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INDICE
Pg. Introduccin 01 1 Propiedad mecnica de los metales 02 1.1
Resistencia 03 1.2 Ductilidad 06 1.3 Dureza 08 1.4 Tenacidad 09 1.5
Resistencia a la fatiga 12 1.6 Un punto de vista general de los
materiales metlicos sometidos a estrs por fatiga 12 1.7 Un punto de
vista de la fatiga en uniones de metales soldados 15 1.7.1
Naturaleza de la fatiga en uniones soldadas 15 1.7.2 Proceso de
rotura por fatiga 16 1.8 Factores que influyen en la resistencia de
la fatiga 17 1.9 Tipos de cargas dinmicas 17 1.10 Estructuras
susceptibles de soportar cargas de fatigas 18 2 Propiedades qumicas
de los metales 19 2.1 Grupos de aleaciones 19 2.1.2 Aleaciones de
aceros 19 2.1.3 Efectos de la composicin qumica de los aceros en
sus propiedades mecnicas 20 2.1.4 Aleaciones de aluminio 25 2.1.5
Aleaciones de nquel 26 2.1.6 Aleaciones de cobre 27 3 Ensayos
destructivos 28 3.1 Ensayo de traccin 29 3.2 Ensayos de durezas 43
3.3 Ensayo de tenacidad 51 3.4 Ensayos volumtricos 55 3.5 Ensayo de
fatiga 62 3.6 Ensayos destructivos para la determinacin de la
composicin qumica de los metales 62 3.7 Ensayos metlicos 63
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MDULO 6
PROPIEDADES MECNICAS
DE LOS METALES
Y PRUEBAS DESTRUCTIVAS
INTRODUCCIN
En el mundo de hoy, existen miles de metales diferentes,
disponibles para servir como
materiales de construccin ya sea para metales base o para
metales de aporte. De esta
eleccin, los ingenieros de materiales y diseadores estn aptos
para elegir aquellos
metales que mejor cumplan con sus necesidades particulares.
Estos metales pueden diferir
no solamente en su composicin, sino tambin en la forma en que
son manufacturados. En
Venezuela, las normas obligatorias que tratan sobre la
utilizacin de los materiales ferrosos
y no ferrosos a ser empleados en tareas de fabricacin y
construccin son emitidas por el
Comit Venezolano de Normas Industriales (COVENIN) y facilitadas
por el Servicio
Autnomo Nacional de Normalizacin, Calidad, Metrologa y
Reglamentos Tcnicos
SENCAMER un ejemplo de estos es la Norma COVENIN 803-89 Aceros,
Definiciones y
Clasificacin. En los Estados Unidos, hay varias organizaciones
que mantienen normas
sobre materiales, como lo son: American Society for Testing and
Material (ASTM),
American Society of Mechanical Engineers (ASME) y American
Welding Society (AWS)
American National Standards Institute (ANSI). Adems, hay otras
normas de otros pases
que tratan sobre materiales y grupos en los que se incluyen:
Japn, China, Alemania,
Naciones Unidas, entre otras.
El primer propsito de este mdulo es describir
algunas de las propiedades mecnicas y qumicas de
los materiales de acuerdo a la influencia que stas
puedan tener en el desempeo de la labor del
inspector de soldadura. En la mayora de los casos, el
inspector de soldadura debe simplemente comparar
valores especificados en la documentacin respectiva con los
valores reales obtenidos a
travs de ensayos de laboratorio para determinar si los mismos
cumplen o no con los
valores tericos. El inspector de soldadura al arco elctrico u
oxillama debe tener
conocimientos bsicos sobre la resistencia mecnica de los metales
y saber aplicarlos a la
hora de evaluar una soldadura dada, puesto que en ello radica la
verdadera razn de la
inspeccin. La temperatura durante la soldadura afecta
directamente las propiedades
mecnicas de los metales tales como ductilidad y resistencia a la
tensin y a la comprensin
por cuanto los hace ms frgiles. Es recomendable que el inspector
tenga presente esta
premisa ya que le ayudar a realizar mejores inspecciones.
El hombre es ms duro que el hierro, ms fuerte que un toro y ms
frgil que una rosa. Proverbio turco
Una de las responsabilidades del inspector de soldadura es
revisar la documentacin referida a las propiedades reales de los
metales
base y de aporte.
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El segundo propsito es proveer al futuro inspector de soldadura
una base para la
informacin sobre la Metalurgia de la Soldadura la cual ser
discutida en el mdulo 7.
Dado que la estructura metalrgica de un metal define sus
propiedades, sta puede ser
modificada a travs de tratamientos trmicos especficos en funcin
de la aplicacin de uso
de dicho material.
Dependiendo de las propiedades mecnicas y qumicas de un metal,
el inspector debe
conocer ciertas tcnicas especiales de fabricacin para prevenir
la degradacin de dichas
propiedades. El precalentamiento y el post calentamiento son
ejemplos de las tcnicas que
pueden ser aplicadas para mantener las propiedades de los
metales. En las tareas de los
tratamiento trmicos de los aceros templados y revenidos, el
inspector de soldadura debe
estar al tanto y entender acerca de las tcnicas de tratamientos
trmicos y aplicar estos bajo
criterios bien fundamentaos y observar el desarrollo de los
mismos y monitorear los cambios
de temperatura en funcin del tiempo de enfriamiento. Por otro
lado, el inspector debe estar
muy pendiente del aporte de calor durante la soldadura de manera
de prevenir la
modificacin de las propiedades mecnicas del metal base provocada
por un
sobrecalentamiento. En estos ejemplos, el desempeo del inspector
de soldadura no est
relacionado directamente con las propiedades de los materiales,
sin embargo, el monitoreo
efectivo puede prevenir problemas causados por la alteracin de
las propiedades esperadas
de los materiales bien sea por la falta o por el exceso de
calor.
1. PROPIEDADES MECNICAS DE LOS METALES.
Las propiedades mecnicas de los materiales, por una parte,
dependen intrnsecamente de
la composicin qumica, y por la otra, de su microestructura. De
hecho, la composicin,
naturaleza de los enlaces interatmicos, la estructura cristalina
y defectos en dicha
estructura tales como: dislocaciones, tamao de granos, lmites de
grano, vacancias, etc.,
tienen una profunda influencia sobre la resistencia y la
ductilidad de los materiales
metlicos. Como los materiales metlicos se usan mucho en
aplicaciones de cargas
dinmicas, sus propiedades mecnicas son de gran inters
prctico.
A continuacin introduciremos una serie de trminos y definiciones
a fin de familiarizar al
futuro inspector con los mismos. El trmino esfuerzo se refiere a
una carga o fuerza aplicada
en la unidad de rea (kg/mm2). Deformacin unitaria, se refiere al
alargamiento o cambio de
dimensin de un material dividido entre la dimensin original. La
aplicacin del esfuerzo
causa la deformacin unitaria. Si esa deformacin desaparece una
vez que cesa la carga o
esfuerzo se dice que la deformacin es elstica. Si por el
contrario la deformacin unitaria
persiste se dice que la deformacin es plstica. Cuando la
deformacin es elstica y el
esfuerzo y la deformacin guardan una relacin lineal la pendiente
del diagrama esfuerzo-
deformacin unitario se denomina mdulo de elasticidad o mdulo de
Young. El valor de
esfuerzo necesario para iniciar la deformacin plstica se le
llama resistencia de cedencia o
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limite de fluencia. La deformacin porcentual mxima que se puede
alcanzar es una medida
de ductilidad de un material metlico.
Algunas de las propiedades de los metales ms importantes para el
inspector de soldadura
son: Resistencia, Ductilidad, Dureza, Tenacidad, Resistencia a
la fatiga.
1.1 Resistencia
La resistencia es definida como la capacidad de un material para
soportar una carga
aplicada. Hay varios tipos de resistencia dependiendo cada uno
de cmo la carga sea
aplicada al material:
Resistencia a la traccin.
Resistencia al corte.
Resistencia a la torsin.
Resistencia al impacto (tenacidad).
Resistencia a la fatiga.
La resistencia a la traccin de un metal es descripta como la
capacidad del metal para
resistir la falla cuando est sujeto a una carga de traccin o de
tiro. Dado que los metales
son usualmente usados para soportar cargas de traccin, esta es
una de las propiedades
ms importantes para un diseador. Cuando una especificacin de un
metal es examinada,
la resistencia a la traccin generalmente est expresada de dos
formas. Los trminos
usados son resistencia a la traccin (ultimate strength) y
resistencia a la fluencia (yield
strength). Ambos se refieren a diferentes aspectos del
comportamiento de un material. La
resistencia a la traccin se refiere a la mxima carga capaz de
soportar el metal, o la
resistencia del metal en el punto exacto en que ocurre la
rotura.
Para definir la resistencia a la fluencia, es necesario entender
el significado del
comportamiento elstico de un material. El comportamiento elstico
de un metal se refiere
a la deformacin del metal bajo cargas que no causan una
deformacin permanente cuando
la carga deja de ser aplicada. El comportamiento elstico puede
ser ilustrado con un ejemplo
familiar; una bandita elstica se comporta como un material
tpicamente elstico. Se va a
estirar bajo una carga, pero va a retornar a su forma original
cuando dicha carga cesa.
Cuando un metal es cargado dentro de su regin elstica, este
responde con alguna clase
de estiramiento o alargamiento. En este rango elstico, el
estiramiento es directamente
proporcional a la carga aplicada, de manera que el
comportamiento elstico tambin es
conocido como comportamiento lineal. Cuando un metal se comporta
elsticamente, puede
ser estirado hasta algn punto y vuelve a la longitud original
cuando la carga cesa, es decir,
no queda con deformacin permanente. Ver figura 1,
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Si un metal es cargado ms all de su lmite elstico, no se
comportar elsticamente. Su
comportamiento es ahora conocido como plstico, que significa que
ocurre una
deformacin permanente. Esto tambin implica que la relacin
tensin-estriccin no es ms
lineal. Una vez que la deformacin plstica ocurre, el material no
va a retornar a su longitud
original luego de que se remueva la carga aplicada. Ahora va a
exhibir una deformacin
permanente.
Anteriormente dijimos que el punto en el cual un material
sometido a una carca de traccin o estiramiento cambia
de elstico a plstico es conocido como resistencia de
cedencia o lmite de fluencia. Por lo tanto, la resistencia a
la fluencia es el valor de resistencia a la cual el material
estirado cambia de elstico a plstico. Este valor es
extremadamente importante, dado que la mayora de los
diseadores van a emplearlo como la base para la carga mxima
admisible para algunas
estructuras. Esto es necesario porque la estructura puede perder
utilidad si se deforma en
forma permanente a causa de que haya sobrepasado el lmite de
fluencia.
Tanto la resistencia a la traccin como la de fluencia son
generalmente determinadas
mediante un ensayo de traccin. Una muestra o probeta cuya
dimensin de la seccin
transversal es conocida, es sometida a una carga expresada en
kilogramos fuerza (kgf) del
ltimo valor a la tensin, expresado en kgf/mm2 o psi, puede ser
determinado.
Como corolario: Si el valor de la resistencia a la traccin para
un metal dado es de 42
kgf/mm2 (60000 psi), entonces la carga mxima que este metal
puede soportar es de 42
kgf/mm2 (60000 psi) distribuida en el rea de la seccin
transversal en milmetros
cuadrados.
Figura 1, Ilustracin del comportamiento elstico de los
metales
Por qu para el clculo de estructuras metlicas soldadas el
diseador toma en cuenta el valor de fluencia para los materiales
base, mientras que para los materiales de aporte considera los
valores de mxima carga a la tensin?
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Conociendo la resistencia a la traccin en kgf/mm2, el
diseador puede determinar el tamao de la seccin
transversal de un determinado material para resistir una
determinada carga. El ensayo de traccin provee una
medida directa de la resistencia del metal, tambin es
posible hacer una medicin indirecta de la resistencia
haciendo un ensayo de dureza. Para aceros al carbono hay una
relacin directa entre la
resistencia a la traccin y la dureza. Esto es, si se incrementa
la dureza, la resistencia a la
traccin tambin aumenta. El ensayo de traccin provee la
determinacin ms precisa de la
resistencia a la traccin, pero generalmente es conveniente
realizar un ensayo de dureza en
aceros al carbono y de baja aleacin para determinar sus
resistencias a la rotura
equivalentes.
La temperatura del metal tambin tiene un efecto sobre su
resistencia. Si la temperatura
aumenta, la resistencia del metal decrece. Si un metal va a
estar sometido a temperatura, el
diseador debe tener en cuenta la reduccin de la resistencia por
efectos de la temperatura
para el diseo de la seccin que soporte la carga. La temperatura
tambin va a tener
influencia en la ductilidad del metal.
El cuadro 1, muestra algunos valores tpicos para resistencias a
la rotura y a la fluencia, as
como los valores de alargamiento (en %) y dureza para algunos
materiales comunes de
construccin. Es interesante resaltar que los valores de este
cuadro pueden variar
dependiendo del tratamiento trmico que se le haya realizado al
material, a las condiciones
mecnicas o a la masa. Estas condiciones cuando cambian, pueden
alterar las propiedades
mecnicas aunque el material tenga la misma composicin
qumica.
Cuadro 1, Valores tpicos de resistencias de algunos metales.
Una manera sencilla para obtener valores de traccin bastante
aproximados es multiplicando el valor de dureza de dureza Brinel
(HB) por 3,34
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1.2 Ductilidad
Ductilidad es un trmino que se refiere a la capacidad del
material para deformarse, o estirarse bajo una determinada
carga sin llegar a romperse. Cunto ms dctil es un metal,
ms se va a estirar antes de romperse. La ductilidad es una
propiedad importante de un metal, porque puede afectar la
rotura del material, ya sea que fuera gradual o repentina cuando
el metal es cargado. Si un
metal presenta alta ductilidad, generalmente va a romperse
gradualmente. Un metal dctil
va a doblarse antes de romperse, lo que es un buen indicador de
que el metal ha excedido
su punto de fluencia. Los metales poco dctiles fallan
sbitamente, se quiebran
repentinamente sin aviso. La ductilidad aumenta con la
temperatura.
Un metal con alta ductilidad es denominado dctil, mientras que
un metal con baja ductilidad
es denominado frgil o quebradizo. Los materiales frgiles
muestran pequea o ninguna
deformacin antes de fracturarse. El vidrio es un buen ejemplo de
un material frgil. Un
metal comnmente frgil es la fundicin de hierro, especialmente la
fundicin blanca. El
motor de un carro es muy frgil sometido a una fuerza de traccin.
Con una relativa baja
carga se fractura.
La diferencia en el aspecto de la rotura de un material dctil
respecto a uno frgil es
mostrada en la figura 2, donde se observan las mitades de dos
probetas sometidas al
ensayo fracto mecnico por impacto.
La ductilidad es la propiedad que permite que varios componentes
puedan ser de longitudes
diferentes (levemente) y soportar uniformemente una carga sin
que uno de los componentes
sea sobrecargado al punto de romperse. Si uno de estos
componentes es un poco ms
corto, pero dctil, es capaz de deformarse lo suficiente para
permitir que la carga sea
tambin soportada por los otros componentes. Un ejemplo de este
comportamiento es la
tensin de los alambres que forman los cables de los puentes
colgantes. Dado que no
pueden ser hechos con tal precisin que sean todos iguales, los
alambres son de material
dctil. Cuando el puente es cargado, los alambres ms cortos
momentneamente soportan
ms carga hasta que se estiran y luego se reparte la carga entre
todos los alambres.
La ductilidad se vuelve an ms importante para un metal que debe
ser sometido a
operaciones de conformado. Por ejemplo, los metales usados para
componentes de la
carrocera de automviles tienen que tener suficiente ductilidad
para poder ser conformados
con la forma deseada.
Sabes a que se refiere el trmino de frecuencia de resonancia o
resonancia mecnica?
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Figura 2. Muestra de tres probetas para ensayo de impacto en las
que se muestra una falla
dctil Vs. Una falla frgil.
Un aspecto importante referido a la ductilidad y la resistencia,
es la diferencia de magnitud
con respecto a la direccin, en la cual la carga es aplicada a la
direccin del laminado del
material, durante su proceso de manufactura. Las propiedades de
los materiales laminados
varan segn la direccin. El laminado causa que los cristales, o
granos, sean estirados en
la direccin del laminado mucho ms que en la direccin
transversal. El resultado es que la
resistencia y la ductilidad de un material laminado, como una
chapa de acero, son mayores
en la direccin de laminacin. En la direccin transversal del
material, la resistencia decrece
hasta un 30% y la ductilidad se reduce hasta un 50% con respecto
a la direccin de
laminacin. En la direccin del espesor, la resistencia y la
ductilidad son an menores. Para
algunos aceros, la ductilidad en esta direccin es muy baja. Cada
una de las tres
direcciones referidas arriba tiene asignada una letra para su
identificacin. La direccin de
laminacin es identificada con la X, la direccin transversal con
la Y y el espesor con la
Z.
El laminado es un proceso de deformacin volumtrica en el que se
reduce el espesor inicial
del material trabajado, mediante las fuerzas de compresin que
ejercen dos rodillos sobre la
pieza/material de trabajo. Los rodillos giran en sentidos
opuestos para que fluya el material
entre ellos, ejerciendo fuerzas de compresin y de cizallamiento,
originadas por el
rozamiento que se produce entre los rodillos y el metal. Los
procesos de laminado requieren
gran inversin de capital; debido a ello los molinos de laminado
se usan para la produccin
de grandes cantidades de productos estndar (lminas, placas,
etc.).
Los procesos de laminado se realizan, en su gran mayora, en
caliente por la gran
deformacin ejercida sobre el material trabajado. Adems, los
materiales laminados en
caliente tienen propiedades isotrpicas y carecen de tensiones
residuales. Los principales
inconvenientes que presenta el laminado en caliente son que el
producto no puede
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mantenerse dentro de tolerancias adecuadas, y que la superficie
de la pieza queda cubierta
por una capa de xido caracterstica.
La principal aplicacin de la laminacin es la produccin de acero.
La temperatura de la
laminacin del acero es de unos 1200 C, los lingotes de acero
iniciales, que se obtienen
por fundicin, se elevan a dicha temperatura en unos hornos
llamados fosas de
recalentamiento y el proceso en el que elevamos la temperatura
del lingote recibe el
nombre de recalentado.
Los lingotes de acero recalentados pasan al molino de laminacin
en los que se laminan
para convertirlos en una de las tres formas intermedias: lupias,
tochos o planchas. Las
lupias se utilizan para generar perfiles estructurales y rieles
para ferrocarril, los tochos se
laminan para obtener barras y varillas. Y las planchas se
laminan para producir placas,
laminas y tiras. El laminado posterior de las placas y lminas
suele realizarse en fro. Ver
figura 3.
Figura 3. Proceso de laminado de una plancha de acero
Tal vez usted haya presenciado la calificacin de un soldador por
medio de una probeta de
plegado en la cual se produjo la rotura en el metal base. Esto
es generalmente el resultado
de usar el material con la direccin de laminacin paralela al eje
de soldadura. An cuando
un metal presente excelentes propiedades en la direccin de
laminacin, al cargarlo en
cualquiera de las otras dos direcciones puede terminar en
rotura.
La ductilidad de un metal es normalmente determinada por un
ensayo de traccin, y al
mismo tiempo se mide el alargamiento. La ductilidad generalmente
es expresada de dos
maneras: como alargamiento porcentual o como reduccin porcentual
de rea.
1.3 Dureza
La dureza es una de las propiedades mecnicas ms comunes y ms
fcil de medir. Es
definida como la capacidad del material para resistir la
penetracin o huella. Se aclar
previamente que para los aceros al carbono la dureza y la
resistencia a la traccin estn
relacionadas. La dureza aumenta con la resistencia y viceversa.
Por eso, si se conoce la
dureza, es posible estimar la resistencia a la traccin,
especialmente para aceros al carbono
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y de baja aleacin. Esto es muy til para determinar la
resistencia de un metal sin tener que
preparar la probeta de traccin.
La dureza de un metal puede ser determinada de diferentes
formas. Los mtodos ms
comunes emplean alguna clase de penetrador que penetra en la
superficie del metal
empujado por alguna carga aplicada. Varios ensayos pueden
realizarse usando esta tcnica
bsica; difieren en el tipo y forma del penetrador. La dureza del
material es determinada en
funcin del tamao o de la profundidad de la marca. La figura 3
muestra algunos de los
penetradores ms comunes y las formas de sus marcas.
Dada la gran cantidad de mtodos, es posible determinar la dureza
de un rea grande de la
superficie de un metal o de grano individual del metal.
1.4 Tenacidad.
En general, la tenacidad es la capacidad de un material para
absorber energa. De un
diagrama de tensin-deformacin puede determinarse la tenacidad
calculando el rea bajo
la curva de tensin deformacin, como se muestra en la figura 4.
Estas curvas, muestran
que el metal monel1 es ms tenaz que el acero dulce (mild) porque
el rea bajo la curva es
mayor.
Otro trmino comn es la tenacidad de entalladura. Es la capacidad
del material de absorber
energa cuando la superficie presenta entalladuras mientras que
la tenacidad se refiere a la
capacidad de absorcin de energa de una muestra sin entalladuras.
La tenacidad de
entalladura refleja la absorcin de energa que ocurre cuando es
cargado con alta velocidad
de carga. Mientras que la tenacidad define el comportamiento del
material cuando es
cargado lentamente. Por esta razn, la tenacidad de entalladura
es conocida como
resistencia al impacto.
La diferencia entre estos dos trminos es demostrada por la
analoga de la rotura de un
cordn. Si es aplicada una carga con baja velocidad (lentamente),
se requiere ms carga
que si se tira del cordn bruscamente.
Cuando se discuta sobre tenacidad o tenacidad de entalladura, el
nivel inferior es cunta
energa puede ser absorbida por un material antes de romperse. Un
metal que exhibe baja
tenacidad va a romperse con bajas cargas, con pocas muestras de
deformacin. Un metal
tenaz, va a romperse a un valor ms alto con muestras de
deformacin permanente.
1 Monel es una marca registrada de la Corporacin de Metales
Especiales (Special Metals Corporation) para una serie de
aleaciones a base de nquel (67%) y cobre adems de hierro y trazas
de otros elementos.
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Volviendo a la discusin previa sobre ductilidad, la diferencia
entre metales de alta y baja
tenacidad es que valores de baja tenacidad definen
comportamientos frgiles mientras que
altos valores de tenacidad se relacionan con roturas dctiles.
Como en el caso de la
ductilidad, la tenacidad de un metal va a cambiar con la
temperatura. En general, si la
temperatura disminuye, la tenacidad del metal tambin disminuye.
Consecuentemente, la
tenacidad de un metal es determinada a una temperatura
especificada. Sin informacin
adicional, el valor de la tenacidad de un metal tiene poca
importancia.
La presencia de una entalladura u otra forma de concentracin de
tensiones hace que los
materiales estructurales tengan roturas frgiles bajo ciertas
condiciones, la tenacidad de
entalladura es la primera preocupacin. Muchos metales,
especialmente los aceros de alta
resistencia para herramientas, son extremadamente sensibles a la
presencia de
irregularidades filosas en la superficie la figura 5, muestra
algunas formas tpicas que crean
el efecto de entalladura.
Si un metal exhibe un valor grande de tenacidad de entalladura,
esto significa que se va a
desempear bien, haya o no entalladuras presentes, si un metal es
sensible a las
entalladuras, significa que tiene un bajo valor de tenacidad de
entalladura, puede fcilmente
romperse durante impactos o cargas repetitivas. En general, la
tenacidad de entalladura
disminuye con el aumento de la dureza y con la disminucin de la
temperatura.
En pruebas de comportamiento para determinar la tenacidad de
entalladura para un metal,
uno trata de determinar la temperatura para la cual el
comportamiento de la rotura cambia
de dctil frgil. Esta temperatura es conocida como la temperatura
de transicin del metal.
Figura 3. Ensayos de dureza, penetradores y formas de las
improntas.
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Figura 4. Tenacidad de dos metales
Hay varios tipos de ensayos usados para determinar la tenacidad
de entalladura de un
metal. En principio difieren en la forma en que la entalladura
es introducida y en la forma en
que es aplicada la carga. La mayora incluye algn tipo de carga
de impacto que es aplicada
cuando el metal lleg a cierta temperatura. Algunos de los
ensayos de tenacidad de
entalladura ms comunes son: Charpy, drop weight nil ductility,
explosion bulge, dynamic
tear y crack tip opening displacemet (CTOD).
Figura 5. Distintas condiciones que pueden producir un
Concentrador de Tensiones CT.
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1.5. Resistencia a la Fatiga
La ltima propiedad mecnica a revisar es la
resistencia a la fatiga. Para definir la resistencia a la
fatiga de un metal se debe saber primero, que se
entiende por rotura de un metal por fatiga. La fatiga
de un metal es causada por la accin mecnica
repetitiva o cclica sobre un componente. Esto es, la
carga cambia alternativamente entre traccin y
compresin o vara el valor de la carga. Esta accin
puede ocurrir rpidamente, como en el caso de la
rotacin de un motor, o lentamente cuando los ciclos
pueden ser medidos en das. Un ejemplo de rotura
por fatiga puede ser la flexin repetida de un rbol
de leva o un cigeal de motor que termino
produciendo la rotura. Este tipo de rotura va a ocurrir
generalmente a un valor inferior al valor de
resistencia a la rotura del rbol o cigeal.
La ASTM define la fatiga como el proceso de un localizado,
permanente y progresivo cambio estructural sufrido por un material
sujeto a condiciones que le producen tensiones y deformaciones en
uno o varios puntos y que puede conducir a la produccin de grietas
o a la rotura despus de un nmero suficiente de fluctuaciones. Se ha
comprobado que materiales dctiles sometidos a esfuerzos cclicos
mucho menores que el nivel de su resistencia esttica pueden fallar
por fatiga.
1.6. Un punto de vista general de los materiales metlicos
sometidos a estrs por
fatiga.
El conocimiento de la resistencia a la fatiga es importante
porque la mayora de las roturas
de los metales son el resultado de la fatiga. La informacin
sobre resistencia a la fatiga
generalmente es reportada en relacin con un nmero especfico de
ciclos requerido para
provocar la rotura; el nmero tpico es de 1 a 10 millones de
ciclos.
La resistencia a la fatiga puede ser determinada mediante un
ensayo de fatiga, mientras
este puede ser realizado de diferentes formas, lo ms comn es que
se aplique un valor a
traccin y luego el mismo a compresin. Es tipo de ensayo es
conocido como flexin
alternada reverse (bending). Mientras el mximo valor de tensin
es incrementado, el
nmero de ciclos requeridos para provocar la rotura decrece. Si
un nmero de estos
ensayos son realizados a distintos niveles de carga puede
trazarse una curva de tensin en
funcin del nmero de ciclos, como se muestra en la figura 6. La
curva tensin nmero de
La frecuencia de resonancia o
resonancia mecnica es un
fenmeno que se produce cuando
un cuerpo capaz de vibrar es
sometido a la accin de una fuerza
peridica cuyo perodo de vibracin
coincide con el perodo de vibracin
de dicho cuerpo. Producindose un
aumento en la amplitud del
movimiento tras cada una de las
actuaciones sucesivas de la fuerza.
Este efecto puede ser destructivo en
algunos materiales rgidos como fue
el caso del puente de la ciudad de
Tacoma Narrows. Estado de
Washington. Estados unidos, en el
ao de 1940,
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14
ciclos es simplemente una descripcin grfica de cuntos ciclos son
necesarios para
producir una rotura a distintos niveles de tensin.
Figura 6. Curva tpicas Tensin-Deformacin para el acero y el
aluminio
Estas curvas muestran como el acero exhibe un lmite de fatiga;
caso contrario el aluminio
que no lo posee. El lmite de fatiga es la mxima tensin a la cual
el material no va a fallar,
sin importar el nmero de ciclos que se aplique a la carga.
Esto significa que el aluminio va a fallar eventualmente, an a
niveles bajos de tensin, el
acero puede durar indefinidamente mientras la tensin se mantenga
por debajo del lmite de
fatiga. A menudo, el lmite de fatiga de los aceros al carbono es
aproximadamente la mitad
de su resistencia a la traccin. La resistencia a la fatiga, como
la resistencia al impacto, es
extremadamente dependiente de la geometra superficial del
componente. La presencia de
cualquier entalladura o concentrador de tensin puede incrementar
la tensin al punto de
superar el lmite de fatiga del metal. Por encima de la aplicacin
de un nmero suficiente de
ciclos, la falla por fatiga va a ocurrir. La figura 7, muestra
el efecto del radio de la entalladura
sobre la resistencia a la fatiga de un metal. La terminacin
superficial puede tener un efecto
en la resistencia a la fatiga como se muestra en la figura
8.
Una mayor preocupacin en soldadura se refiere a la resistencia a
la fatiga del metal. Esta
preocupacin no es tanto por los cambios metalrgicos que puedan
ocurrir, sino por la
presencia de algunas irregularidades superficiales filosas; las
cules pueden ser aportadas
por la soldadura. A menos que la superficie sea lisa despus de
soldarse, la soldadura crea
una superficie irregular. Las discontinuidades superficiales de
la soldadura como el
socavado, solapado, excesivo espesor o convexidad, pueden tener
un efecto en la
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15
resistencia a la fatiga del componente. Estas condiciones crean
entalladuras filosas que
pueden actuar como iniciadores de fisuras de fatiga. Ejemplos de
algunas de estas
irregularidades superficiales son mostrados en la figura 9.
Figura 7. Influencia de las Entalladuras en el Desempeo a la
Fatiga.
Figura 8. Influencia de la Terminacin Superficial en la
Resistencia a la Fatiga.
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Figura 9. Ejemplos de discontinuidades en la superficie de la
soldadura.
Mientras que la rotura por fatiga puede resultar de una
discontinuidad interna de la
soldadura, son ms preocupantes aquellas que se encuentran en la
superficie. Esto es, una
discontinuidad superficial va a iniciar ms rpido una rotura por
fatiga que va a convertirse
en una discontinuidad sub superficial. La razn para esto es que
las tensiones a nivel
superficial son generalmente ms altas que los niveles de tensin
interna. Por esta razn, el
inspector de soldadura puede jugar un rol importante en la
prevencin de las roturas por
fatiga mediante la realizacin de una cuidadosa inspeccin visual.
El descubrimiento y la
correccin de irregularidades superficiales filosas van a mejorar
en gran medida las
propiedades de cualquier estructura respecto a la fatiga. En
muchos casos, la fatiga en una
soldadura pequea con un contorno suave se va a desempear mejor
que una soldadura
ms grande con irregularidades superficiales filosas.
1.7 Un punto de vista de la fatiga en uniones de metales
soldados.
1.7.1 Naturaleza de la fatiga en uniones soldadas.
La fatiga es el mecanismo mediante el cual las fisuras se
incrementan en la superficie o
interior de un elemento o una estructura metlica, este
crecimiento slo se produce bajo
tensiones cclicas. La rotura final se produce normalmente en
zonas sometidas a tensin por
traccin cuando la seccin transversal reducida se hace
insuficiente para soportar la carga
mxima sin que se produzca la rotura. En condiciones de servicio
normales, las fisuras no
se propagan mientras la carga sobre la estructura sea
estacionaria.
En las estructuras metlicas soldadas, es casi seguro que las
roturas por fatiga empezarn
a propagarse a partir de las soldaduras y no desde otras
uniones, debido a que: en primer
lugar, la mayora de los procesos de soldadura, por una parte,
dejan discontinuidades que a
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partir de las cuales pueden propagarse macro o micro fisuras y
como resultado de ello, el
perodo inicial, que normalmente es necesario para que aparezca
una fisura en un material
forjado, es muy corto o inexistente y de hecho las fisuras
pasarn la mayor parte de su vida
propagndose. En segundo lugar, la mayor parte de las soldaduras
estructurales presentan
un perfil sin pulir. Normalmente, los cambios acusados de
direccin a la seccin transversal
de la soldadura se localizan en los talones o bordes de las
soldaduras a tope o en los
talones o bordes de los cordones de las soldaduras en ngulo
(filete). Estos puntos
ocasionan concentraciones de tensin locales. Por lo tanto, las
pequeas discontinuidades
cercanas a estos puntos reaccionarn igual que si se encontraran
en un elemento sometido
a mayor tensin y se propagarn con ms rapidez. Ver figura 10.
. Figura 10. Los bordes o talones de la soldadura se constituyen
en puntos de concentracin
de esfuerzos y son capaces de propagar una fisura.
1.7.2 Proceso de rotura por fatiga El origen de una rotura por
fatiga es una fisura minscula que va extendindose progresivamente
hasta el instante en que no existe suficiente metal sano en la
seccin para soportar el esfuerzo aplicado; se produce entonces la
rotura instantnea por deformacin plstica o por fragilidad, de
acuerdo con las propiedades del metal y su sensibilidad al efecto
entalla una vez formada la fisura. El estudio fractomecnico muestra
que la velocidad de crecimiento de una fisura es proporcional a la
raz cuadrada de su longitud, con la misma fluctuacin y el mismo
grado de concentracin de tensin en la unidad de tiempo. Por esta
razn, las fisuras de fatiga pasan la mayor parte de su vida en
forma de fisuras muy pequeas difciles de detectar. Tan slo en las
ltimas etapas de su vida comienza la fisura a causar una prdida
significativa del rea resistente. Esto plantea problemas para la
inspeccin de estructuras en servicio, de modo que el fallo por
fatiga se produce si se dan simultneamente:
1. Tensiones de traccin elevadas 2. Variacin de la tensin con el
tiempo 3. Nmero de ciclos de carga suficientemente largo.
De hecho, el proceso de rotura por fatiga es progresivo y
comprende una serie de fases tales como:
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1. Fase de iniciacin de la grieta.
En piezas lisas, sin entallas y solicitadas por cargas reducidas
puede suponer un 90% de la vida.
2. Fase de propagacin. Iniciada la grieta, se propaga
reducindose la seccin transversal resistente. Las tensiones en el
frente de grieta aumentan acelerando el proceso.
3. Fase de rotura. Cuando la seccin es insuficiente se propaga
castrficamente la rotura y se genera una fractura sin aviso
1.8. Factores que influyen en la resistencia a la fatiga
2. Tensin media: Cuando es de traccin disminuye la resistencia a
fatiga.
3. Efecto entalla: Por la falta de homogeneidad, la existencia
de defectos
macroscpicos superficiales, la presencia de roscas, taladros,
soldadura, cambios de seccin, etc.
4. Tamao: Las piezas de mayor tamao son ms sensibles al efecto
entalla debido a
la mayor probabilidad de que existan puntos dbiles o
defectos.
5. Acabado superficial: Cuanto ms rugosas son las superficies
rugosas ms sensibles son. Adems los defectos y entallas
superficiales son ms perjudiciales que los internos
6. Tratamientos superficiales: Algunos tratamientos como el
martilleado, el granallado o
el laminado en fro generan tensiones de compresin aumentando la
resistencia a fatiga.
7. Temperatura: A bajas temperaturas los metales suelen aumentar
su resistencia a
fatiga aunque por otro lado se hacen ms sensibles a la rotura
frgil.
8. Corrosin: La corrosin progresa ms rpidamente con cargas de
amplitud variable. La presencia de corrosin provoca entallas y
mordeduras.
9. Tipo de acero: Los de alta resistencia son ms sensibles al
efecto entalla por lo que
su resistencia a fatiga es menor en trminos relativos. Conviene
mencionar que la resistencia a la fatiga es independiente de la
frecuencia con la que se aplica la carga cclica y que el hecho de
que existan periodos de reposo entre las aplicaciones hace que la
resistencia a la fatiga aumente. 1.9. Tipos de cargas dinmicas
2. Viento: La accin dinmica del viento puede provocar
vibraciones de magnitud variable a las estructuras sobre las que
incide y est en relacin a la altura de dicha estructura.
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19
3. Trfico de vehculos y ferroviario: Provoca vibraciones en los
puentes y los tneles. Est muy relacionado a la friccin esttica y
dinmica, as como con el coeficiente de roce.
4. Oleaje: Da lugar a acciones dinmicas. La magnitud de la
fuerza depende de las
caractersticas de las olas, su forma, su tamao y la profundidad
del objeto impactado.
5. Accin de las personas: Es una consecuencia de movimientos
rtmicos continuos
como el hecho de caminar sobre una pasarela, correr, bailar,
saltar o desfilar.
6. Maquinaria: En general las mquinas en su funcionamiento
pueden provocar distintas fuerzas dinmicas dependiendo de su
aplicacin, condiciones de operacin y grado de mantenimiento.
Dependen fundamentalmente del tipo de movimiento de la mquina.
7. Desalineamientos de la junta (hi-low), malos diseos de
juntas, son tambin fuente
de vibraciones.
8. Otras cargas: Terremotos, Explosiones. Moderados y altos
impactos. En la mayora de las situaciones mencionadas las
estructuras se vern sometidas a ciclos de tensin no constante que
habr que analizar convenientemente para su tratamiento. 1.10.
Estructuras susceptibles de soportar cargas de fatiga Muchas
estructuras, tales como los clsicos prticos de edificacin, no
experimentan la suficiente tensin cclica como para sea necesario
considerar sobre ellos problemas de fatiga. No es ste, sin embargo,
el caso de otras estructuras, en las que la carga dinmica
constituye una proporcin mayor de la carga total tales como:
1. Puentes: Que se pueden ver sometidos entre otras a las
acciones de viento y del trfico. Los elementos ms crticos en estas
estructuras son el tablero y los cables de los tirantes.
2. Pasarelas peatonales: Sometidas a vibraciones por la accin
viento y de las
personas.
3. Gras de exterior: En estos casos las acciones de tipo dinmico
a tener en cuenta son el viento, el efecto de la carga mvil y los
movimientos de rotacin y de traslacin.
4. Puentes gra y sus vigas carrileras: Elementos sometidos a
cargas mviles tanto
gravitatorias como horizontales en direccin longitudinal y
transversal.
5. Torres y chimeneas: La accin principal es el viento que puede
producir vibraciones tanto en la direccin del viento como en la
direccin perpendicular.
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6. Plataformas Off-shore: Sometidas a los efectos del oleaje,
las corrientes y el viento.
7. Aerogeneradores elicos: Deben soportar efectos del viento y
de la rotacin de alabes.
8. Estadios deportivos y para conciertos: Desde el punto de
vista dinmico se deben
considerar el viento en los voladizos de las cubiertas y el
efecto de las personas saltando.
2. PROPIEDADES QUMICAS DE LOS METALES.
Las propiedades mecnicas de un metal pueden ser alteradas por la
aplicacin de varios
tratamientos trmicos y mecnicos. Van a ocurrir cambios drsticos
si se cambia la
composicin qumica. Desde el punto de vista de la soldadura, el
inters principal son las
aleaciones o mezclas de diferentes elementos, ambos metlicos y
no metlicos. El ejemplo
ms comn es el acero, que es una mezcla de hierro y carbono, ms
otros elementos en
diferentes cantidades.
Adems de las propiedades mecnicas, la composicin qumica del
metal tambin va a
tener un efecto sobre la resistencia a la corrosin y la
soldabilidad (la facilidad con que cada
metal puede ser exitosamente soldado). Por esto, parte de las
tareas de un inspector de
soldadura pueden incluir la verificacin de la composicin qumica
de un metal comparando
su composicin actual contra la especificacin.
2.1 Grupos de aleaciones.
Un inspector de soldadura, puede ser expuesto a un nmero
diferente de aleaciones
metlicas. Los metales pueden ser agrupados en varias categoras
de aleaciones; algunas
categoras comunes son acero, aluminio, nquel y cobre. Esta
discusin est principalmente
orientada a aleaciones de acero, divididas en tres
sub-categoras: aceros comunes al
carbono, aceros de baja aleacin y aceros de alta aleacin.
2.1.2 Aleaciones de acero.
Los aceros al carbono son las aleaciones ms usadas a nivel
mundial; contienen
principalmente hierro, pero adems pequeas proporciones de
carbono, manganeso,
fsforo, azufre y silicio. La cantidad de carbono presente tiene
el mayor efecto sobre las
propiedades del metal. El cuadro 2, muestra el contenido de
carbn y algunas
caractersticas de los aceros comunes al carbono.
Los aceros de baja aleacin contienen menor cantidad de otros
elementos como nquel,
cromo, manganeso, silicio, vanadio, columbio, aluminio,
molibdeno y boro.
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21
La presencia de estos elementos en distintas cantidades puede
resultar en diferencias
notables en las propiedades mecnicas. Estos aceros de baja
aleacin pueden ser
generalmente clasificados en aceros estructurales de baja
aleacin y alta resistencia, aceros
para usos automotrices y de maquinaria, aceros para servicio a
baja temperatura o aceros
para servicio en alta temperatura. Muchos de estos aceros de
baja aleacin han sido
clasificados de acuerdo con su composicin qumica, como se
muestra en el cuadro 3. Esta
clasificacin fue desarrollada por la American Iron and Steel
Institute (AISI) y la Society of
Automotive Engineers (SAE) y son generalmente usados en la
fabricacin de aceros.
El ltimo grupo de aceros son los de alta aleacin. Los aceros
inoxidables y otros tipos de
Aleaciones resistentes a la corrosin son ejemplos de este grupo
de aceros aleados. Los
aceros inoxidables contienen como mnimo un 12% de cromo y
algunos contienen
cantidades significativas de nquel. El cuadro 4, muestra las
composiciones de algunos de
estos tipos de aceros inoxidables, divididos en cinco grupos,
austenticos, martensticos,
ferrticos, endurecidos por precipitacin y de grados dplex.
2.1.3 Efectos de la composicin qumica de los aceros en sus
propiedades mecnicas.
La introduccin de otros elementos de aleacin en los aceros al
carbono se hace cuando se
desea uno o varios de los siguientes efectos:
a. Aumentar la dureza y la resistencia mecnica
b. Conferir resistencia uniforme a travs de toda la seccin en
piezas de
c. grandes dimensiones.
d. Disminuir el peso (consecuencia del aumento de la
resistencia) de
e. modo de reducir la inercia de una parte en movimiento o
reducir la
f. carga muerta en un vehculo o en una estructura.
g. Conferir resistencia a la corrosin. e. Aumentar la
resistencia al calor.
h. Aumentar la resistencia al desgaste.
i. Aumentar la capacidad de corte.
j. Mejorar las propiedades elctricas y magnticas.
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22
Los tres primeros requisitos son alcanzados porque los elementos
de aleacin aumentan la
resistencia de la ferrita y forman adems otros carburos, adems
del Fe3C, los cuales
modifican el tamao y la distribucin de las partculas existentes
de Fe3C, contribuyendo a
mejorar la resistencia del acero sobre todo en secciones que, si
se tratase de aceros al
carbono comn, difcilmente tendran la resistencia alterada.
Generalmente ese aumento de la resistencia es conseguido por
adicin de uno o varios
elementos en contenidos relativamente bajos, no sobrepasando su
suma el valor de 5%. En
esas condiciones, los principios fundamentales de los
tratamientos trmicos permanecen,
porque aunque la presencia de nuevos elementos de aleacin
obligue a un ajuste en las
temperaturas de los tratamientos, la transformacin de la
austenita y las estructuras
resultantes son las mismas que ocurren en los aceros al
carbono.
La obtencin de otras caractersticas de (d) a (h) requiere la
adicin de los elementos de
aleacin en contenidos ms elevados, producindose alteraciones ms
profundas en la
ferrita, adems de resultar carburos ms complejos. En este caso,
los tratamientos trmicos
tambin deben ser modificados para facilitar muchas veces la
formacin de los carburos
especiales. Los aceros altamente aleados son ms difciles de
fabricar y de tratar
trmicamente de modo que son muy dispendiosos, incluso porque
algunos de los elementos
de aleacin utilizados son relativamente raros.
La siguiente lista muestra los efectos de varios elementos
aleantes sobre las propiedades de
los aceros, incluida la soldabilidad.
Carbono
Es generalmente considerado como el elemento aleante ms
importante en los aceros y
puede estar presente hasta en un 2% (aunque la mayora de los
aceros soldados tienen
menos de un 0,5%). El carbono puede existir disuelto en el
hierro, o en formas combinadas
como la cementita (Fe3C). A medida que aumenta la cantidad de
carbono, aumenta la
dureza y la resistencia a la traccin, as como la respuesta a los
tratamientos trmicos
(endurecimiento). Por otro lado, el incremento de la cantidad de
carbono reduce la
soldabilidad.
Azufre
Ms que un elemento aleante, es generalmente una impureza
indeseable en los aceros, Se
realizan esfuerzos especiales para eliminarlo durante la
fabricacin de aceros. En
cantidades superiores al 0,05% tiende a causar fragilidad y a
reducir la soldabilidad. Aleado
en cantidades desde el 0,1 al 0,3% tiende a mejorar la
maquinabilidad del acero. Estos tipos
de aceros son conocidos como resulfurados o de corte libre. Los
aceros de corte libre no
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23
son recomendados donde se deba soldar. El azufre en los aceros
forma inclusiones de
sulfuro de manganeso que acta como elevadores de esfuerzos en la
zona de corte
primario. En consecuencia, las virutas producidas se rompen con
facilidad y son pequeas;
esto mejora la maquinabilidad. El tamao, forma, distribucin y
concentracin de estas
inclusiones influyen mucho sobre la maquinabilidad. Elementos
como el teluro o telurio, as
como el selenio, que son qumicamente semejantes al azufre,
funcionan como
modificadores de inclusiones en los aceros resulfurados.
Fsforo
Es generalmente considerado como una impureza no deseada en los
aceros; generalmente
se encuentra en cantidades de hasta un 0,04% en la mayora de los
aceros al carbono. En
aceros endurecidos, puede tender a causar fragilidad. En aceros
de baja aleacin y alta
resistencia, puede aadirse hasta un 0,1% de fsforo para mejorar
la resistencia a la
corrosin y a la traccin. El fosforo tiene dos efectos
principales sobre los aceros. Fortalece
a la ferrita, elevando la dureza. Los aceros ms duros dan como
resultado mejor formacin
de viruta y mejor acabado superficial. Ntese que puede ser que
los aceros suaves sean
difciles de maquinar, con formacin de borde acumulado y mal
acabado superficial. El
segundo efecto es que la mayor dureza causa la formacin de
virutas cortas, en lugar de
hilos continuos, y con ello mejora la maquinabilidad.
Silicio
Generalmente solo est presente en pequeas cantidades (0,2%) en
aceros laminados
cuando es usado como desoxidante. De todos modos en, fundiciones
de acero (steel
castings), est presente en cantidades que varan de 0,35% al 1%.
El silicio se disuelve en
el acero y tiende a hacerlo ms resistente. El metal de soldadura
generalmente contiene
aproximadamente 0,5% de silicio como desoxidante. Algunos
metales de aporte pueden
contener hasta un 1% para realzar la limpieza y la desoxidacin
para soldar sobre
superficies contaminadas. Cuando estos metales de aporte son
empleados para soldar
sobre superficies limpias, el metal de soldadura resultante va a
incrementar ostensiblemente
su resistencia. La disminucin resultante en ductilidad puede
presentar problemas de fisuras
en algunas situaciones.
Cromo
Es un poderoso elemento aleante en los aceros. Es agregado
principalmente por dos
razones; primero aumenta en gran medida la dureza del acero y
segundo, mejora
notablemente la resistencia a la corrosin de las aleaciones a la
oxidacin media. Su
presencia en algunos aceros puede causar una dureza excesiva y
fisuras, en las
adyacencias de la soldadura. Los aceros inoxidables contienen
cantidades de cromo que
llegan a superar el 12%.
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24
Manganeso
Los aceros contienen generalmente por lo menos un 0,3% de
manganeso porque acta de
las siguientes maneras:
1. Asiste en la desoxidacin del acero.
2. Previene la formacin inclusiones de sulfuro de hierro.
3. Aumenta la resistencia por incremento de la capacidad de
endurecimiento del acero.
Cantidades de hasta un 1,5% son encontradas en aceros al
carbono.
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Cuadro 4. Composicin de algunos aceros inoxidables
Molibdeno
Este elemento es un fuerte formador de carburos (carbide) y
generalmente est presente en
los aceros aleados en cantidades menores al 1%. Es agregado para
aumentar la dureza y la
resistencia a las temperaturas elevadas. Es agregado a los
aceros inoxidables austenticos
para mejorar la resistencia al pitting.
Nquel
Es agregado a los aceros para aumentar su dureza. Se desempea
bien en esta funcin
porque a menudo mejora la tenacidad y la ductilidad del acero,
an con el aumento de la
resistencia y de la dureza que brinda. El nquel es
frecuentemente usado para mejorar la
tenacidad del acero a bajas temperaturas.
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Aluminio
Es agregado al acero en muy pequeas cantidades como desoxidante.
Tambin afina el
grano para mejorar la tenacidad; los aceros con adiciones
moderadas de aluminio son
conocidos como aceros de grano fino.
Vanadio
La adicin de vanadio aumenta la dureza del acero. Es muy
efectivo en esta funcin, de
manera que generalmente es agregado en cantidades muy pequeas.
En cantidades
superiores al 0,05% puede haber tendencia a que el acero se
fragilice durante los
tratamientos trmicos de alivio de tensiones.
Niobio (Columbio)
Generalmente es considerado como un endurecedor del acero.
Debido a su fuerte afinidad
con el carbono, puede combinarse con el carbono en el acero con
una marcada disminucin
de la dureza. Es agregado a los aceros inoxidables austenticos
como un estabilizador para
mejorar las propiedades de soldabilidad. El niobio es tambin
conocido como columbio.
Gases disueltos
El hidrgeno (H2), el oxgeno (O2) y el nitrgeno (N2) todos
disueltos en el metal fundido
pueden provocar la fragilidad del acero si no son removidos. Los
procesos de refinamiento
del acero son diseados para eliminar la mayor parte de estos
gases. Gases de
protecciones especiales o fundentes son usados para prevenir su
disolucin en el metal de
soldadura fundido.
2.1.4 Aleaciones de aluminio
Son probablemente el grupo ms numeroso de aleaciones no ferrosas
usadas en la
industria metalmecnica actual. Disponibles como materia prima o
fundida, se consideran
generalmente soldables. El aluminio es muy deseado para
aplicaciones que requieran
buena resistencia, bajo peso, buena conductividad trmica y
elctrica y buena resistencia a
la corrosin. Comercialmente el aluminio puro recocido o fundido
tiene una resistencia a la
traccin de 1/5 de la resistencia del acero estructural.
Cuando es trabajado en fro aumenta considerablemente la
resistencia, adems de permitir
que el aluminio se pueda alear con otros metales como: cobre,
silicio o zinc, permite
tratamientos trmicos que puedan aumentar su resistencia. En
algunos casos, su resistencia
puede ser comparable con la de un acero de bajo carbn.
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27
Hay dos categoras generales en las cuales las aleaciones de
aluminio pueden ser
colocadas: trmicamente tratables y no tratables trmicamente. Los
tipos de tratamientos
trmicos toman su dureza y resistencia de un proceso denominado
endurecimiento por
precipitacin. Los tratamientos no trmicos aumentan la
resistencia por endurecimiento
mediante estiramiento (trabajo en fro) y por adicin de elementos
aleantes. El cuadro 5,
hace referencia a las designaciones para los varios tipos de
aleaciones de aluminio segn la
Asociacin del aluminio (Aluminium Association), de acuerdo a la
mayor parte de elementos
aleantes. Para indicar la condicin de los distintos grados,
puede aadirse un sufijo a la
designacin numrica. Estas designaciones estndar de tratamientos
son mostradas en el
cuadro 6.
2.1.5 Aleaciones de nquel
El nquel es un metal tenaz, plateado de la misma densidad que el
cobre. Tiene una
excelente resistencia a la corrosin y a la oxidacin an a altas
temperaturas. El nquel se
puede alear con muchos materiales y es base para un nmero de
aleaciones en
combinacin con el hierro, el cromo y el cobre. Muchas
aleaciones, para alta temperatura y
resistencia a la corrosin, tienen porcentajes de nquel en el
orden del 60 al 70%. Esto
puede incluir varias aleaciones como el Monel 400, Inconel2 600
y Hastelloy C-276.
Procedimientos de soldadura similares a aquellos usados en acero
son empleados con el
nquel y sus aleaciones, todos los mtodos comunes de soldadura
pueden ser usados.
2 Inconel es una marca de Special Metals Corporation que se
refiere a una familia de superaleaciones austenticas de
base nquel-cromo. Las aleaciones de inconel se utilizan
normalmente en aplicaciones a altas temperaturas.
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2.1.6 Aleaciones de cobre
El cobre es probablemente mejor conocido por su alta
conductividad elctrica es muy usado
para aplicaciones elctricas. Y es tres veces ms denso que el
aluminio y tiene
conductividades trmicas y elctricas que son aproximadamente 1,5
veces mayores. El
cobre es resistente a la oxidacin a temperaturas inferiores a
los 204 C, al agua salada, a
las soluciones alcalinas sin amonaco y muchos qumicos orgnicos.
El cobre reacciona
rpidamente con el azufre y sus compuestos producen sulfatos de
cobre. El cobre y sus
aleaciones tambin son extensamente usados para tuberas de agua,
vlvulas y equipos,
intercambiadores de calor y equipos qumicos.
Las aleaciones de cobre pueden ser divididas en ocho grupos,
incluyendo:
Cobre
Aleaciones con alto porcentaje de cobre
Latones (Cu-Zn)
Bronces (Cu-Sn)
Cobre-nquel (Cu-Ni)
Aleaciones cobre-nquel-zinc (nquel plateado)
Cobre-plomo
Aleaciones especiales
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29
Aunque la mayora de las aleaciones del cobre son soldables y/o
por brazing en algn
grado, su alta conductividad trmica presenta algunos problemas.
Este factor tiende a
conducir el calor de la soldadura o del brazing afuera de la
junta demasiado rpido. Es
crtica la limpieza debido a la presencia de tenaces xidos
superficiales. Estas aleaciones
pueden ser unidas efectivamente usando una gran variedad de
procesos de soldadura y
brazing.
3. ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Una vez que es reconocido que las propiedades
metlicas son importantes para la conveniencia de un
metal o una soldadura, es necesario determinar los
valores reales. Esto es, ahora el diseador puede
querer poner un nmero en cada una de esas
importantes propiedades de manera que l o ella
puedan efectivamente disear una estructura usando
materiales teniendo las caractersticas deseadas.
Hay numerosos ensayos usados para determinar las
varias propiedades mecnicas y qumicas de los
metales. Mientras que algunos de esos ensayos
proveen valores para ms de una propiedad, la
mayora son diseados para determinar el valor de
una caracterstica especfica. Por esto, puede ser
necesario realizar varios ensayos diferentes para determinar
toda la informacin deseada.
Es importante para el inspector de soldadura entender cada uno
de estos ensayos; el
inspector debe saber cundo es aplicable un ensayo, que
resultados van a proveer y como
determinar si los resultados cumplen con la especificacin.
Tambin puede ser de ayuda si el inspector de soldadura entiende
algunos de los mtodos
usados en los ensayos, an si no est directamente involucrado con
el ensayo.
Los mtodos de ensayo son generalmente agrupados en dos clases,
destructivos y no
destructivos. Los ensayos destructivos dejan al material o parte
fuera de uso para servicio,
una vez que se realiza el ensayo. Estos ensayos determinan como
el material se comporta
cuando es cargado a rotura. Los ensayos no destructivos no
afectan a la pieza o
componente para su posterior uso.
En toda esta discusin, no va a considerarse el ensayo
destructivo especfico usado para
determinar una propiedad de un metal base o de un metal de
soldadura. Para la mayor
parte, esto no representa un cambio significativo en la manera
en la cual el ensayo es
El inspector de soldadura nunca
puede ser responsable por el
resultado del ensayo, es importante
que l o ella entiendan la
informacin que puede ser provista
por esos ensayos, para que sta
pueda ser usada como herramientas
de examen. Mientras que muchos
de esos anlisis parecen simples,
muy a menudo involucran ms de lo
que se ve a primera vista. Por eso,
el inspector debe trabajar con una
persona experimentada antes de
tratar de realizar alguna de estas
operaciones.
-
30
realizado. Habr ocasiones cuando un ensayo es realizado para
ensayar especficamente al
metal base o al metal de soldadura, pero la mecnica de la
operacin del ensayo va a variar
muy poco o nada.
3.1 Ensayo de traccin
La primera propiedad revisada fue la resistencia, de manera que
el primer mtodo de
ensayo destructivo va a ser el ensayo de traccin. Este ensayo
nos provee una gran
cantidad de informacin acerca de un metal. Alguna de las
propiedades que pueden ser
determinadas como el resultado del ensayo de traccin
incluyen:
Resistencia a la Rotura
Resistencia a la Fluencia
Ductilidad
Alargamiento Porcentual
Reduccin Porcentual de rea
Mdulo de Elasticidad
Lmite Elstico
Lmite Proporcional
Tenacidad
Algunos valores del ensayo de traccin pueden determinarse por
lectura directa de una
galga. Otros pueden ser cuantificados solamente despus del
anlisis del diagrama de
tensin deformacin que es producido durante el ensayo. Los
valores para ductilidad
pueden hallarse mediante mediciones comparativas de la probeta
de traccin antes y
despus del ensayo. El porcentaje de esa diferencia describe el
valor de la ductilidad
presente.
Cuando se realiza un ensayo de traccin, uno de los aspectos ms
importantes es que el
ensayo involucra la preparacin de la probeta de traccin. Si esta
parte del ensayo es
realizado con poco cuidado, la validez de los resultados del
ensayo se ve severamente
reducida. Pequeas imperfecciones en la terminacin superficial,
por ejemplo, pueden
resultar en reducciones significativas de la resistencia
aparente y de la ductilidad de la
probeta. Algunas veces, el solo propsito del ensayo de traccin
de una probeta soldada es
para mostrar simplemente si la zona soldada va a desempearse de
la misma manera que
el metal base. Para este tipo de evaluacin, solamente es
necesario remover una probeta
transversal al eje longitudinal de la soldadura, con la
soldadura groseramente centrada en la
probeta.
Los dos extremos cortados deben ser paralelos usando un serrucho
u oxicorte, pero no es
necesario ningn tratamiento superficial ni la remocin del sobre-
espesores de soldadura.
Generalmente el sobre-espesor en soldadura son de terminacin
plana.
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31
Este enfoque es usado para ensayar procedimientos y calificacin
de soldadores de acuerdo
con el estndar API 1104 Welding of pipelines and Related
Facilities, twentyeth edition.
2005. Un ensayo de traccin exitoso hecho de acuerdo con esta
especificacin es descrito
con una probeta que falla en el metal base, o en el metal de
soldadura si la resistencia del
metal base est por encima.
Para la mayora de los casos en los cuales el ensayo de traccin
es requerido, hay una
necesidad para determinar el valor actual de la resistencia y
otras propiedades de ese metal,
no solamente si la soldadura es tan resistente como el metal
base.
Cuando la determinacin de estos valores es necesaria, la probeta
debe ser preparada en
una configuracin que provea una seccin reducida en alguna parte
cerca del centro de la
longitud de la probeta, como se muestra en la figura 10,
Figura 10, Probeta de traccin con seccin reducida para
diferentes tipos de materiales
metlicos. Se muestran probetas del tipo cilndrico y
rectangular.
En esta seccin reducida es dnde se pretende que se localice la
rotura. La rotura puede
tender a ocurrir preferentemente cerca de la zona de agarre de
la probeta si esta no es
inspeccionada minuciosamente a nivel de los radios de la
garganta a fin de detectar posibles
concentradores de esfuerzos, haciendo ms difcil las mediciones.
Tambin esta seccin
reducida resulta en un incremento de la uniformidad de las
tensiones a travs de la seccin
transversal de la probeta. Esta seccin transversal debe exhibir
los siguientes tres aspectos
para que puedan obtenerse resultados vlidos:
1. La longitud completa de la seccin reducida debe ser una
seccin transversal
uniforme.
2. La seccin transversal debe ser de una forma que pueda ser
fcilmente medida de
manera que el rea de la seccin pueda ser calculada.
3. Las superficies de la seccin reducida deben estar libres de
irregularidades
superficiales, especialmente si son perpendiculares al eje
longitudinal de la probeta.
-
32
De acuerdo a la American Society for Testing and Material, en el
estndar E8-03 pargrafo 6
especmenes de pruebas, numeral 6.2, En especmenes para placas,
el ancho de la seccin
reducida de la probeta de ensayo ser de 1 pulgada (38 mm) por
3/16 (4,8 mm) de
espesor como mnimo y para especmenes cilndricos numeral 6.4, la
medida de las
probetas estandarizadas para los ensayos de traccin deben ser de
0.505 pulgadas (12,83
mm) de dimetro. Para probetas estandarizadas de menores dimetros
se usan medidas de
0.357 (9,07 mm, 0.252 (6,40 mm), 0.160 (4,06) y 0.113 (2,87 mm)
pulgadas de dimetro.
Por estas razones, as como tambin la mecnica para preparar una
probeta, las dos formas
ms comunes para las secciones transversales son la rectangular y
la circular. Ambas son
rpidamente preparadas y medidas. Si es requerido para realizar
un ensayo de traccin, el
inspector de soldadura debe estar capacitado para calcular el
rea de la seccin transversal
reducida de la probeta. Los ejemplos 1 y 2 muestran como estos
clculos son hechos para
ambas secciones transversales.
A continuacin realizaremos a manera de ejercicios prcticos dos
ejemplos de cmo calcular
el rea de una probeta para ensayo de traccin.
Ejemplo 1: rea de una Seccin Rectangular en el Sistema US.
Ancho medido w = 1.5 in (1 ) Espesor medido = t = 0.5 in ()
rea = w x t rea = 0,75 in2 ()
Ejemplo 2: rea de una seccin transversal circular en el Sistema
US.
rea de un crculo = x r2 x d2 /4
Dimetro medido d = 0.505 in
Radio r = 0.2525 in
rea = x r2 3.1416 x (0.2525)2 rea = 0.2 in2
La determinacin de esta rea, previa al ensayo, es crtica porque
este valor va a ser usado
para finalmente determinar la resistencia del metal. La
resistencia es calculada dividiendo la
Ejemplo 1: rea de una Seccin Rectangular en el Sistema
Internacional. Ancho medido, w = 38 mm Espesor medido, t= 12,7 mm.
rea = w x t
rea = 482,6 mm2
Ejemplo 2: rea de una seccin transversal circular en el Sistema
Internacional Dimetro medido d = 12,83 mm Radio de la probeta, r =
d/2 = 6,42 mm rea = 3,1416 x (6,42)
2 mm
rea= 129,5 mm
2
-
33
carga aplicada sobre el rea de la seccin transversal original.
El ejemplo 3 muestra este
clculo para la probeta de seccin transversal circular usada en
el ejemplo 2.
Ejemplo 3: Clculo de la resistencia a la rotura
en el Sistema US.
Dada una carga de 12500 lb para la rotura de una
probeta cilndrica cuya rea es de 0.2 in2, calcular
su resistencia mxima a la rotura.
Resistencia a la rotura Rr = Carga / rea Rr = 12500 lb/0.2
in
2 = 62500 psi3
El ejemplo previo muestra un clculo tpico de resistencia a la
rotura para una probeta
estndar circular de acuerdo al estndar ASTM E8-03.
El inspector de soldadura debe saber manejar nmeros de manera
prctica y rpida como
es el caso de que dividir un nmero entre 0,2 es lo mismo que
multiplicar dicho nmero por
5. Este mtodo es llamado mtodo del thum Por esto, si se usa una
probeta estndar, el
clculo para la resistencia a la rotura puede ser realizado de
una manera muy simple, como
se muestra en el ejemplo 4.
Ejemplo 4. Clculo Alternativo de la Resistencia a la Rotura por
el mtodo del thum.
Una manera rpida de calcular la resistencia de una probeta ASTM
de 0.505 sometida a
traccin es multiplicando el valor de la carga por 5. El
resultado de este clculo es idntico al
del ejemplo 3.
Carga = 12500 lb. rea = 0.2 in2 Resistencia Rr = 12500 lb x 5 Rr
= 62500 psi.
Sin embargo es necesario sealar que al reducir los valores del
sistema US al Sistema
Internacional la relacin de multiplicacin cambia en referencia a
las unidades de medidas
3 lb/in
2 es igual a pound square inch (psi)
Ejemplo 3: Clculo de la resistencia a la rotura en el Sistema
Internacional. Carga de rotura = 5675 kgf rea = 129,5 mm
2 (ver ejemplo 1)
Resistencia a la rotura = carga / rea 5 675 kgf/129,5 mm
2 = 43,82 kgf/mm
2
Resistencia a la rotura = 43,82 kgf/mm
2
-
34
de peso con respecto a las de longitud. Por ende no se pueden
asumir estos valores de
manera directa para obtener los correspondientes equivalentes en
el Sistema Internacional.
(Nota 6 de la figura 8 para la elaboracin de probetas cilndricas
para ensayos de traccin
estandarizadas).
Para convertir el valor resultante, del ejemplo anterior, al
Sistema Internacional es dividiendo
el valor de la carga entre la constante 130.
Carga = 12500 lb = 5675 kg Resistencia Rr = 5675 kg /130 = 43,65
Kgf/mm
2 Otro mtodo alterno para este clculo es teniendo como
referencia el valor de dureza Brinell
del material a ensayar y multiplicarlo por 3,34 lo cual dar como
resultado un valor bastante
aproximado a los valores reales.
Otra operacin que debe el inspector de soldadura realizar antes
del ensayo de traccin es
marcar dos puntos equis distantes uno de otro sobre la seccin
reducida de la probeta a
ensayar. Estas marcas deben ser realizadas mediante un centro
punto cuya punta debe ser
redondeada y no punzo-penetrante. Los puntos son marcados
tomando el centro de longitud
del rea reducida como lnea referencia. Ver figura 11. Los
extensmetros ms comunes
miden entre 2 y 8 pulgadas. Despus del ensayo, la nueva
distancia entre esas marcas es
medida y comparada con la distancia original para determinar el
alargamiento o
acortamiento mostrado por la probeta cuando fue cargada hasta la
rotura.
Despus del ensayo, la nueva distancia entre esas marcas es
medida y comparada con la
distancia original para determinar el alargamiento o
acortamiento mostrado por la probeta
cuando fue cargada hasta la rotura.
Figura 11. Probeta de traccin mostrando los puntos referenciales
para el clculo de
elongacin de la probeta.
El alargamiento porcentual refiere al valor de carga que la
probeta se estir entre dos
marcas durante el ensayo de traccin. Se calcula dividiendo la
diferencia entre la longitud
final y la original entre las marcas por la longitud original, y
multiplicando el resultado por 100
-
35
para representar un porcentaje. Un ejemplo de alargamiento
porcentual es mostrado a
continuacin:
Ejemplo 5. Calculo de la elongacin de un material sometido a
prueba de traccin.
Medida de longitud original 2 pulgadas
Elongacin final marca 2.5 pulgadas
Elongacin porcentual= 2.5 - 2 / 2.5 x 100 = 25%
Cuando una probeta dctil es sometida al ensayo de traccin, una
parte de ella va a exhibir
una estriccin, como resultado de la aplicacin de la carga
longitudinal de traccin. Si
nosotros volvemos a medir y a calcular el rea final de esta
regin ms pequea (con
estriccin), restndola del rea de la seccin transversal original,
dividiendo el resultado por
el rea original y multiplicando el resultado por 100, esto va a
dar el valor porcentual de
reduccin de rea. Un ejemplo de la reduccin porcentual de rea
(RA) es el siguiente:
Ejemplo 6. Clculo de la reduccin porcentual del rea de la seccin
transversal.
rea de la Seccin Transversal Original de
0.2 pulgadas
rea de la Seccin Transversal Final de 0.1
pulgada
% Reduccin de rea= 0.2 - 0.1 / 0.2 x 100= 50%
Una vez medida y marcados los puntos de referencia para luego
determinar el porcentaje de
elongacin, la probeta es colocada firmemente en las mordazas del
tensimetro. Como se
muestra en la figura 12 y 12 A.
Utilice este espacio para sus anotaciones.
Medida de longitud original = 50 mm Elongacin final = 63,5 mm
Elongacin porcentual: %E = (63,5-50) mm / 50 mmX100 = 27%
rea de la seccin transversal original: 50,8 mm2 rea de la seccin
transversal final: 25,4 mm2 % de reduccin de rea: %Ra = 50,8 mm2
25,4 mm2 / 50 mm X 100 = 50 %
-
36
Figura 12, Montaje de una probeta rectangular en una mquina de
traccin
Figura 12 A. Esquema de montaje de una probeta de tensin en una
mquina de traccin.
Una vez posicionada la probeta de prueba, la carga de traccin es
aplicada a una velocidad
constante. El inspector debe supervisar la velocidad de traccin
con que se realiza el ensayo
ya que los cambios en la misma, sobre todo si esta aumenta de
manera sbita, puede
ocasionar lecturas errneas de los resultados del ensayo. Antes
de la aplicacin de la carga,
se conecta a la probeta un dispositivo conocido como extensmetro
el cual medir el
alargamiento que sufre la probeta, durante la aplicacin de la
carga, en la seccin reducida
-
37
de la misma. Los extensmetros ms comunes miden entre 50 mm y 200
mm (2 y 8
pulgadas).
Tanto la carga como el alargamiento son ledos y grabados para
hacer un grfico de la
variacin del alargamiento en funcin de la carga aplicada. Esto
es graficado como carga
versus deflexin de la curva. Normalmente estos ensayos son
expresados en trminos de
tensin y deformacin.
El valor de tensin es proporcional a la resistencia, dado que
este es calculado dividiendo el
valor de la carga entre el valor del rea de la seccin
transversal de la probeta expresado en
kgf/mm2. La deformacin es simplemente el valor del alargamiento
permanente que sufre
una probeta sometida a una carga de tensin a partir de una
longitud inicial lo cual puede
considerarse como una deformacin expresado como mm/mm. Cuando
estos valores son
graficados para un acero al carbono. El resultado puede aparecer
como el representado en
la figura 13.
El diagrama de tensin deformacin exhibe varios aspectos
importantes que sern
discutidos a continuacin. El ensayo se define como prueba de
tensin y deformacin cero.
Figura 13. Curva tpica tensin deformacin para un acero dulce
A medida que la carga es aplicada, el valor de la deformacin
aumenta linealmente con la
tensin. Esta rea muestra lo que previamente fue denominado
comportamiento elstico,
donde la tensin y la deformacin son proporcionales a la carga.
Para cualquier material
dado, la tangente de esta lnea es un valor conocido. Est
pendiente es el mdulo de
elasticidad o mdulo de Young.
-
38
Para los aceros al carbono, el mdulo de elasticidad a
temperatura ambiente es
aproximadamente de 21 114 kg/mm2 (30 000 000 psi), y para el
aluminio es de 7 242
kg/mm2 (10 500 000 psi). Este nmero define la rigidez del metal.
Esto es, cunto ms alto
es el mdulo de elasticidad, ms rgido es el metal.
Eventualmente, cuando se somete un metal a una carga de tensin
el metal comenzar a
exhibir un estiramiento proporcional a la carga que responde a
la ley de Hooke y la
deformacin va a empezar a aumentar ms rpido que la tensin,
significando que el metal
se est alargando ms para un valor de carga aplicada. Este cambio
marca el final del
comportamiento elstico y el comienzo del comportamiento plstico,
o de deformacin
permanente. El punto sobre la curva que muestra el fin del
comportamiento lineal es
conocido como lmite elstico o proporcional. Si la carga es
removida en cualquier instante
hasta este punto, la probeta va a retornar a su longitud
original.
Muchos metales tienden a mostrar un cambio drstico en el
comportamiento elstico inicial.
Ver figura 13. No solamente las tensiones y las deformaciones
son proporcionales a las
cargas, puesto que la resistencia a las tensiones puede
permanecer constante para un
mismo valor; mientras que la deformacin aumenta. Este fenmeno de
fluencia es
caracterstico de los aceros dctiles. Las tensiones aumentan
hasta un lmite mximo y
despus caen hasta un lmite mnimo. Estos valores son conocidos
como: lmite superior de
fluencia (punto A) y lmite inferior de fluencia (punto C),
respectivamente. El punto superior
es la tensin a la cual hay un aumento notable de la deformacin
plstica, sin que haya un
aumento en la tensin. La tensin luego cae y se mantiene
relativamente constante en el
punto inferior de fluencia (D), mientras que la deformacin
contina aumentando hasta
llegar a un punto conocido como punto de alargamiento en
fluencia o seccin resistente
original el cual se observa en la grfica desde el punto B hasta
D y es en este segmento
donde el material presenta un comportamiento altamente plstico y
puede deformarse sin
incremento de la carga aplicada. Despus de este punto el
material comienza a sufrir un
endurecimiento por deformacin plstica. Durante este proceso, el
material sufre cambios en
sus estructuras cristalina y atmica, lo que origina un
incremento en la resistencia del
material a futuras deformaciones. Por tanto, un alargamiento
adicional requiere de un
incremento en la carga de tensin, y el diagrama
esfuerzo-deformacin toma una pendiente
positiva desde D hasta E. Finalmente la carga alcanza su valor
mximo y el esfuerzo
correspondiente (en el punto E) se denomina ltimo Esfuerzo a la
Tensin (UET). Dado que
la tensin es calculada en base a la seccin del rea transversal
original, esto da la idea de
que la carga est disminuyendo cuando en realidad sigue
aumentando. Finalmente el
alargamiento posterior de la probeta va acompaado de una
reduccin de rea presentando
una fractura en un punto F, tal como se indica en el
diagrama.
En un metal que presenta este comportamiento, el lmite elstico
es el esfuerzo
correspondiente al punto de fluencia superior (punto A), o algn
punto a mitad de camino
entre la parte superior y los puntos de rendimiento inferiores
(rea en los puntos B y C).
-
39
Durante una prueba de ensayo de tensin el punto de fluencia
puede ser visto como una
cada en el dispositivo medidor o de grabacin en el tensimetro.
El rendimiento de la fuerza
de carga se puede determinar mediante la observacin y tomar nota
de la reduccin que
ocurre en la seccin reducida de la probeta. Cuando se emplea
este mtodo, nos referimos
al anlisis de tensin de carga por el mtodo drop-beam4.
Durante el alargamiento del metal, el flujo de plasticidad
aumenta a un ritmo tal que las
tensiones se van aliviando ms rpidamente de lo que se forman.
Cuando el flujo de
alargamiento plstico se produce a temperatura ambiente, se dice
que el cambio esta
ocurriendo como un "trabajo en fro". Esta accin hace que el
metal se vaya endureciendo
por deformacin plstica hasta llegar a un punto tal que es
necesario incrementar la carga
de deformacin para generar un alargamiento adicional hasta
llegar a un punto mximo de
carga en el cual ocurre el mximo alargamiento que puede sufrir
el metal.
Si un ensayo de traccin es realizado y la carga de tensin es
calculada continuamente en
base al rea real que resiste la carga aplicada, entonces el
diagrama real de tensin-
deformacin puede ser realizado, generando una curva real
yuxtapuesta a una curva terica
o de ingeniera. Ver figura 14. Esta grfica muestra que la
deformacin contina de la
probeta va aumentando con el aumento de la tensin y a su vez
muestra que la rotura
ocurre a la mxima tensin y a la mxima deformacin.
Figura 14. Comparacin de los diagramas Tensin-Deformacin Real y
del Ingeniero
Para metales menos dctiles, puede no haber un cambio pronunciado
en el comportamiento
entre la deformacin plstica y la elstica. Por eso el mtodo drop
beam no puede ser
utilizado para determinar la resistencia a la fluencia. Un mtodo
alternativo es conocido
como el mtodo offset (o mtodo lmite 0,2). La figura 15, muestra
el comportamiento tpico
4 Drop-Beam (Mtodo de Cada del Puntero o Mtodo de Balancn). Es
el mtodo por el cual una fuerza es aplicada a una probeta de ensayo
a una velocidad constante para provocar un estiramiento hasta
llegar al punto de fluencia donde la velocidad de carga es cero y
debe ser incrementada la misma a fin de provocar un ltimo esfuerzo
para provocar un mayor alargamiento de la probeta y el puntero de
la mquina de traccin caer durante un breve intervalo de tiempo.
-
40
tensin deformacin para un metal menos dctil y cuya tendencia a
la fragilidad es alta en
este caso se hace necesario aplicar el mtodo OFFSET5, el cual
consiste en trazar una
recta paralela en el punto 0,002 del inicio de la curva de
deformacin, y donde esta lnea
corta a la grfica, se obtendrn los valores respectivos de
esfuerzo y de estiramiento. Este
valor es el punto offset el cual coincide con el valor de
fluencia del material ensayado. El
valor de deformacin es generalmente descrito en trminos de algn
porcentaje. Un valor
comn es 0,2% (0,002) de la deformacin; otros valores pueden ser
tambin especificados.
Figura 15. Diagrama de tensin-deformacin para aceros de baja
ductilidad.
La figura 16, muestra como es dibujada la lnea paralela para dar
este valor. La tensin
correspondiente a la interseccin de esta lnea de offset (o mtodo
lmite 0,2) con la curva
de tensin deformacin es la resistencia a la fluencia. Debe ser
anotada como una
resistencia a la fluencia 0,2% de manera que otras personas
sepan cmo fue determinada.
Utilice este espacio para sus anotaciones.
5 El mtodo Offset o mtodo de compensacin es el valor de carga
que causa una deformacin plstica en una probeta de ensayo y que la
misma es igual a un valor ya especificado.
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41
Figura 16. Determinacin del Lmite de Fluencia Mediante el Mtodo
Offset (mtodo 0,2) en
materiales frgiles.
La ltima informacin que puede ser obtenida del diagrama de
tensin deformacin es la
tenacidad del metal. Recuerde que la tenacidad es la propiedad
que posee un metal para
absorber energa y de hecho, la velocidad de aplicacin de una
carga de manera lenta sobre
dicho material puede ayudar a determinar su tenacidad analizando
el rea bajo la curva de
tensin deformacin. Por eso, un metal que tiene valores altos de
tensin y deformacin es
considerado ms tenaz que uno con valores bajos. La figura 16,
muestra una comparacin
entre los diagramas tensin deformacin para un acero de alto
carbono para resortes y un
acero estructural. Si las reas bajo las dos curvas son
comparadas, es evidente que el rea
bajo la curva del acero estructural es mayor debido al gran
alargamiento aunque el acero del
resorte muestre una alta resistencia a la traccin. Por eso, el
acero estructural es un metal
ms dctil.
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42
Figura 16. Diagramas de Tensin-Deformacin Para Aceros de Alta y
Baja Tenacidad
La figura 17, muestra un estado comparativo entre tres
diferentes materiales o aceros
estructurales de alta, mediana y baja ductilidad (aceros ASTM
A-36, A-575 y A-514). En ella
puede observarse que para un acero cuya resistencia a la
fluencia es de 25,3 kg/mm2 con
una pequea carga puede obtenerse una elevada elongacin (alta
ductilidad). Sin embargo,
para un acero de 35,18 kg/mm2 a la fluencia su ductilidad se ver
ms comprometida y su
fragilidad aumenta por lo que la elongacin disminuye. Para un
acero de mayo resistencia a
la fluencia (70,3 kg/mm2) su fragilidad ser mayor y su
porcentaje de elongacin se ver
ms comprometido.
Figura 17. Comparacin de tres curvas de tensin para tres aceros
estructurales de alta,
mediana y baja ductilidad.
Este comportamiento de los aceros estructurales es muy tomado en
cuenta por el cdigo
para la soldadura de acero estructural AWS D1.1/D1.1M,
Structural Welding Code Steel. Y
es lo que determina la conformacin de los nmeros y grupos de
materiales a ser soldados
entre s.
Siguiendo el ensayo de traccin, es ahora necesario hacer una
determinacin de la
ductilidad del metal. Esto es expresado en una de estas dos
formas: como alargamiento
porcentual y como reduccin porcentual de rea. Ambos mtodos
involucran mediciones
antes y despus del ensayo.
Para determinar el alargamiento porcentual, es necesario haber
marcado la probeta antes
de pulirla. Despus que la probeta haya fallado, las dos piezas
son colocadas juntas y la
nueva distancia entre esas marcas es medida. Con la informacin
original y la longitud final
entre las galgas marcadas, es posible calcular el alargamiento
porcentual como se muestra
en el ejemplo 7.
-
43
La ductilidad tambin puede ser expresada en trminos de la
estriccin que se produce
durante el ensayo de traccin. Esto es conocido como reduccin
porcentual de rea, donde
el rea inicial y final de la probeta de traccin son medidas y
calculadas por comparacin. El
ejemplo 6 muestra este clculo.
Tanto el alargamiento porcentual como la reduccin porcentual de
rea representan
expresiones para el valor de ductilidad de una probeta de
traccin, estos valores rara vez, o
nunca van a ser iguales. Generalmente, la reduccin porcentual de
rea va a ser
aproximadamente el doble del valor del alargamiento porcentual.
La reduccin porcentual de
rea est pensada para ser una expresin representativa para la
determinacin de la
ductilidad de un metal en presencia de alguna entalladura. De
todos modos, es ms
frecuente ver especificado el alargamiento porcentual si es
usado un solo mtodo.
Ejemplo 7: Determinacin del Alargamiento Porcentual
Longitud inicial del rea reducida Lo= 2.0 in
Longitud final (Lf) del rea reducida = 2.6 in
% de elongacin = Lf Lo / Lf X 100
% E = 2.6 - 2.0 / 2.6 x 100
Alargamiento porcentual= 0.6 / 2.0 x 100
Alargamiento porcentual = 30%
Ejemplo 8: Determinacin de la Reduccin Porcentual de rea
(%RA)
rea original de la seccin reducida = 0.2 in2
rea final de la seccin reducida = 0.1 in2
Reduccin porcentual de rea = rea original-rea final / rea
originalx100
%RA = 0.2 0.1 / 0.2 x 100
%RA = 0.1 / 0.2 x 100
%RA = 50%
Longitud unicial del rea reducida Lo = 50 mm Longitud final del
rea reducida Lf = 66 mm % de elongacin = 66 mm 50 mm / 50 mm X
100
%E = 32%
Area original de la seccin reducida = 5,08 mm2 Area final de la
sec
