensión algo superiores puede distinguirse el límite elástico ( Re ) definido como la tensión máxima que el material puede soportar sin que se aprecie ninguna deformación permanente después de retirar la carga aplicada. A valores de tensión superiores a este límite elástico se producen deformaciones plásticas del material que permanecen aún después de retirar la tensión que las produjo. El límite elástico es una magnitud práctica de diseño, que con frecuencia se aprecia con dificultad y que tiende a confundirse con el límite de proporcionalidad.

Sólo en muy pocas aleaciones se aprecia el límite elástico aparente superior ( ReH ) o límite inicial de cedencia definido como el primer valor máximo de tensión a partir de la cual el material cede aumentando su longitud sin necesidad de aumentar la tensión aplicada. Después de una serie de fluctuaciones de tensión, que indican que el fenómeno de cedencia no se produce de una forma homogénea en todo el material, se alcanza una deformación en la cual el material se ha endurecido. A partir de este punto es necesario aplicar valores de tensión crecientes para producir ulteriores deformaciones. La tensión mínima determinada durante este proceso de cedencia del material se denomina límite elástico aparente inferior ( ReL ) o límite final de cedencia.

También aparecen como puntos significativos R (^) m ( tensión máxima ) y R (^) r ( tensión de rotura ).

2.1.3.2. Resistencia a la tracción

Debido al endurecimiento del material durante su deformación plástica, es necesario aplicar valores de tensión crecientes para seguir deformando el material. Estos valores de tensión alcanzan un valor máximo definido como resistencia a la tracción ( Rm) o tensión máxima. Hasta este valor de tensión la sección de la probeta se ha deformado uniformemente. A partir de este valor de tensión aparece una disminución localizada de la sección de la probeta de ensayo debido a la inestabilidad del material. Esta zona de la probeta disminuirá progresivamente su sección hasta que se produzca la rotura del material.

Ensayos de tracción y resiliencia 11

2.1.3.3. Tensión de rotura

La tensión de rotura corresponde a la tensión aplicada que produce la rotura de la probeta de material en dos fragmentos, y se determina a partir de la fuerza que soportaba la probeta en el momento de la rotura, dividida por la sección inicial de la probeta.

2.1.3.4. Límite elástico convencional

En muchos materiales no es posible observar el límite elástico tal y como se ha definido. Por otra parte, cuando esta observación es posible, el valor de tensión medido depende marcadamente de la precisión de los aparatos de medida utilizados para determinar la presencia o no de deformación permanente.

Por esta razón, y con fines prácticos, se ha definido el límite elástico convencional ( Rp (^) n) o límite elástico del n %. Este límite elástico es igual al valor de la tensión que una vez aplicada y retirada ha producido una deformación plástica permanente del n % de la longitud inicial de la probeta de ensayo. El porcentaje de deformación permanente más frecuente es 0.2%, aunque también se utilizan valores del 0.1% y del 0.02%.

La determinación del límite elástico convencional se realiza sobre el gráfico tensión-deformación lineal trazando sobre este gráfico una recta paralela al tramo recto (figura siguiente) a una distancia equivalente a la deformación permanente exigida ( n %) medida sobre el eje de deformaciones lineales a partir del valor 0 de deformaciones. Por definición, el valor de la tensión que corresponde al punto en que esta línea paralela corta a la curva tensión-deformación lineal es el valor del límite elástico convencional del material.

Algunos materiales (cobre, fundición gris,...) no presentan una zona recta en la curva tensión-deformación lineal que permita trazar una línea paralela a la distancia requerida. En este

Límite elástico convencional del 0.2%.

Ensayos de tracción y resiliencia 13

que operando queda:

W V

= de 0 ^  

es decir, el trabajo realizado por la máquina sobre la probeta por unidad de volumen es igual al área bajo la curva del diagrama tensión-deformación lineal del ensayo de tracción.

Se denomina módulo de resiliencia ( MR ) a la energía por unidad de volumen que la muestra puede almacenar hasta llegar al límite elástico y que devuelve el material cuando se descarga. Por tanto, el módulo de resiliencia corresponde al área bajo la curva en la zona de deformaciones elásticas, y puede calcularse mediante la expresión:

En gráfico fuerza - alargamiento:

MR =

F L

Volumen inicial

F L

S 0 L 0

N m m

J

(^3) m 3

En gráfico tensión - deformación:

MR =

e =

2 E

( Rp^ ) E

2 0,

2     

2.1.3.8. Módulo de tenacidad

El módulo de tenacidad ( MT ) se define como la energía total que puede absorber el material por unidad de volumen hasta el momento de su rotura durante un ensayo de tracción, y está relacionado con la tenacidad del material. Este módulo se calcula por integración del área bajo la curva del diagrama tensión-deformación. En los aceros dúctiles, esta propiedad es característica de la zona plástica ya que solo una pequeña parte del área corresponde a la zona elástica, no así en los aceros frágiles.

MT =

F dL V = de ; 0

    ^

 ^ ^

 ^

 

^

N m m

J (^3) m 3

2.1.4. Diagrama tensión real-deformación real

Las definiciones de tensión convencional y deformación lineal se han realizado a partir de los correspondientes valores de fuerza y alargamiento referidos a las dimensiones iniciales de la probeta. Por tanto, estas definiciones sólo son estrictamente válidas en el momento de inicio del ensayo. Una vez iniciado el ensayo, las dimensiones de la probeta cambian y la tensión y deformación posteriores deberían referirse a estas nuevas dimensiones. No obstante, si las tensiones aplicadas no sobrepasan el valor del límite elástico, la variación de longitud y sección es tan pequeña que no se produce ningún error apreciable considerando las dimensiones iniciales.

No ocurre lo mismo cuando se alcanza la zona de comportamiento plástico. En este caso, las deformaciones producidas cambian sustancialmente las dimensiones de la probeta, y es necesario considerar la tensión real que está soportando el material en cada momento y la deformación real producida.

Para definir la deformación real ( ) se considera una probeta que tiene una longitud instantánea ( L (^) i ) que por efecto de una tensión instantánea sufre un alargamiento muy pequeño ( dL ). El alargamiento unitario infinitesimal producido durante este instante sería:

d

dL Li  

14 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials

y la deformación total de la probeta sería la suma de todos los infinitos alargamientos unitarios infinitesimales. Es decir, la deformación real de la probeta será la integral definida entre la longitud inicial ( L 0 ) y la longitud en un determinado instante ( L (^) i ) de los alargamientos unitarios infinitesimales. Por tanto:

 (^)   0^ L^0

L

Ln L

dL (^) i L

L i

i

La deformación real así definida puede calcularse a partir de la correspondiente deformación lineal ( e ) mediante la relación:

e =

L (^) i − L (^) 0 L (^) 0

L (^) i L (^) 0

de donde, ^ ln^1  e 

Análogamente, se define la tensión real (  R ) como la fuerza que actúa en un determinado instante ( F ) dividida por la sección instantánea de la probeta que la soporta ( Si ). Si consideramos que el volumen del material no varía durante el proceso de deformación plástica,

S 0  L 0  S (^) i  Li

que operando, 0

0 L

S L

S = i^ i

y sustituyendo queda, S^0  S^^ i ^^1  e 

Considerando la definición de tensión convencional,  =

F

S 0

y sustituyendo,

S ( 1 +e )

_F

i_ 

 (^) , y aplicando la definición de tensión real queda:

 (^) R =   ( 1 + e )

con lo cual es posible definir el diagrama tensión real-deformación real. Este diagrama corresponde a la tensión real que está soportando en cada momento el material y la deformación real producida por esta tensión. Este diagrama puede determinarse por aplicación de las definiciones anteriores hasta los valores de tensión y deformación que corresponden al valor de resistencia a la tracción ( R (^) m ). A partir de este valor de tensión se produce la estrangulación localizada de una zona de la probeta y dejan de cumplirse las hipótesis que han permitido relacionar la tensión y deformación real con las correspondientes tensión convencional y deformación lineal. No obstante, se puede determinar el valor de tensión real de rotura a partir de la fuerza que produce la rotura del material y que corresponde al último valor del diagrama de fuerza-alargamiento dividido por la sección final de la probeta calculada a partir del diámetro de la zona de estricción, una vez rota la probeta.

Diagrama real o Tensión real vs. Deformación real.

16 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials

2.1.6. Condiciones de ensayo

En todo momento el eje longitudinal de la probeta debe coincidir con la dirección de la fuerza de tracción, esto es particularmente importante para la determinación correcta del límite elástico. Con este fin las mordazas de las máquinas de ensayos van provistas de un dispositivo de articulación adecuado que permite una fácil alineación.

La velocidad a que se realiza el ensayo puede tener una notable incidencia en los resultados obtenidos. Para una determinación rigurosa del límite elástico (especialmente ReH ) será preciso regular la velocidad de deformación cuando las tensiones se aproximen al punto citado (con velocidades altas los resultados obtenidos son normalmente más altos). En general, la velocidad de deformación en las inmediaciones del límite elástico aparente no será superior al 15% de L (^) o por minuto. Una vez determinado el límite elástico puede incrementarse la velocidad de aplicación de la carga hasta concluir el ensayo. En cualquier caso, la velocidad a lo largo del ensayo será lo más uniforme posible y los cambios se efectuarán gradualmente.

2.2. ENSAYOS DE RESILIENCIA

2.2.1. Introducción

Durante la Segunda Guerra mundial un gran número de barcos de las series Liberty y T-2, que habían sido construidos especialmente para el abastecimiento del frente europeo, presentaron fallos por rotura frágil del casco. Algunos de estos barcos llegaron a partirse completamente en dos, mientras que en otros casos los barcos necesitaron grandes reparaciones. Estos fallos aparecieron tanto en barcos en alta mar, donde las condiciones del oleaje podían someter el casco a fuertes golpes, como en barcos que estaban anclados en puerto. No obstante, estos fallos siempre estaban asociados a bajas temperaturas, lo que apuntaba a un cambio en el comportamiento dúctil de los aceros empleados en la construcción de estos barcos. Estos mismos problemas ya habían aparecido esporádicamente en grandes depósitos y tuberías, recipientes a presión y puentes, pero habían sido atribuidos a un diseño deficiente y no a un cambio en el comportamiento del material.

Tres factores básicos contribuyen a la rotura frágil por clivaje (sin apenas deformación plástica previa a la rotura): un estado de tensión triaxial , una temperatura baja , y una alta velocidad de deformación o de aplicación de carga. No obstante, la presencia del estado de tensión triaxial generado por una entalla y una temperatura ambiente baja es suficiente para que se produzca la rotura. La alta velocidad de aplicación de carga sólo acentúa este comportamiento frágil del material. Así, materiales que presentan idénticas propiedades en ensayos de tensión o torsión a bajas velocidades de deformación, presentan grandes diferencias en su tendencia al comportamiento frágil cuando se aplica una fuerza mediante impacto.

Se han propuesto varios tipos de ensayo por impacto para determinar la tendencia que presenta un determinado material hacia un comportamiento frágil. Pero solamente dos tipos han sido normalizados: el ensayo Charpy y el ensayo Izod. En esencia, estos dos tipos de ensayo consisten en romper una probeta entallada de un solo golpe, y medir la energía necesaria para producir la rotura.

Aunque por razones históricas se ha venido denominando a este tipo de ensayo como ensayo de resiliencia, y a los valores obtenidos como valores de resiliencia, es necesario comentar aquí que esta denominación es engañosa. El valor de la energía absorbida durante el proceso de deformación y rotura de la probeta es una medida de la tenacidad del material y no de su resiliencia tal y como se definió en el ensayo de tracción. Una denominación más coherente sería ensayos de rotura por impacto en probetas entalladas, si bien conservaremos la definición

Ensayos de tracción y resiliencia 17

clásica de resiliencia porque es la adoptada en la correspondiente norma UNE-EN ISO 148- 1:2017.

2.2.2. Fundamentos del ensayo

El ensayo de resiliencia consiste en romper una probeta mediante un solo golpe aplicado a una velocidad conocida y medir la energía empleada en la rotura. El modo más sencillo de aplicar un golpe de estas características midiendo, además, con facilidad la energía consumida consiste en utilizar un martillo pendular.

Así, si consideramos que péndulo físico es la generalización del concepto de péndulo simple al caso de cuerpos con masa no puntual suspendidos por algún punto distinto de su centro de gravedad y restringimos el movimiento del péndulo a un plano, es fácil demostrar que:

Ep 1 = m · h 1 · g donde Ep 1 corresponde a la energía potencial que posee un péndulo de una masa equivalente m situada en el punto de percusión del péndulo, h1 la altura del centro de percusión respecto de la posición más baja, y g la aceleración de la gravedad. El centro de percusión corresponde al punto del péndulo que impacta contra la probeta. Esta energía potencial va transformándose en energía cinética a medida que el péndulo se acerca a la probeta, y al impactar contra ella parte de dicha energía se emplea en al proceso de rotura y el resto la utiliza el péndulo en su movimiento de ascenso hasta alcanzar la posición final (instante en el que se detiene para continuar después el movimiento en sentido contrario). En este punto la energía potencial del péndulo es:

Ep 2 = m · h 2 · g Si se considera nula la energía disipada por rozamientos, la energía absorbida durante la rotura de la probeta será:

E = Ep 1 - Ep 2 = m · g · (h 1 - h (^) 2) La masa del péndulo se conoce para cada tipo de máquina de ensayo, y por tanto, E sólo es función de ( h1 - h 2 ). Mediante un mecanismo adecuado que lleva incorporado cada máquina se

Esquema de péndulo para ensayos de impacto.