INGENIERIA INDUSTRIAL CATEDRA: PROCESOS DE MANUFACTURA PROF: LILIANA ROSALES
ENSAYOS DE ALTAS Y BAJAS TEMPERATURAS
Alumno: Manuel Cedeño Luis Fidalgo
Caracas, 11-02-12
INDICE Introducción Objetivo general Altas y bajas temperaturas Metales a altas y bajas temperaturas Altas temperaturas Pruebas a Temperatura Elevada Pruebas de fluencia Pruebas de esfuerzo y rotura Pruebas de tensión de tiempo corto Propiedades de fluencia de varias aleaciones Ensayos a alta temperatura Ensayos de resiliencia Mecánica de fractura Simulación numérica Ensayos de alta temperatura Resistencia a la tracción Ensayo de termofluencia y rotura por fluencia Ensayo a bajas temperatura Ensayo de tracción Ensayo de dureza Ensayo de tenacidad Ensayo de conformación Conclusiones Bibliografía
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INTRODUCCIÓN Las propiedades de los materiales están en función de la velocidad de deformación y de la temperatura; para un correcto conocimiento del comportamiento del material es necesario disponer de ensayos mecánicos que permitan probar los materiales a diferentes temperaturas y velocidades de deformación. En relación a los metales, esas propiedades generalmente se determinan a temperatura ambiente, y la idea que se tenga respecto a los metales se basa en su comportamiento a temperaturas normales. Cuando se cambia la temperatura, llegando a ser mayor o menor, los cambios en el comportamiento de los metales ocurren a menudo y pueden afectar seriamente su aplicación específica. En este trabajo explicaremos el comportamiento de los materiales cuando son sometidos a altas y bajas temperaturas.
OBJETIVO GENERAL Conocer los distintos tipos de ensayos con metales y otros materiales, a altas y bajas temperaturas.
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ALTAS Y BAJAS TEMPERATURAS Al hablar de la energía geotérmica de alta y baja temperatura estamos hablando de dos tipos de aprovechamiento energético radicalmente distintos, podríamos decir que uno es a gran escala, y el otro a pequeña. La energía geotérmica de alta temperatura trata de aprovechar el calor producido por las profundidades de la Tierra, que en ocasiones no son tan profundas. Es decir, un volcán o un río de aguas termales proporcionarían una gran cantidad de calor aprovechable sin necesidad de irse a las profundidades. Y de ahí hacia abajo, depende de las zonas del mundo, puede haber grandes cambios de temperatura que se pueden utilizar. El proceso se desarrolla parte en el subsuelo, parte en superficie. Subsuelo: La técnica consiste en realizar un sondeo profundo de unos 4.000m hasta llegar a la roca caliente a más de 150ºC. Posteriormente se realiza una estimulación hidráulica de las fracturas existentes en la roca a esa profundidad para que éstas puedan funcionar como canales de intercambio de calor entre el agua y la roca. Superficie: Ya en la planta geotérmica, el agua caliente extraída en el sondeo de producción intercambia su calor con otro líquido orgánico de bajo punto de ebullición y es reinyectada de nuevo al subsuelo para volver a ser recal entada por la “roca caliente” que actúa a manera de “caldera”. Al ser calentado el líquido orgánico se convierte en vapor que mueve un turbogenerador que produce la energía eléctrica. La fase vapor del líquido orgánico es enfriada en un condensador para volver a comenzar el circuito. Por otro lado tenemos la energía geotérmica de baja temperatura que es la que podemos aprovechar del suelo para producir agua caliente o bien calefacción por suelo radiante. En este tipo de calefacción por suelo radiante 4
la temperatura máxima que suele alcanzar es de 47ºC y se calienta más la parte inicial del circuito que la parte final. Con sistemas tradicionales de calefacción por gas, estas diferencias no suelen ser importantes si la instalación está bien hecha, pero con el suelo radiante son más difíciles de evitar. En cualquier caso, la energía geotérmica de baja temperatura consiste en un serpentín bajo tierra a una profundidad de 60cm que capta la diferencia de temperatura de la tierra con respecto a la temperatura ambiental mediante algún tipo de líquido. La superficie de captación debe ser como mínimo la misma que la de la superficie que se quiere calentar por suelo radiante. Metales a altas y bajas temperaturas Los términos alta y baja temperatura son relativos respecto a nuestro propio medio natural. Lo que se considera una alta temperatura para metales de bajo punto de fusión (como estaño y plomo ) puede considerarse como una baja temperatura para un metal de alto punto de fusión (como el tungsteno) . Por tanto, los metales con menor punto de fusión exhibirán características a bajas temperaturas que requerirán temperaturas relativamente mayores para otros metales; por ejemplo, una temperatura de aproximadamente 1000 º F puede ser necesaria para recristalizar hierro después de trabajar en frío, pero el estaño y el plomo recristalizarán a la temperatura ambiente o cerca de ella. Las propiedades de los metales generalmente se determinan a temperatura ambiente, y la idea que se tenga respecto a los metales se basa en su comportamiento a temperaturas normales. Cuando se cambia la temperatura, llegando a ser mayor o menor, los cambios en el comportamiento de los metales ocurren a menudo y pueden afectar seriamente su aplicación específica.
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ALTAS TEMPERATURAS Pruebas a Temperatura Elevada El comportamiento que se observa en los metales al someterlos a esfuerzos a altas temperaturas depende de la duración del periodo de prueba. Como la expectación de vida de las piezas de maquinaria suele ser alta, no es posible llevar a cabo un ensayo por muchos años para determinar qué utilizar en la construcción actual. Es necesario extrapolar basándose en ensayos de tiempos más cortos; sin embargo, esta extrapolación debe hacerse con gran cuidado a partir de pruebas que proporcionen datos útiles. Esto es especialmente difícil para aplicaciones a alta temperatura, ya que ocurrirán cambios en el comportamiento conforme transcurra el tiempo a la temperatura de trabajo. En las pruebas a alta temperatura, es necesario determinar la dependencia de la resistencia límite (resistencia a la ruptura) y la resistencia a la cedencia (resistencia a la fluencia) respecto al tiempo de aplicación del esfuerzo. Se han diseñado muchas pruebas para realizar estudios a alta temperatura, pero las más ampliamente utilizadas son:
Pruebas de fluencia con pequeñas deformaciones: baja rapidez de
esfuerzo y deformación durante largos periodos.
Pruebas
de
esfuerzo-ruptura
(fluencia-ruptura)
con
mayores
deformaciones: intensidades mayores de esfuerzos y deformación
durante periodos más reducidos.
Pruebas tensiles de tiempo corto con grandes deformaciones: rapidez
de esfuerzos altos y deformaciones severas disponibles con el tiempo usual de pruebas de tensión. Pruebas de fluencia
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La fluencia es una propiedad de gran importancia en los materiales para aplicaciones a alta temperatura. Puede definirse como un flujo plástico lento y continuo, bajo condiciones constantes de carga o esfuerzo. La fluencia generalmente se asocia con una rapidez de tiempo de deformación que continúa aún bajo esfuerzos inferiores a la resistencia de cedencia nominal a la temperatura específica a la cual está sujeto el metal. Ocurre a cualquier temperatura, aunque su importancia depende del material y del grado en que se quiera evitar que la deformación continúe. Una prueba de fluencia es simplemente una prueba de tensión efectuada a carga y temperatura constante. Hay un medio para medir la elongación de la muestra con mucha precisión y un medio para calentar la muestra bajo condiciones estrechamente controladas. La fluencia total o porcentaje de elongación se grafica contra el tiempo, cubriendo para ello la duración completa de la prueba. Pruebas de esfuerzo-ruptura Estas pruebas tienen por objeto determinar la capacidad de un material para resistir la fractura a altas temperaturas. En las pruebas de esfuerzo-ruptura, las cargas son suficientemente altas para producir rupturas comparativamente rápidas. El tiempo utilizado suele estar entre 10 y 400 horas aunque algunas pruebas se pueden efectuar en 1000 horas. Una serie de muestras son rotas a cada temperatura de interés, bajo carga constante, seleccionando los esfuerzos de tal manera que las fracturas se presenten a partir de unos minutos hasta varios cientos de horas. Los resultados generalmente se grafican en coordenadas log-log y, si no ocurren cambios estructurales durante el periodo de prueba, la relación entre el esfuerzo de ruptura y tiempo y la ruptura efectiva es lineal.
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Las principales diferencias entre las pruebas de esfuerzo-ruptura y las de fluencia son el tiempo de prueba, el nivel de rapidez de esfuerzo o deformación, y la sensibilidad de control y medición de temperatura, carga y deformación. Antes de la fractura es posible determinar la elongación como función del tiempo, como en una prueba ordinaria de fluencia. De estos datos, también se puede determinar la rapidez de fluencia en condiciones estables o mínima rapidez de fluencia para esfuerzos muy altos. Pruebas de tensión en tiempos cortos Estas pruebas se utilizan para estudiar el efecto de calentar una muestra y probarla bajo intensidades de deformación disponibles en la máquina ordinaria de pruebas tensiles. Las propiedades elásticas a altas temperaturas no son reales, ya que sus valores dependen del tiempo entre las aplicaciones de las cargas, y su precisión depende de la sensibilidad del extensómetro. La duración del ensayo suele ser de sólo unos minutos, y los efectos importantes del tiempo en que permanece sometido a la temperatura no se miden. La prueba de tensión en corto tiempo falla en predecir lo que sucederá en un periodo más corto o más largo y, por tanto, tiene poca aplicación. La prueba algunas veces se utiliza para una rápida estimación de materiales a fin de garantizar que sea conveniente un estudio ulterior, y la resistencia tensil de tiempo corto se emplea a menudo como el punto 0.1 horas sobre una curva de ruptura.
Propiedades de fluencia de varias aleaciones Los aceros al carbono y los aceros de baja aleación tienen amplias aplicaciones a temperaturas moderadas en especial inferiores a 900 º F. Un incremento en el contenido de carbono mejora la resistencia de fluencia a
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temperaturas inferiores cuando los carburos están presentes en forma laminar. Lo contrario es cierto a temperaturas superiores cuando los carburos están esferoidizados. La estructura recomendada de aceros al carbono para servicio a temperatura alta es la normal. La estructura recocida parece ser menos estable y tiende a esferoidizarse más rápidamente, reduciendo la resistencia de fluencia. Utilizar aluminio como desoxidador en la manufactura de acero tiende a producir grano fino, el cual disminuye la resistencia de fluencia. Las adiciones de aluminio deben mantenerse bajas, y su efecto es reducido considerablemente por la presencia de manganeso y molibdeno. En los aceros de baja aleación, que contienen menos del 10% de aleación, el molibdeno y el vanadio son muy efectivos en aumentar la resistencia de fluencia. El contenido de carbono generalmente se mantiene a menos del 0.15%. El acero con 0.5% de molibdeno se utiliza para tubería y tubos de sobrecalentadores a temperaturas hasta de 850ºF. Por encima de esta temperatura, la esferoidización y la grafitización tienden a tener lugar, con una reducción en la resistencia de fluencia. La adición de 1% de cromo a este acero incrementa la resistencia a la grafitización, y el acero se puede utilizar para tubería y tubos para caldera a temperaturas hasta de 1000ºF. Los aceros al cromo-molibdeno-vanadio que contienen hasta 0.5% de carbono se utiliza en la condición de normalizado y revenido, o templado y revenido. Tienen resistencia de cedencia y de fluencia relativamente altas y son adecuados para pernos, rotores para turbinas de vapor y otras piezas que funcionan a temperaturas hasta de 1000ºF. ENSAYOS A ALTA TEMPERATURA Ensayo de resiliencia
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El ensayo de resiliencia, también llamado de impacto o choque proporciona una medida de la tenacidad del material e indirectamente de su ductilidad ya que en general existe una correlación entre ambas características; el valor numérico obtenido, sin embargo, es similar al de la resiliencia por lo que también se denomina ensayo de resiliencia. La razón de esta coincidencia se debe al hecho de que en el ensayo de impacto la carga que provoca la rotura de la probeta se aplica de forma instantánea impidiendo la deformación plástica del material provocando en la práctica la fractura frágil de materiales dúctiles. El valor obtenido en el ensayo constituye una referencia válida para prever el comportamiento de los materiales frente a cargas dinámicas (variables) y valorar si un material concreto será adecuado en una determinada situación, si bien, a diferencia de otras características determinadas mediante ensayo, como por ejemplo las del ensayo de tracción, el valor de la resiliencia no tiene utilidad en los cálculos de diseño. Realización del ensayo
El ensayo destructivo como se muestra en la figura consiste en romper una probeta entallada golpeándola con un péndulo.
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Partiendo de una altura H incial desde la que se deja caer el péndulo de peso P y alcanzando éste después de romper la probeta una altura h (girando en total un ángulo α + β) se puede calcular la energía absorbida por la probeta en el impacto suponiendo que ésta es igual a la perdida por el péndulo.
Energía potencial inicial: P×H = P×L×(1- cosα) Energía potencial final: P×h = P×L×(1-cosβ)
La energía absorbida por la probeta será: P×L×(1-cosα) - P×L×(1-cosβ) = = P ×L×(cosβ-cosα)
Cuanta mayor sea la fragilidad del material y menor su tenacidad más fácilmente romperá el péndulo la probeta y mayor altura alcanzará tras el impacto. Materiales muy dúctiles y tenaces que son capaces de absorber grandes cantidades de energía de impacto pueden incluso resistir el choque sin llegar a romperse; en este caso el valor de la resilencia queda sin determinar. El péndulo en su balanceo inicial arrastra una aguja que queda fija en el punto más elevado alcanzado tras el impacto señalando sobre una escala graduada el valor de la resiliencia. La temperatura normalizada de ensayo es de 20 º C como para el resto de características en mecánica (dimensiones de las piezas incluidas), no obstante pueden ensayarse probetas a distintas temperaturas cuando la pieza tenga que soportar temperaturas distinta de la ambiente, sean éstas bajas temperatura, -20ºC, para simular el comportamiento durante, por ejemplo, las heladas, criogénicas (-71ºC a -196ºC) o altas temperaturas.
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Igualmente ensayos a distinta temperatura permiten determinar la temperatura de transición frágil-dúctil del material y por tanto la temperatura mínima de servicio. Mecánica de la fractura El equipo experimental está basado en el dispositivo dela barra Hopkinson, sobre el cual se ha acoplado un horno y un sistema de fotografía ultrarrápida del equipo El dispositivo consta de dos barras, generalmente de acero o aluminio, entre las que se coloca la probeta a ensayar. Se impacta con una tercera barra en la dirección longitudinal y se genera un estado tensión al que se propaga longitudinalmente por las barras y la probeta. Mediante un estudio adecuado de las ondas de tensión que se propagan sobre las barras y la probeta es posible obtener la totalidad de la curva tensión deformación de la probeta, obteniéndose velocidades de deformación en el entorno de 103 s-1 y constantes durante el ensayo. Para extender el ensayo a altas temperaturas se ha acoplado un horno que cubre la probeta y parte de las barras. El horno puede desplazarse longitudinalmente sobre las barras mediante un sistema neumático gracias a un pistón de doble efecto, de forma rápida y reversible para permitir la fotografía. En la situación inicial, durante el calentamiento y hasta la estabilización de la temperatura de ensayo, la probeta se encuentra centrada en el interior del horno. Para realizar el ensayo se abre una válvula que suministra presión al cañón, de forma que se acelera el proyectil, y simultáneamente suministra presión al pistón para que el horno se desplace. En el instante en que el proyectil choca con la barra incidente, el horno ya se encuentra totalmente desplazado y en posición de abierto. En ese instante, si es necesario, las cámaras de fotografía pueden tomar imágenes del proceso de deformación y rotura de la
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probeta. Una vez realizado el ensayo, el horno vuelve rápidamente a su posición original para disminuir el choque térmico sobre las barras y no reducir su vida útil. Modificando los caudales de aire que actúan sobre el pistón, es posible controlar la velocidad de desplazamiento del horno .Esto puede hacerse de forma independiente para cada uno de los sentidos de movimiento del horno, apertura o cierre. Este proceso de desplazamiento del horno puede regularse por tanto a voluntad, controlando los tiempos de ambos movimientos así como el tiempo en que el horno está en posición de abierto. Para conseguir la temperatura más alta posible durante el ensayo, se ha elegido un material para las barras que se comporte de forma elástica incluso a altas temperaturas, tanto a compresión como a tracción. Para cumplir estos requisitos, las barras que forman el sistema de ensayos se han fabricado con la superaleación de Níquel, Rene41, con un diámetro de19mm y una longitud de 1000mm. Este material es capaz de mantener un límite elástico por encima de500MPa hasta 1000ºC de temperatura .El tiempo entre la apertura del horno y el instante del ensayo debe ser el menor posible para evitar el descenso de temperatura de la probeta. De igual forma, el tiempo entre la apertura del horno y su cierre debe ser pequeño para disminuir el choque térmico sobre las barras y aumentar su longevidad. Todo el proceso de movimiento del horno es monitorizado mediante un transductor de desplazamiento que proporciona la posición del horno en cada instante. El horno puede considerarse en posición de abierto cuando el desplazamiento del mismo es superior a 140mm, esto es cuando el tiempo transcurrido está entre los 200ms y los 470ms. Es importante tener en cuenta que en el momento en el que se realiza el ensayo mecánico, a los 260ms después del disparo del proyectil, el horno lleva únicamente abierto 60ms, por lo que la probeta aún no ha tenido tiempo de reducir su temperatura, o su reducción ha sido mínima. Esto quiere decir 13
que la temperatura de la probeta en el instante del ensayo puede considerarse igual a la temperatura inicial a la que se encontraba en el horno. Este aspecto se ha comprobado mediante el calor que emite un cuerpo negro y despreciando los efectos de convección y conducción. Para un cuerpo negro, de las dimensiones de la probeta a ensayar, a los60ms el descenso de temperatura es únicamente unas décimas de grado. Esto quiere decir que se puede considerar que la temperatura de la probeta es la temperatura del horno.
Posición del horno comparada con las señales dela barra incidente y de la barra de salida.
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Perfil de temperatura en la barra de salida medido para diferentes temperaturas de control del horno
En primer lugar, el conseguir una temperatura en la posición de la instrumentación de las barras similar a la temperatura ambiente es fundamental, pues la temperatura afecta directamente al comportamiento delas bandas extensométricas y a la medida que estas proporcionan. Para ello se ha diseñado un sistema de enfriamiento para las barras mediante refrigeración por agua. El sistema de refrigeración logra que la temperatura de las barras en la posición de las bandas extensométricas sea precisamente la temperatura ambiente, cualquiera que sea la temperatura en el horno. Gracias a ello no es necesario corregir la medida que proporciona la instrumentación. En segundo lugar, el perfil de temperaturas en las barras afecta directamente a la propagación de las ondas elásticas en las barras, lo que implica que puedan ser necesarias correcciones adicionales de las señales para obtener la curva tensión deformación real. La correcta determinación del perfil de
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temperaturas en las barras es un factor clave para obtener un resultado adecuado en la medida de las tensiones y deformaciones en la probeta. El análisis de este efecto se ha realizado mediante simulaciones numéricas presentadas posteriormente. El perfil de temperaturas en las barras se ha determinado mediante 8 termopares situados entre la probeta y el sistema de refrigeración. Además de estos termopares se ha utilizado uno adicional para medir la temperatura en la posición de la instrumentación de las barras, cuya lectura siempre ha coincidido con la temperatura ambiente, con temperaturas en el horno desde el ambiente hasta 1000ºC. El perfil de temperaturas se ha obtenido para diferentes temperaturas de control del horno, desde 300ºC hasta1000ºC con objeto de simular adecuadamente la evolución de las ondas en las barras en la simulación numérica, el perfil de temperatura en las barras se ha ajustado mediante una expresión potencial de cuarto orden: T(x)=Tc(1+Ax+Bx2+Cx3+Dx4) (1)donde Tc es la temperatura de control del horno y las constantes son las siguientes: A=4.18·10-3mm-1,B =1.74·104mm-2, C =1.01·10-6mm-3 y D =1.77·10-9mm-4 Simulación numérica Para determinar la influencia del perfil de temperatura medido en las barras, en las medidas obtenidas de las bandas extensométricas, se realizaron simulaciones numéricas mediante el programa Autodyn3D. El propósito de estas simulaciones numéricas es comprobar y analizar si las tensiones y deformaciones que sufre el material que se ensaya son las mismas quelas que se obtienen de las medidas de la instrumentación de la barra Hopkinson. La simulación se realizó simulando completamente las barras, de 1m de longitud y 19mm de diámetro, entre las cuales se colocó una probeta 16
cilíndrica de 10mm de diámetro y 10mm de longitud. El tamaño de los elementos modelizados es de 1mm en la dirección longitudinal y variable, aunque del mismo orden, en la dirección transversal. Las condiciones de contorno impuestas al problema fueron de dos tipos, en velocidades y en temperaturas. La primera consiste en un perfil de velocidades en el extremo de la barra incidente de acuerdo con el que se obtiene experimentalmente por el proyectil. El perfil de temperaturas introducido es el que se obtiene experimentalmente en las barras, según la expresión polinomial, introduciendo la temperatura del horno Tc como parámetro de cálculo.
Resultados de la simulación numérica para una temperatura de 20ºC
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Resultados de la simulación numérica para una temperatura de 800ºC
Resultados de la simulación numérica. Efecto de la temperatura en la medida de la deformación.
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Resultados de la simulación numérica. Efecto de la temperatura en la medida de la tensión.
El material empleado en las barras fue el correspondiente a la aleación de níquel, con un modelo elástico y lineal. La variación del módulo elástico con la temperatura, para incluir el efecto térmico, se introdujo a través de una subrutina de usuario programando una función polinomial correspondiente a dicho material. El material empleado en la probeta fue un material elastoplástico sin endurecimiento por deformación. Las constantes elásticas corresponden al acero E=203GPa, ν=0.3, y el límite elástico es de 200MPa. Este material simulado no tiene variación con la temperatura, puesto que se persigue comparar su comportamiento predeterminado con las medidas de la instrumentación de la barra Hopkinson. Para el análisis de los resultados se ha medido la tensión y la deformación sufrida por la probeta en su centro, directamente sobre ella en un punto de integración. Por otro lado la tensión y la deformación se han obtenido delas
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deformaciones de las barras mediante la teoría clásica de la barra Hopkinson. Los resultados muestran que la medida de las deformaciones no está afectada por el perfil de temperaturas, y puede obtenerse directamente sin hacer ninguna corrección. Sin embargo las tensiones que proporciona la teoría de la barra Hopkinson mediante su análisis sobrevaloran ligeramente las tensiones reales que sufre la probeta, de forma más acusada cuanto más elevada sea la temperatura. Esta sobre valoración se produce únicamente a deformaciones bajas, siendo prácticamente despreciable cuando la deformación crece por encima del 1%. Este efecto no parece ser significativo hasta temperaturas superiores a 600ºC. El error cometido a 800ºC al utilizar la teoría clásica es del 7% a bajas deformaciones, y menor del 3% cuando la deformación en la probeta supera el 0.4%. Cuando la temperatura del horno se eleva hasta 1000ºC el error que se comete está acotado por el 12%, siendo menor del 5% para deformaciones mayores del 0.5%.Como conclusión puede afirmarse que para el material de las barras y con el perfil de temperaturas obtenido en el equipo experimental, los errores que se cometen al utilizar la teoría clásica de la barra Hopkinson son únicamente notables a temperaturas mayores a 800ºC y solo son importantes a deformaciones menores del 0.5%en la probeta. Se aprecia una disminución del límite elástico del 20% a 400ºC, y va disminuyendo paulatinamente con la temperatura hasta alcanzar una reducción del 65% a 800ºC. Los resultados de los ensayos muestran una disminución de la curva tensión deformación. En ella se aprecia que el comportamiento del material puede aproximarse a un comportamiento elastoplásticoperfecto para todas las temperaturas estudiadas. El ablandamiento que se observa debido al incremento de temperatura es claro. Al analizar 20
estas curvas hay que tener en cuenta que debido a la alta velocidad de deformación obtenida el ensayo no es isotermo sino adiabático. Eso implica quela temperatura de la probeta crece con la deformación durante el ensayo, ya que el trabajo plástico se transforma en calor produciendo un incremento térmico n la probeta. Ese aumento de temperatura puede calcularse suponiendo que una fracción β del calor generado proviene de la deformación plástica mediante la siguiente expresión: PT dC β σ ερΔ = ∫ (2) ENSAYOS DE ALTAS TEMPERATURAS Resistencia a la tracción El diseño de equipos para altas temperaturas requiere la utilización de ensayos de termofluencia y de rotura por fluencia, aunque también se necesitan ensayos de tracción de corta duración, que facilitan propiedades de la resistencia de los metales hasta que se llega al valor de fluencia del material. Los ensayos a tracción de corta duración proporcionan información sobre las características deductilidad que ayudan en el proceso de fabricación. La resistencia disminuye cuando se incrementa la temperatura, aunque hay una región para los aceros austenítico situada entre 4 0 0 - 900ºF y 2 0 4 - 428ºC en la que la resistencia es casi constante. Si estos ensayos se realizarían a temperaturas más elevadas, los datos no serían adecuados para el diseño de equipos que funcionasen un gran tiempo a esas temperaturas, por cuanto la aplicación continuada de carga produce una deformación lenta y continua, que puede ser importante y apreciable en un determinado período de tiempo y que, eventualmente, puede conducir a una fractura. Una excepción a la norma expuesta es el aumento de resistencia, con la consiguiente reducción en la ductilidad, que
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se observa a temperatura ambiente para el acero al C y muchos aceros aleados, en un intervalo de temperatura de 100 -600ºF 383-318º C Si la temperatura supera los600750 ºF 3 1 6 - 400ºC a resistencia delacero al C y de la mayoría de los aceros aleados de baja aleación, disminuye y se hace menor que la que corresponde a la temperatura ambiente, todo ello con el correspondiente aumento de la ductilidad. Ensayo de termofluencia y rotura por fluencia Ciertos materiales no metálicos como el vidrio, cuando se encuentran sometidos a tensiones experimentan con el tiempo una lenta y continua deformación. La rotura de un material metálico puede ocurrir, cuando se somete a tensiones a alta temperatura durante un tiempo suficientemente largo, incluso aunque la carga aplicada sea considerablemente menor que la correspondiente al ensayo de rotura a la misma temperatura. El ensayo de rotura por termofluencia se emplea para determinar a una temperatura dada de deformación el tiempo hasta la rotura. La probeta a ensayar se mantiene a una temperatura constante y se somete a una tensión estática fija; en el ensayo se miden su deformación y el tiempo hasta la rotura. La duración del ensayo se puede extender desde 1000 a 10000 horas, e incluso más. La curva representativa de la termofluencia se divide en tres etapas: La primera etapa de la curva de fluencia (A-B), termofluencia primaria, se caracteriza por una velocidad decreciente dela deformación a lo largo del período. La segunda etapa de la curva de fluencia (B-C), termofluencia secundaria, se caracteriza por variaciones muy pequeñas de la velocidad de deformación con un gradiente de termofluencia constanteLa tercera etapa de la curva de fluencia (C-D), termofluencia terciaria, se caracteriza por una velocidad de deformación creciente, que conduce a la rotura.
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La curva se inicia tras el alargamiento inicial (O-A), que es la medida de la deformación provocada por la carga. La magnitud del alargamiento inicial depende de las condiciones del ensayo y se incrementa cuando crecen la carga y la temperatura. Algunas aleaciones muestran una termofluencia secundaria muy limitada, e incluso inexistente,
por lo que durante la mayor parte del ensayo la termofluencia es terciaria. Para simplificar las aplicaciones prácticas de los datos de termofluencia, para un material dado aun a temperatura determinada, se pueden establecer dos tipos de resistencia que facilitan magnitudes de la fluencia de un 1% de alargamiento tras 10.000 y 100.000 horas de ensayo, debiéndose realizar varios ensayos de rotura por fluencia a cualquier temperatura y cargas diversas. La velocidad de la fluencia en la etapa de termofluencia secundaria, se determina a partir de estas curvas y se representa gráficamente en función de la carga. Cuando estos datos se representan en coordenadas logarítmicas, los puntos relativos a cada probeta están dispuestos sobre una línea que tiene una ligera curvatura.
La resistencia a la rotura por termofluencia es = Carga aplicada/Área de la sección de rotura en un tiempo determinado, y en atmósfera de aire a la temperatura del ensayo. El tiempo de rotura a una temperatura dada depende de la carga aplicada.
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Se observa que la pendiente de la curva para 1200ºF (649ºF) es mayor que las pendientes correspondientes a temperaturas menores, por cuanto es una temperatura mayor que el límite normal de temperatura de máxima resistencia a la corrosión del acero en cuestión, produciéndose una excesiva exfoliación en los ensayos de rotura de larga duración a 1200ºF (649ºC).
ENSAYOS A BAJAS TEMPERATURAS Ensayo de tracción Con él se determina la carga máxima que puede soportar un material antes de romper; la relación entre la carga por unidad de sección transversal (tensión) y el correspondiente alargamiento, (aumento de longitud en % de la longitud primitiva), se representa en un diagrama de coordenadas tensión-alargamiento. El metal en forma de probeta de material dúctil, con composición homogénea y sección recta uniforme, sometido a un esfuerzo longitudinal,
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empieza a alargarse y durante un intervalo de carga creciente se registra un alargamiento proporcional a la tensión correspondiente. Diagrama de tracción (tensión/alargamiento), para el acero al C 1030.La zona correspondiente a este intervalo es el campo elástico y en él el material cumple la ley de Hooke; el alargamiento es proporcional a la tensión, siendo la constante de proporcionalidad el módulo de elasticidad E (módulode Young).Para elacero,elmódulo de Young es del orden de 30.10 psi, a la temperatura ambiente. Si en cualquier punto de la región elástica cesa la tensión, la probeta de ensayo adquiere prácticamente las dimensiones iniciales. Cuando la tensión se incrementa por encima de un cierto valor, el material no tiene un comportamiento elástico, adquiere un alargamiento permanente y tiene un comportamiento plástico, no existiendo una relación lineal entre la tensión y el alargamiento. El valor que separa las regiones elástica y plástica, es el límite elástico teórico, que se define como la máxima tensión que se puede aplicar antes de que se presente un alargamiento permanente. Cuando el materialtieneun puntobien definidoa partirdel cualcontinúaelalargamiento sin incremento de la carga, se identifica como punto de fluencia o relajamiento. Muchos aceros no tienen punto de fluencia y a veces, en los que lo tienen, no se identifica con exactitud ni éste, ni el límite elástico. El límite de fluencia se define como la tensión con la que la probeta metálica alcanza un alarga-miento del 0,2% de la longitud inicial, aunque existen aceros en los que el campo plástico comienza antes de llegar a este valor. Si se sigue aplicando tensión después de la fluencia, el material se alarga uniformemente, disminuye la sección transversal hasta el punto de carga máxima, a partir del cual, en la sección más debilitada
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se presenta el fenómeno de la estricción, que es un estrechamiento local transversal en forma de huso, produciéndose a continuación la rotura. En los materiales dúctiles se presenta un apreciable incremento del alargamiento en la sección más estrecha de la probeta; cuanto más dúctil es el acero, mayor es el alargamiento antes de la rotura. En algunos materiales no se produce la estricción y la sección transversal se reduce más o menos uniformemente a lo largo de toda la longitud de ensayo, hasta la rotura. Ensayo de dureza La dureza es: la resistencia a la penetración bajo una carga estática o dinámica. La resistencia al rayado, a la abrasión o al taladrado. La dureza indica el efecto de un determinado tratamiento térmico unos procesos específicos de fabricación unas condiciones determinadas de servicio. El valor de la dureza es, de alguna forma, indicativo de la resistencia a la rotura de los aceros. La dureza se determina mediante los métodos: Rockwell (cono), Brinell (bolas), Vickers (pirámide), basados en la medida de la resistencia a la penetración bajo cargas estáticas. La presión se aplica empleando una carga fija durante un tiempo determinado, midiéndose a continuación la huella con un microscopio. El resultado se expresa como un número que indica la dureza según el método utilizado, existiendo una equivalencia entre los resultados de los diferentes ensayos. La dureza se puede medir también mediante un ensayo dinámico con escleroscopio (ensayo Poldi), en el que se mide la altura de rebote
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que alcanza un peso metálico que cae vertical y perpendicularmente sobre la probeta o material a ensayar; a mayor huella menor altura de rebote y menor dureza. Ensayo de tenacidad La tenacidad es una propiedad que representa la aptitud de un material para absorber tensiones locales mediante deformación plástica. En la mayoría de los casos la tenacidad depende de la temperatura, aumentando con ésta, aun que no es una correlación lineal. La tenacidad puede ser absoluta y relativa. Un ensayo de tenacidad relativa lo constituye cualquier ensayo de impacto o de resiliencia sobre una probeta con entalla en posición horizontal y apoyada en sus extremos, que es golpeada con un péndulo (ensayo Charpy) en su punto medio por la parte contraria a la entalla. La energía absorbida por la probeta en su rotura está en razón inversa de la altura que alcanza el péndulo después de romperla. La probeta se examina también para: Determinar el estado de la sección de rotura. Cuantificar sobre dicha sección lo que corresponde a cizallamiento y a desgajamiento. La resiliencia se puede expresar en tres unidades diferentes: Energía absorbida, (ft.lb)Ext ens ión late ral, (10 -3in)Cizallamiento porcentual, (%) Otro ensayo de tenacidad es el relativo a la caída libre de un peso; un peso conocido se deja caer desde una altura fija e impacta sobre la probeta a ensayar; el ensayo se repite sobre una serie de probetas a diversas temperaturas, en tramos de 10ºF (6ºC), para discriminar finalmente entre rotura sí y rotura no. Si el impacto provoca una fisura susceptible de propagarse a partir de la entalla hasta la cara opuesta al impacto, se considera que rompe a la temperatura correspondiente. La 27
menor temperatura a la que falla la probeta define latemperaturade transición de ductilidad nula. Los ensayos de resiliencia a la fractura miden las características y propiedades reales de un metal; estos ensayos son complejos y las probetas más costosas. Sin embargo, facilitan valores que se pueden utilizar en el cálculo de tensiones, para determinar el tamaño crítico de defectos a partir de los cuales se pueden propagar con pequeños o nulos incrementos de la carga. Ensayo de conformación Para determinar el comportamiento de un material durante el proceso de fabricación, se emplean ensayos de deformación, como doblado, aplastamiento, abocardado y embutición, que determinan la capacidad de un material para soportar diversas operaciones de conformación.
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CONCLUSION
Realizando este tipo de ensayos se puede conocer las características que poseen los metales, aleaciones y materias primas que se convertirán en otros productos acabados con especificaciones muy diferentes a las iniciales. De igual forma al conocer las características de los antes mencionados se puede determinar el grado de resistencia que tendrán a las temperaturas. Todas estas características permitirán establecer procesos de transformación adecuados en base a la necesidad de la empresa y los costos.
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