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Materiales Merlone- Materiales Metalicos

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I

MECÁN

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3

4.

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Propiedades - I

PROPIEDADES MECÁNICAS BÁSICAS

RESISTENCIA MECÁNICA

Es la resistencia a la deformación plástica. En el caso del ensayo de tracción uniaxial estática sepuede definir de tres maneras diferentes. Son tensiones y se expresan actualmente en MPa. En laliteratura es frecuente encontrarla expresada en kgdmrn2 (l kgdmm2 = 9,81 MPa;:::: 10 MPa).

Resistencia a la fluencia o límite de fluencia (Re) (yield strength(YS»: tensión necesaria parainiciar la deformación plástica macroscópica en un policristaL Se mide como el límite de fluenciainferior (Red para los metales que presentan zona de fluencia (fluencia discontinua), o como ellímite convencional de fluencia (RpO,z) para alcanzar una determinada deformación permanente(comúnmente 0,2 %) en el caso de no presentar zona de fluencia. Es la resistencia que se usapara dimensionar las piezas y estructuras en la mayoría de los casos.

Resistencia a la tracciÓn (Rm) (ultimate tensile strengtb (UTS): valor de la tensión convencionalmáxima que se registra en un ensayo de tracción. No tiene un significado físico, simplemente esuna cantidadfácil de medir que da idea de la resistencia a la deformación del metal cuando sealcanzan grandes deformaciones. Está relacionada con la dureza del metal y antiguamente se lausaba para dimensionar las piezas. Señala el comienzo de la estricción (deformación plásticalocalizada).

Resistencia a la deformación: es la tensión necesaria para lograr un determinado alargamiento(defonnación) permanente (Re..) O total CRt.. J Se usa sólo en el campo del trabajado mecánico delos metales. Ejemplo: R to,8 indica la tensión correspondiente a un alargamiento total de 0,8 %.

DUCTILIDAD

Es la capacidad del metal para deformarse plásticamente en determinadas condiciones (estadode tensión, velocidad de deformación y temperatura). No importa la tensión necesaria paralograr la deformación ni la energia absorbida en el proceso.

En cualquier ensayo que involucre tensiones de tracción, la ductilidad puede defimrse en términosde la defonnación plástica máxima hasta alcanzar la rotura (ductilidad a la rotura), o bien entérminos de la defonnación plástica máxima antes de que se localice la deformación (ductilidaduniforme).

La ductilidad uniforme (deformación uniforme u homogénea) depende del coeficiente deendurecimiento por deformación del metal y de su resistencia a la deformación. Es la ductilidadque determina el límite de conformado en operaciones que involucren tensiones de tracción. Esdificil de medir.

La ductilidad a la rotura (deformación total hasta la rotura) depende además de la proporción,tamaño, forma y distribución de las segundas fases (inclusiones y precipitados) que puedennuclear los hoyuelos en el proceso de fractura dúctiL Da una idea de la deformación que puedealcanzar el metal hasta que ocurre la fractura. Involucra la deformación uniforme y la deformaciónlocalizada.

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esta

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cantidad en el

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Modo

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Propiedades ~ 5

PROCESOS DE FABRICACIÓN MÁS UTILIZADOS

CORTE

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CEPfUADO FsnRAOO

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Fig. 1. Procesos de fabricación con y sin arranquede viruta.

Colado en moldes: el metal fundidoes vertido en una cavidad que tiene laforma deseada (molde). Luego de lasolidificación se extrae la pieza colada.Los lingotes son piezas coladas queluego serán sometidas a procesos deconformado por deformación plásticapara fabricar otros productos, el restode las piezas coladas no son sometidasen general a tales procesos.

Conformado plástico: el material su­fre una deformación plástica median­te la acción de cargas aplicadas a tra­vés de herramientas adecuadas. No hayextracción de material en forma deviruta.

Maquinado o mecanizado: procesosdonde la interacción entre el materialy una herramienta adecuada (herra­mienta de corte) hace que parte delmaterial sea separado en forma de vi­ruta.

Pulvimetalúrgia: se pa.rte del materialen forma de polvos finos que soncompactados en un molde adecuado yluego sometidos a un proceso desmterización a alta temperatura paralograr la unión metalúrgica entre laspartículas de! polvo.

Procesos de unión por soldadura: son procesos de unión entre partes previamente conformadas.Con mucha menor frecuencia se usan para conformar piezas (weld shaping). La unión se basaen la acción del calor que es aportado externamente (por ej. por la acción de un arco voltaico) obien se genera por algún proceso fisicoquímico (fricción, reacción química exotérmica, efectoJoule, etc). Puede o no haber fusión del material.

Existen otros procesos de fabricación que no se adecuan a ninguno de estos grupos y que sonmucho menos utilizados.

Cada uno de estos procesos tiene un rango de aplicación definido dependiendo de: la geometría. deseada, el tamaño de la pieza, el volumen de producción, el tipo de material a que se aplicará,

la calidad superficial requerida, lastolerancías dimensionales y las propiedades exigidas.

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tcm

en

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Propiedades - 7

y distribución (inclusiones no metálicas, carburos, compuestos intermetálicos, etc), procurar lamayor homogeneidad química posible, controlar la temperatura de conformado.

Procesos con tensiones de tracción: el factor que limita la ductilidad es la localización de ladeformación y por eso los límites de conformado son menores que en los procesos con tensionesde compresión. Excepto que se trate de materiales extremadamente dúctiles, este tipo de procesose adecua más a producir cambios en la forma de la pieza que cambios importantes en la seccióntransversal Conviene: baja tensión de fluencia, alto coeficiente de endurecimiento pordeformación (lo que aumenta la ductilidad uniforme aún cuando también haga aumentar lascargas necesarias para el conformado). Ciertos procesos requieren además algunas propiedadesmuy especiales como el logro de ciertas texturas, el control de la zona de fluencia y delenvejecimiento por deformación.

Procesos que aplican un momento flexor: en estos casos la localización de la deformación seretrasa debido al efecto restrictivo que imponen las zonas en compresión, con lo que es lafisuración en la fibra externa la limitante de la ductilidad. Se impone un límite inferior al radiode plegado generalmente expresado en función del espesor del producto a plegar.

PARTICULARIDADES DEL CONFORMADO EN CALIENTE

Al igual que el conformado en frío, se necesita en general baja resistencia a la deformación yalta ductilidad. Sin embargo, cuando la temperatura aumenta ciertos fenómenos activadostérmicamente se aceleran y hacen sentir su efecto sobre estas dos propiedades.

La gran mayoría de los procesos de conformado en caliente aplican tensiones de compresión yademás el material está confinado por el herramental. El fenómeno que limita la ductilidad es lafisuración.

Al aumentar la temperatura baja la resistencia del material, sin embargo la velocidad y facilidadcon que se desarrollan los procesos de restauración influyen fuertemente en la resistencia a ladeformación y en la ductilidad del material.

Otra influencia importante en el conformado en caliente proviene de la posibilidad de apariciónde ciertas fases a alta temperatura, estas fases pueden endurecer, retrasar los procesos derestauración, y también pueden bajar la ductilidad. Todo esto dependerá del tipo de fase, suproporción, tamaiío y forma.

Un tercer factor que va en detrimento de la ductilidad en caliente es la posibilidad de la fusiónparcial de las zonas segregadas de bajo punto de fusión debido a una excesiva temperaturamicial en algunas zonas del producto, o debido a una excesiva cantidad de calor generado duranteel conformado, en especial cuando se usa una alta velocidad de deformación. Estos fenómenos,denominados de fragilidad en caliente, limitan la máxima temperatura de conformado hastavalores que son bastante inferiores a los de la temperatura de sólidus de la aleación.

Además de dar forma al producto, el conformado en caliente cumple una función metalúrgicade gran importancia cuando se aplica como primer paso en el procesado de los lingotes puesproduce cambios profundos en la estructura de solidificación de los mismos, La conjunción dela deformación y la alta temperatura permiten homogeneizar el material estructural y

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L

materias

provienen de la naturaleza,un

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3

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primer caso, podemosmaleabIlidad nlaterial forja.

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y

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Ensayos - 5

corto intervalo de tiempo puede llegar a tener importancia decisiva, corno magnitud de cargafigurará aquí generalmente el trabajo (producto de fuerza por la distancia recorrida).

3. Resumen

De todo lo expuesto resulta el siguiente esquema de la correspondiente clasificación de losensayos de materiales en subgrupos:

ENSAYOS DE MATERIALES

ENSAYOS DEMATERIAS ENSAYOS DE MATERIALES PRIMARIOS

PRIMAS

Ensayos científicos Ensayos tecnológicos

Ensayos físicos Ensayos químicos

Ensayos estáticos Ensayos dinámicos

Ensayos destructivos Ensayos no destructivos

Para el ensayo de materias primas no se señala ningún subgrupo, dado que no nos vamos aseguir ocupando de él en este apunte.

A continuación examinaremos los ensayos más importantes que se realizan en la industria delos metales; en este estudio trataremos la esencia de cada método de ensayo, las característicasdel material que se desprenden del ensayo y de su ejecución práctica. La primera parte se ocupa­rá del extenso campo de los ensayos mecánicos de materiales. La segunda parte se dedicará a losensayos y observaciones metalogáficas.

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MÉTODOS DE ENSAYOS MECÁNICOS

ENSAYO DE DUREZA

Los ensayos de dureza son de gran utilidad para el metalúrgico debido a su simplicidad y sucarácter poco destructivo. Pero es necesario advertlr que la dureza no es una propiedad simplede los materiales metálicos

Fig.l. Diferentes escalas de durezas. Vickers, Brinell y Rockwellpor penetración; Mohs por rayado (mineralógica) y Shore porrebote. Dureza de algunos materiales metálicos.

-.,

VICl(fIU IWNIU. ~ HOHS SHOlUtDomIBiIII .. __ ac- - r- - ... - ........ -..-...........- 2a 10 O~..~

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Cu1IlunMI .In~oa 1500 , Corilklón

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1000 • Topacio~ 700 6S 90

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Coónl 10 10

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10 10

10 10

La dureza de un material es un término mal definido que puedela expenencla de la persona que lo emplea. La dureza nnplicu, en '''.''',0'.'

deformación y para los metales es una medida de su resistencia a laPara Wla persona relacionada con la mecánica del ensayo <le materiales,la dureza SIgnifique unaresIstencia a la penetra­ción, mientras que paraun ingeniero proyectistaes una cantidad fácil demedir y especificar queestá relacionada con la re­sistencia y el tratamientotérmico de un metaL Haytres tIpos generales demedidas de dureza, quedependen de la forma deconducir el ensayo. Estosson: 1) dureza de rayado;2) dureza de penetración,y 3) dureza al rebote o di­námica. Solo la dureza depenetración es del máxi­mo interés tecnológicopara los metales.

La dureza de rayado in­teresa principalmente alos mineralólogos. Segúnesta forma de estimar ladureza, los diversos mine­rales y otros materiales seclasifican por su capaci­dad para rayarse unos aotros. La dureza se midede acuerdo con la escalade Mohs (Fig. 1), queconsiste en 10 mineralestipo dispuestos en ordena su capacidad a ser raya-

cosasa la

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dinámica se caer un martillito sobre laperdida en

la

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en undimensión de la impronta (huella).

en a es constante yimpronta es tanto más grande cuando blando

La H la C'11""\Prt~f'11"" de

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Dureza 3

En resumen el ensayo consiste en aplicar sobre lapieza a ensayar una bolilla de acero o de carburo detungsteno de diámetro D bajo una carga F, y medirel diámetro d de la impronta dejada en la superficiedespués de relevar la carga (Fig. 2).

La dureza Brinell HB es un número proporcional ala relación F/S donde S es la superficie de la im­pronta en mm2.

2-1. Símbolos y designaciones

F = carga de ensayo en newton (ver tabla 1).D = el diámetro de la bolilla en mm.d = el diámetro de la impronta enmm.

F

Fig. 2. Esquema del ensi1Yo de durezaBrinelL

Tabla 1. Panimetros del ensayo de dureza BrineU.

Diámetro de la bolilla Fenenmm newton Uso

(para acero) (para acero)

10± 0,0045 29420 Normal

5± 0,004 7355 Para2,5± 0,003 1839 casos1 ± 0.003 294.2 especiales

F=K981D2,Donde:

con K = 30 para aceroscon K = 2,5,5, 10 para aluminio y susaleaciones,con 1\ = 5, 10, 30 para el cobre y sus aleaciones.

Debe hacerse notar que las cifras Brinell tienen dimensiones de N/mm2, pero no son un conceptofisico satisfactorio porque la ecuación anterior no da la presión media sobre la superficH'; de lahuella. La huella no es exacta.mente un casquete perteneciente a una esfera de diámetro comosupone la fórmula, ni es necesanamente un casquete ,","LvuvV.

2-2. Condiciones de ensayo

Fig. 3. Esq nema distancia entreimprontas y respecto de los bordes dela pieza.

••

••

El ensayo normalmente se realiza a temperatura ambiente.La se aplica progresivamente, sin golpesni vibraciones y se mantiene el valor finaldurante 10 a 15 s.

prepara la superficie evitando toda alteraCIón.Espesor de pieza?: 8 x profundidad de laimpronta (aceros).Espesor de pieza?: 10 x profundidad de laimpronta (Al, Cu y sus aleaciones).Para ensayos sucesivos se escogerá:

a?: 2,5 d; b ?: 4 d (Fig. 3) (aceros)a?: 3 d; b ?: 6 d (Al, Cu y aleaciones).

La pieza debe descansar en un apoyo rígido.

a

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Ejemplo:

(BrineIl n10dificado) HBW 650.

bolilla acero, diámetro de la mm,

4

J."PJrlJfJCUJ'np.,': De una manera general,U~.JJ'J."'<e........... y el ~~~"'J'.'.uv ~''''''.''L''''·'''''

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y

la

uClua

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Dureza- 6

d = (dI + d2)/2 (ver Fig. 7) -

BV =0,189 F/d 2.

3-2. Condiciones de ensayo

••

La ensayo normalmente se hace a temperatura ambiente.La carga se aplica progresivamente sin golpes, ni vibraciones ydurante 10 a 15 s.Se preparará a la superficie evitando introducir alteraciones.Se escogerá el espesor de la pieza ::::: 1,5 d.Para ensayos sucesivos se escogerá:

b ya ¿ 2,5 d (Fig. 8) (para aceros).a ¿ 3 dy b::::: 6 d (para Al, Cu y aleaciones).

La carga del ensayo será:49 N s F s 981 N (para aceros), la carganormal es F = 294 N (30 kgr)49 N s F s 1. 180 N (para Al, Cu yaleaciones).

se mantiene el valor final

a

3-3. Campo de aplicaciónFig. 8. Esquema distancia entreimprontas y respecto de los bordes dela pieza.

• Se debe evitar este método en piezas con granosgrandes (piezas coladas).

.. Pueden existir diferencias entre las longitudes de las diagonales en el caso de metales muyanisótropos.

.. La preparación muy cuidadosa de la superficie (rectificació~, pulido) es un inconvenientedel ensayo Vickers, que es por otra parte el más preciso.

• Para la medida de dureza de piezas esféricas o cilíndricas, se deben aplicar coeficientes decorrección que existen en tablas de la norma.

Ejemplo: 640 HV 50/20; carga 490,3 N (50 kgr), aplicación 20 s.

Fig. 9. Tipos de huellas obtenidascon pirámide de diamante Vickers:a) hueHa perfecta, b) retracción yb) recalcado.

(e)(b)(a)

Observaciones: Con un penetrador perfecto de pirámide de diamante se obtendría una huellaperfecta de forma cuadrada, pero se producen anomalías análogas a las descritas anteriormentepara la dureza Bnnell (Fig. 9). La huella de la figura 9.b, con la forma de un cojín, y que sueleobservarse en los metales recocidos, es el resultado delhundimiento del metal alrededor de las caras planas dela pirámide penetradora. Las huellas de esta forma danlugar a una sobreestimación de la longitud de la diagonal.La forma abarrilada de la figura 9. e es debida alrebordeado o apilamiento de metal alrededor de las carasdel penetrador y se encuentra en los metales trabajadosen frío. Da lugar a errores en la diagonal que conducen avalores bajos del área de contacto y, por tanto, las durezasobtenidas son erróneamente altas. Se han propuestocorrecciones empíricas para este efecto.

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7

remanente.

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8

de la medicióncon cono de diamante.

y

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Dureza- 10

Tipo de Forma del Valor de F Valor de Fj Metales"()

ensayo penetrador newton newton

HRC Cono a '" 1200 98 N±2 1373 N ± 7 FeHRB. B' Bolilla (3 '" 1,587 5 mm 98 N12 663 N ± 4.5 Fe, Al, Cu Tabla 2. ResumenHRE Bolilla (3 '" 1,587 5 mm 98 N±2 883 N 1: 4,5 Fe, Al de los distintos tiposHRF Bolilla (3 '" 1,581 5 mm 98 N12 490 N ± 4.5 Fa,CuHRG Bolilla 0 1,5875mm 98 N±2 1373N:t7 Cu de dureza RockweHHRH Bolilla 0 '" 3,175 mm 98 N±2 490 N ± 4,5 Al YSU aplicación paraHRL Bolilla 0 '" 6,350 mm 98 N12 490 N * 4,5 AlH 15 N Cono a '" 1200 29,4 N ± 0,6 111,6N± 0,4 Fe, Al distintos metales.H15T Bolilla (3 ,. 1,587 5 mm 29,4 N ± 0,6 111,61'1*0.4 CuH 30 N Cono a '" 1200 29,4 N ± 0,6 264,6 N ± 1.4 Fe, AlH30T Bolilla (3 '" 1,587 5 mm 29,4 N ± 0,6 264,6N:I: 1.4 CuH45 N Cono a '" 120" 29,4 N ± 0,6 411,6 N:I: 2,4 Fe, AlH 45T Bolillll (3 '" 1,5875 mm 29,4 N ± 0,6 411,6N:l:2,4 CuH 15 W Bolilla 0 '" 3,175 mm 29,4 N ± 0,6 117,6 N ± 0,4 Al, Cu

• Fe: aceros; Al: aluminio y sus aleaciones; Cu: cobre y sus aleaciones.

4-9. Ensayo de dureza superficial (Rockwell N, T, W)

Se emplea para aceros, aluminios, cobres y sus aleaciones.

4-9-1. Ensayo con cono de diamante (Rockwell N)

El ensayo de dureza HRN se ejecuta en condiciones análogas a la del ensayo HRC pero lascargas de ensayos son diferentes (ver tabla 2).

• La dureza de HRN se determina en una escala de 100. La dureza HRN = 100 - el con el

el 0,001 (e se mide en mm).

4-9-2. Ensayo con bolilla de acero (Rockwell T y W)

El ensayo de dureza Rockwell T o W se ejecuta en condiciones análogas al ensayo B (§ 4-6)pero las cargas son diferentes así como el diámetro de la bolilla para ensayo (ver la tabla 2),

• La escala W se reserva a aluminios, cobres y aleaciones.• Las durezas BRT o HRW se determinan en una escala de 100. La dureza HR(T, W) = 100­

el con el = e I 0,001 (e se mide en mm).

5. ENSAYOS DE MICRODUREZA

En muchos problemas metalÚI-gicos es necesario medir la dureza de superficies de área muypequeña. Las mediciones del gradiente de dureza de una superficie cementada, lasdeterminaclOnes de la dureza de los constituyentes de una micro-estructura o la comprobaciónde la dureza de un delicado engranaje de un reloj, son ejemplos típicos de esta clase de problemas.Ya se ha mencionado el empleo para estos fines de la dureza de rayado, pero es más útil unensayo de dureza de penetración.

Estos ensayos corresponden a cargas por debajo de 49,03 N (5 kgr) (carga reducida) o inferioresa 1,96 N (0,20 kgf) (microdureza). El penetrador es en general un penetrador del tipo Vickers,

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L/ U,i '-'LCa - 11

La medida de la dimensión400x).

la impronta se con la ayuda de un m' croscoplO ( 1 o

Para que los resultados de fas medidas de microdureza sean satlSr¡tc!lJfHJS Sé

• La velocidad de aplicación de la carga.• La carga aplicada.• La [onna de pulir la superficie.

Las mediciones de interés se pueden efectuar sobre:

• Muestras pequeñas.• Materiales duros y frágiles.• Fases de una aleación.• Perfiles de difusión.• Capas superficiales (capas cementadas, capas decarburadas, capas superfícIales endurecidas).

Puede usarse otro tipo de penetrador de diamante llamado Knoop, de forma piramidal con baserombo (relación entre las diagonales 711, ángulos entre aristas 1720 30' Y I WI

mayor acercamiento de las improntas.

6. CORRESPONDENCIA ENTRE LAS 1\'tEDIDAS DE DUREZA

La dureza depende al mismo tiempo del límite elástico y de la capacidad de endurecer pordeformación.

De hecho se alcanzan deformaciones del orden de 8 a 10 % en el momento del ensayo.

Es por corunguiente dificil relacionar cuantitativamente las medidas de dureza hechas sobre elmismo material por métodos diferentes. Sin embargo, existen tablas de correspondencias,cómodas a pesar de su carácter aproximado (tabla 3, para aceros al carbono y baja aleación).

7. CORRESPONDENCIA ENTRE LAS MEDIDAS DE DUREZA Y LA RESISTENCIAA LA TRACCIÓN

De la misma manera y por mismas razones, es dificil de correlacionar la dureza concaracterísticas de tracción (Rp, Rm).

Sin embargo, para un tipo de aleación, es siempre posible encontrar ta correlaciones. EXIstenen particular tablas para aceros al carbono en bruto de laminación, o tratados térmicamente,Estas tablas no son válidas para aceros defórmados, aceros moxidables y aleacIOnes no ten'OS,IS

También se han propuesto algunas fónnulas empíricas, por ejemplo para aceros, por el IRSID(Instituto de Investigación Siderúrgica, Francia).

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Dureza - 12

Tales correspondencias son muy ventajosas, porque los ensayos de dureza requieren de pocomaterial y tiempo. necesario, para su buen empleo, conocer realmente los límites de aplicación.

Tabla 3. Tabla de conversi.ón de durezas y relación con la resistencia a la tracción, paraaceros al carbono y baja aleación recocidos.

DUREZA DUREZA DUREZA DUREZA DUREZA DUREZA RESISTENCIA DUREZA PUREZA DUREZA DUREZA DUREZA RESISTENCIA

HV HB HM HRB HRC HRO " LA TRACClÓtl HV HB HM HRC HAO A LA TMCclOII

F ~ 98.1 N HBW R. (MP.) F~98.1N HBW R~ (MPa)

so 75.0 200 350 332.5 58.1 35,5 51.9 1120ll6 80.7 Jl0 :lOO 342.0 68.7 ~,lI 52.8 1160

90 85,5 320 370 351.5 69,2 3 ,7 53,8 1190~ 90.2 340 380 361.0 69.8 :la.e 5-4.4 1220

100 95.0 350 J90 370.5 70.3 39.8 ~,2 1260105 99.8 370 ~oo 360.0 70,8 4O.e 66.0 1290110 104.5 82,0 300 4\0 389.5 7104 H,6 56.8 1330

115 109.3 &4.5 300 420 399.Q 71.8 42,7 57,5 1360

120 114.0 87.0 410 4:lO 408.5 72.0 oIllJ! 58,2 1400125 I1U 69.0 420 4'0 418.0 72.3 44.5 58.8 1 AJO13() In.5 71.0 440 450 4Iil 73.3 45'1 Sg·t 1470

135 128.3 73.1 450 400 73.8 48. OO. 1500140 133.0 75.\ 470 470 «2 14.1 48.9 60.1 15-40

145 137.8 n.o W 400 450 74,5 47.7 61.3 1570

ISO 142.5 18.11 500 490 456 7U 411.4 6U 1010155 1~7.3 SO.5 510 500 400 75.3 49.1 62.2 1850100 152.0 62.1 530 510 475 75.7 49.8 62.9 1800l$!S 156.8 83.5 5-40 ~ (63 78.1 50.5 63.5 17'20

170 161.5 85.0 550 530 492 76,4 51.1 63.9 1760115 166.3 86.1 570 540 500 18,7 51,1 64,4 1790Il1() 171.0 87.3 580 S50 sog n 5:2.3 eu 1830183 175.8 6&,5 6QO 500 511 77.4 53,0 &5.4 te70

190 1!lll.5 89.11 1110 570 526 n.a 5J,1I &5,e 1m1ge l1'1U 110.1 6:10 lSOO 53S 78,0 54.1 83.22lXI 190.0 91.8 650 590 5-13 7B.4 54.7 84.1 1\lOO

206 19-4.8 9211 660 000 552 78.8 55.2 87,0 2020210 11l9.5 93.1 aoo 810 !500 11!.9 515.7 81.!1 2080215 204.J 904.5 890 620 589 71/,2 56.3 67.9 2100220 2OlI,O 95,5 710 G30 5n 79,5 56.8 68.3 2140:125 113.l! 96.3 720 &40 53!1 TU 57.3 88,7 2180230 218.5 740 850 110.0 57.8 69,0 2mm 223,3 7!SO &60 00.3 53.3 611,4204(1 m 80.7 20.3 40.3 770 670 110.6 58.8 lIU245 m.l! 51.2 21.3 41.1 180 sao 110.8 59.2 70,1

2!lO 235.5 81.8 22.2 41,7 6QO 800 81,1 511.1 tU2M 2'12.2 62.0 23.1 42.2 ll20 700 81.3 110.1280 241.0 52,4 2Hl 4J.I 830 720 81.1l 81.0 7UI2llS 251,1 82.1 24,8 43.1 850 740 81.2 81,6

ii:~m 253.5 63.1 25.6 «.3 &60 780 62.6 ll2.5271l 26\.2 aJ.S 26.4 44.9 llllO 760 83.0 63.3 73.3280 266.0 63.8 27.1 45.J 890 6QO 83,4 64.0 73,8285 270,T 84.1 27.6 46.0 910 820 83,' 64.7 74.3m 275.5 845 28.5 46.S ll30 840 84.\ !l5.3 7U29'S 280.2 84.6 29.2 41.1 !J.4O &60 64.4 65.11 75.3300 285.0 85.2 n.8 41.5 960 680 64.7 66.4 75.1310 294.5 65.8 31.0 . (804 lXlO 900 85.0 81.0 76.1320 304 68.4 32.2 411,4 10:/0 920 85.3 67.5 76.5330 31J.5 67.0 33.3 SO.2 10&1 940 II!I.B 113.0 7U

340 m.o 67.6 34.4 51.1 1000

©GFM-2004

Page 27: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

1.

la

2.

-...1 o en una

Page 28: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Tracción- 2

2-2. Forma y medidas de la zona calibrada

2-2-1. Aceros

.. Productos de diámetro d 2. 4 mm o de espesora 2. 3 mm.

¡_._._."._--

.. Chapas y bandas de espesor comprendidoentre 0,5 mm y 3 mm. TI

Lo + d/2 Le Lo + 2d (cilíndrica oprismática).

Lo r' b/2 Le < Lo + 2b

DN..o

...J

'¿...J

V

..o

...J

d

y:x:

11

o...J

b

So

Ancho de las cabezas de amarre comprendidasentre 20 y 40 mm; radio de acuerdo delempalme 2. 20 mm; el caso de bandasparalelas: la longitud entre las mordazas = Lo+ 3b. Fig. 1. Esquema de las probetas de trac­

ción proporcionales, redondas y planas... Alambres

Lo = 100 mm ó 200 mm.Para d 2. 4 mm, Lo 2. 10d, distancia entre las mordazas;:::: Lo + 50 mm.

2-2-2. Aluminio y aleaciones, cobre y aleaciones.

Aluminio: do b 2. 0,04 mm.Cobre: sección recta 2. 20 mm 2 (exceptoproductos laminados) o b 2. 2,5 mm (productoslaminados).

Observación: hay otras probetas que se empleanespecialmente para productos fundidos.

2-3. Probeta proporcional

Una probeta se llama proporcional cuando lalongitud inicial entre las marcas de referenciaLo se deduce de la sección inicial por la fónnula:

d So Lo L l,emm mm~ mm mm mm

20±O,10S 314 100 110 a 140 L, ~ L. + 2d

10 ± 0,075 78,S 50 55 a 70 64d.".-,--

Tabla 1. Dimensiones estándar de las pro­betas de tracción proporcionales redondas.

a bI

Lo Lo l, (mm)longitud libremm mm mm mm entnI moroaza~

2'0 80 120 1400,5 - 3,0

12,5 50 75 87.5

Tabla 2. Dimensiones estándar de las pro­betas de tracción proporcionales planas.

·con k = 5,65.

La figura 1y las tablas 1y 2 dan las medida.c; de las probetas clásicas para los productos trabajados.

Page 29: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

R en

zonas son:

Page 30: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

3-2. Características clásicas del ensayo de tracción

3-2-1. Resistencia a lafluencia o tensión defluencia

la resistencia a la fluencia o límite de fluencia o límite elásticoconvencional es la carga correspondiente al punto en el cualcomienza la deformación plástica dividida por el área de lasección transversal inicial de la probeta:

Fe = carga a la fluencia (N).So = sección inicial (mm2).

Re = límite de fluencia o resistencia a la fluencia.

La mayoria de las curvas de tracción no presentan un límite defluencia nítido (aceros austeniticos, aluminio, etc). Por lo tanto,se debe definir 2 alternativas:

.. una resistenCIa que produce una deforn1ación permanentedada (generalmente fijada en 0,2%) (Fig. 3).

RrO.2 Fr ISo (MPa)

.. una resistencia relacionada con tm límite convencional defluencia (generalmente fijado en 0,1% 0.0,2%), de fácildeterminación y aplicación en ingenieria (Fig. 4 Y 5).

Normalmente se emplea el límite de fluencia convencional o límitede fluencia 0,2%.

3-2-1-1. LíMITE JJ;LÁSTICO APARENTE o WNA DE FLUENCIA

Por otro lado, algunos materiales (aceros ferriticos) presentan unacaída en la resistencia seguida de una meseta con oscilaciones (zonade fluencia) (Fig. 6). Este fenómeno de meseta corresponde a unadeformación heterogénea de la probeta, eso representa la propagaciónde una pequeña zona deformada plástican1ente. El frente de la zonadeformada define una banda que forma un ángulo de 51 0 respecto deleje de tracción. De hecho éstas son varias bandas que avanzan a travésde la probeta y se llama bandas de Lüders. El fin de la mesetacorresponde al momento en que las bandas ocuparon la totalidad dela probeta.

Tracción-4

R

--

0,2°/" e

Fig. 3. Determinación deuna deformación perma­nente de 0,2 %.

0,2% eZona elástica

rectlHnea

Fig. 4. Determinación dellímite convencional defluencia 0,2 %.

0,1% eZona elásticano rectilfnea

Fig. 5. Determinación dellímite convenci-onal defluencia 0,1 %.

Page 31: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

R

Page 32: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

6

.......... ' ..., ...... 'LL .. a la rotura

de rotura es entre aumentola probeta y su longitud original, ....,""."' .. ....,,-'<.4 ...,'-' en

la de la distancia entre

A [(Lu / 100

longitud

numerador es alargamiento total medio de la distancia entre puntosprobeta. valor afectado por la deformación durante estricción, por lo que el valor delalargamiento porcentual depende, en cierto modo, de la distancia entre puntos.de la probeta es a lo largo de la distancia entre puntos, hasta el momentomáxima. este punto, la y deformación deja de ser uniforme.

.......""l'U.ll uniforme es de más importancia que la deformación total producirse lavalor práctico en de la conformabilidad de las chapas lU....' ......... ....,".....

embargo, el alargamiento uniforme no se determina corrientemente en un de tracciónlo a menos que se indique específicamente, por alargamiento se entiende

el porcentaje alargamiento de rotura. se determina uniendo los dos trozosla probeta tracción rota y midiendo la sufrida por la entre puntos.

es un por

z / 100

/ 100

rotura.

Page 33: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Tracción 7

por deformación, podría hacerse inestable en tracción e iniciarse la estricción tan pronto comoempezase la fluencia. sin embargo, un metal real un endurecimiento por deformación quetiende a incrementar la capacidad de la probeta para soportar una cuando la deformacrónawnenta. A este efecto se opone la disminución gradual del área de la sección transversal de laprobeta mientras expenmenta el alargamiento. La estricclón, o deformación localrzada, comienzaal alcanzarse la carga máxima, cuando el aumento de tensión, debido a la disminución del áreade la sección transversal de la probeta, se hace mayor que el aumento la capacidad del metalpara soportar la carga, debido al endureCtrmcllto por deformaCIónque conduce a una defonm.lCIÓn localu.ada, está definida por la condIción d/l O

Observaciones: El alargamiento y la estricción no son, directamente, de interés para elproyectista. No parece haber métodos cuantitativos para determinar el alargamiento o la estricciónmínimos que debe tener un material para una aplicación determinada. No obstante, estos valorespueden proporcionar indicaciones cualitativas sobre la aptitud del metal para ser conformadomediante deformación plástica. Una estricción muy grande indica la capacidad del metal parasoportar una gran deformación sin romperse. La estricción es el parámetro más sensible a laestructura que puede medirse en el ensayo de tracción. Por tanto, su aspecto más importante esel de ser utilizado como una indicación de la calidad del material. Una disminución en el valorde la estricción, por debajo de un nivel especificado que la experiencia ha señalado comoindicativo de buen comportamiento en servicio, es una advertencia de que la calidad es deficiente.

3-2-5. Módulo de elasticidad longitudinal

La pendiente de la parte lineal inicial de la curva tensiones-deformaciones es el módulo deelasticidad longitudinal () módulo de Young (E). El módulo de Young es una medida de larigidez del material. Cuanto mayor :·;ea el módulo, más pequerla seró la dejimrwc/()n 01,""/','0

resultante de la aplicacu)n una tensión dada. Puesto que para calcular la de y

otras piezas es necesario conocer el módulo de elasticidad, es un importante valor a tener encuenta al realizar un proyecto. El módulo de elasticidad está deteomnado por Jeenlace entre los átomos y la posición de los mismos en la estructura cristalina. que estasfuerzas no pueden alterarse sin cambiar la naturaleza básica del material, se deduce que elmódulo de elasticidad es una de las propiedades mecánicas más insensible a la estructura. Solole afectan ligeramente las adiclOnes de aleantes, el tratamiento térmico o el conformado en frio.Sin embargo, puede modificarse SI se produce un cambiO de la estructura cnstalina. Por estarazón el módulo elástico longitudinal no es Igual al módulo elástico transversal (G o módulo deCoulomb), cambia la ubicación relativa de los átomos al cambiar de dirección. También semodifica si aumenta la temperatura, se produce una disminución del módulo de elasticidad,debido a la disminución de la energía de unión por la mayor separaCIón entre los átomos.

3-2-6. Resiliencia elástica

La capacidad de un matenal para absorber energía cuando es defbrmado y

devolverla cuando se eltmina la carga, se llama resiliencia elástica. Esta se mide, habitualmente,por medio Jel módulo de re:;¡/¡encia, que es la energía de deformación, unidad de volumen,requerida para llevar al material desde una tensión cero hasta la tensIón de fluencia ((Jo). Elmódulo de resiliencJa será:

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Tracción - 8

Esta ecuación indica que el material ideal para resistir cargas en aplicaciones en las que no debasufrir deformación permanente (Ia mayoría de las piezas en servicio), por ejemplo: los resortesmecánicos, son materiales con un elevado llmite elástico y un módulo de elasticidad bajo.

3-2-7. Tenacidad estática

e

.~II-_ acero para resortesalto carbono

¡acero de construcción'I bajo carbonoI¡I

Fig. 7. Comparación de las curvas tensión­deformación convencional para dos ace­ros con diferentes tenacidades.

La tenacidad de un material es su capacidadpara absorber energía en el campo plástico. Lacapacidad para resistir tensiones ocasionalessuperiores al límite elástico, sin que se produzcafractura, es de gran valor en piezas tales comoacoplamientos de vagones, engranajes, cadenasy ganchos de grúas. La tenacidad es un conceptocomúnmente utilizado, pero dificil de medir ydefinir. Una forma de especificar el concepto detenacidad es considerar el área total que quedabajo la curva de tensiones-deformaciones. Estasuperficie es una indicación del trabajo total porunidad de volumen, que puede realizarse sobreel material sin que se produzca la rotura. Lafigura 7 muestra la curva de tensión-deformaciónconvencional para materiales de alta y bajatenacidad. El acero para resortes, con altocontenido de carbono, tiene un límite elástico y una resistencia a la tracción más elevados que elacero de construcción con contenidos medios de carbono. Sin embargo, el acero de construcciónes más dúctil y tiene un alargamiento total mayor. El área total bajo la curva tensión-deformaciónes mayor en el acero de construcción y, por tanto, es un material más tenaz. Esto indica que latenacidad es un parámetro que comprende la resistencia mecánica y la ductilidad. Las zonasrayadas de la figura 7 corresponden al módulo de resiliencia de cada acero. A causa de su limiteelástico convencional más alto, el acero para resortes tiene mayor resiliencia elástica, aunque latenacidad sea menor.

Observaciones: Se han sugerido varias aproximaciones matemáticas para calcular el área quequeda bajo la curva tensión-deformación. Hay que tener en cuenta que además, las curvas norepresentan el comportamiento real en el campo plástico, puesto que todas dependen del áreade la sección inicial de la probeta, es decir que en realidad la tenacidad estática se debe calcularsobre el diagrama racional (ver § 7-2)

4. EL DIAGRAMA RACIONAL O REAL

4-1. Definición del diagrama racional.

El diagrama racional es una representación de la curva de tracción con la tensión real (cr) enordenada y la deformación racional o real (8) en la abscisa.

La curva tensiones-deformaciones convencional o tecnológica, no proporciona una indicaciónde las características de deformación de un metal porque está basada totalmente sobre las

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Tracción 9

dimensiones iniciales de la probeta y estas dimensiones cambian constantemente durante elensayo. Además, el metal dúctil sometido a tracción se hace mestable y sufre estricción localizadadurante la última fase del ensayo. La carga requerida para continuar la deformación disminuyeen esta fase a causa de que el área de la sección transversal de la probeta se va reduciendorápidamente. La tensión media basada en la sección inicial disminuye también, produciéndosecomo consecuencia de esto un descenso de la curva de tensiones-defonnaciones después delpunto de carga máxima. Realmente, el metal continúa endureciéndose por deformación hastaque se produce la fractura, de modo que también debería aumentar la tenSión requerida paraproducir mayor deformación. Si se usa la tensión real, basada en el área real instantánea de lasección transversal de la probeta, se encuentra que la curva de ten.siones-defonnaclOnes asciendede modo continuo hasta producirse fractura. SI la medida de la deformaclón tambiénbasada en medidas instantáneas, la curva obtenida se conoce como curva real tensiones-deformaciones. También se denomina curva de fluencia, puesto que rl'n,n'CI',,,r'l

básicas del flujo plástico del material.

Tensión real o verdadera (a): la tensión real tíene en cuenta la variación de la sección en cadainstante (S = sección instantánea) durante la prueba, y es igual a: a = }iS.

Suponiendo que el volumen de la parte calibrada de la probeta permanece constante, se tiene:

de donde: a = (F / SoJ (1 + e) = R (1 .¡- e).

Deformación real (s): El alarganúento instantáneo es igual a ¿J.L/L, y al mismo tiempo, elalargamiento desde el principio de la pru~ba es, considerando alargamIentos mtlnitamentepequeños:

E = In (L / Lo) = In (1 + e)

La ventaja de esta definición es lapropiedad aditiva, útil para los cálcu­los de plasticidad.

La diferencia entre e y E se vuelveImportante por encuna del 20 % dedeformación como lo muestra latabla 3.

-

~ 020.3 0.4 0.5

0,095 - ~;-- 0262 0.336 0.405

Tabla 3. Comparación entre los valores de deforma­ción convencional y deformación racional.

El diagrama a-E se conoce corno diagrama real o racional de tracción. Se deduce del diagramaconvencional (Fig. 8) (tal corno se indicó anteriormente, también se denominan curvas dejluencia).

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Tracción - 10

R = F/So

Se comprueba que no hay una diferencia con eltrazado convencional para la parte elástica por­que las deformaciones elásticas son muy bajas.En el rango de la deformación plástica homogé­nea, la curva toma una fom1a parabólica. En lazona de estricción, es necesario tener en cuentael efecto de concentración de la tensión debidoa la rápida variación de la sección.

5 o

4 o

30

7 8R1

Diagrama convencional

10

11

20

4-2. Coeficiente de endurecimiento n.10

La porción parabólica de la curva racional puedeexpresarse analíticamente. La expresión másusada es de la forma:

o 10 20 l)

e = [(L - Lo )/Lo]1 00

a = ao + k í>n o biena = k f.P (aceros dulces, cobre). 100

90ao> k, n son constantes y n se denomina coefi-ciente de endurecimiento (o de trabajado en 60

frío).

Fig. 8. Diagrama tensión-deformación con­vencional y diagrama tensión-deformaciónracional.

Diagrama racional

70

60

E30

20

10

OO) 0,6 E

En esta ecuación n es igual al alargan1ientouniformemente distribuido antes de la estricción;por consiguiente n define la aptitud de unmaterial para deformarse en tracción.

Significa que el comienzo de la estricción estádefinido en la curva racional por la tangente cuyapendiente da/dt: es igual a a, cualquiera que seala ecuación de la curva racional.

Demostración: A la carga máxima, el inicio dela inestabilidad corresponde a dF = O. Sinembargo, = a S; por consiguiente: (dala) +(dSlS) = O. Como ¡:; = In (l Ilo) = In (S/S), setiene (<L'YS) = -d¡:; ; de donde la relación: dala =dt: o daldt: = a.

Si la curva racional tiene por ecuaCión: a = k ,se tiene entonces que:

daldt: = 11 k í>n-I ,de donde: n k ¡:;~-l = k ¡:;~ YES ::::: n

s.s es el alargamiento plástico homogéneo o uniforme (el alargamiento antes de la estricción). Portarlto, la deformación en la cual comienza la estncci6n es numéricamente igual al coeficiente deendurecimiento por deformación.

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Tracción 11

La detenninación de n pue­de hacerse de la curva racio­nal o de fonna analítica, tra­zando por ejemplo el In cr =f (In E), la pendiente repre­senta n directamente.

-_.,...---

Metal Estado fl kkglmm1

Acero con 0,05% de C. Recocido 0,26 53.9Acero SAE 4340 .,. '" Recocido 0,15 65.lAcero con 0,6% de C. Templado y revenido a 538 oC 0.10 159.6Acero con 0.6% de C. Templado y revenido a 7MuC 0.19 145,0Cobre ... '" '" ... '" Recocido 0,54 32,5Latón 70130 ... ... .., Recocido 0.49 91.0

Se dan ejemplos-de valores Tabla 4. Valores de n y k para distintos materiales metálícos.de n y k en la tabla 4.

5. COEFICIENTE DE ANISOTROPÍA

Las defonnaciones en Importantes, como en el laminado o trefilado, producen la formaciónde texturas cristalográfícas que conducen a una al1lsotropía de propiedades mecánicas.influencia en R.p , Rm YA es relativamente baja.

Por otro lado, no es Igual la distribUCIón de deformaciones según el o el el,

respecto de la direCCIón de extracción de la probeta en relación ---por ejemplo-- a la direCCIónde laminación DL (en el caso de chapas). Este importante fenómeno mtervlene en los problemasde embutido proflmdo.

Para medir esta GUllsotropía, se emple;.m las relaciones r<p entre la defonnación racional en el<Ulcho y la defoffilación racional en el espesor de una probeta de chapa (Fig. 9); donde (p representael ángulo entre la dirección de tracción y la dirección de laminación: r,p = S¡jea, con: €b = In (brlb) YEa = In (Go / G)'

Como medir en el espesor es dificil, se efectúa la medición de alargamIento de EL In (ULo)'

Como el volumen de la probeta pennanece cons.tante, se puede deducir

De donde:

Se efectúa la medición deteniendo el ensayode tracción en la zona defoffilaclón plásticahomogénea. Un ejemplo de resultado se daen la tí gura 10.

._~o-t- ~o/.~ Estado.a / inicial

/ lo/--

~ ~Estado~ j'-.-.J deformado

Fig. 9. Parámetros empleados en la determi­nación del coeficiente de anisotropía.

En lugar de usar la curva f se rerm:::sc¡1ta la amsolropía por c0clícicn1e medio r'

r = (ro + 2 /4

El coeficiente r representa la resistenCia a la reducción del, espesor de una chapa. Un valorelevado de r corresponde a una deformación en el ancho más grande que en el espesor.

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Tracción - 12

rChapa de acero calmado al Al:r= 1 14

Fig. 10. Anisotropía de cha­pas de acero de diferentes ca­lidades.

Chapa al Nb: r::: 1,89

--/'"./

--- _///~- - -- Chapa de acero efervellCente: r" 1,16

1

1,5",---~

2

0,5O

..--+--1-,..--+1--.---+I--r--tf--r---...;¡.......20 40 60 80 <p (grados)

6. INFLUENCIA DE LAS CONDICIONES DE ENSAYO: VELOCIDAD DE DEFOR­MACIÓN Y TEMPERATURA

Las características mecánicas dependen de la temperatura (T) Yla velocidad de deformación(€ ), pero la deformación plástica es independiente del tiempo de aplicación de la carga cuandolas temperaturas son inferiores a la mitad de la temperatura de fusión (T¡), Por encima de T¡():C)/2 aparece el fenómeno de fluencia lenta a temperatura (creep),

Aparecen 2 tipos de comportamiento, ilustra­dos para los metales con estructura cristalinaFCC y BCC. (Fig, 11); los primero presentanen una baja dependencia de la tensión defluencia (ap o Rp ) con la Ty s, contrariamen­te los segundos. T

FCC

En el caso de metales BCC, un aumento de stiene un efecto equivalente a una reducción Fig. 11. Esquemas ilustrativos de la dependen­de T. Esta equivalencia está ligada al hecho cia de la tensión de fluencia respecto de la tem­de que la deformación es un proceso térmica- peratura y la velocidad de deformación paramente activado, que se favorece por la apli- diferentes estructuras cristalinascación de una carga.

Velocidades de ensayo clásicas definidas por las normas son:• Aceros: {:; S; 0,15 Lo (mm/min) o S; 30 MPals.

• Aluminio: i; S; 0,009 Lo (mm/min) o S; 10 MPals.

• Cobre: i; S; 0,006 Lo (mm/min).

7. DUCTILIDAD Y TENACIDAD DE UN MATERIAL

7-1. Ductilidad

Puede apreciarse la ductilidad de un material de su comportamiento durante la estricción, por elvalor de la estricción Z.

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la

(jo

curvatena-

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Impacto - 1

ENSAYO DE FLEXIÓN POR IMPACTO

Durante la segunda guerra mundial atrajo mucho la atención la fractura frágil de los barcossoldados «Liberty» y de los barcos cisterna «T-2». Algunos de estos barcos se rompieroncompletamente en dos trozos, mientras que en otros la rotura no los inutilizó completamente.La mayoría de estos desastres ocurrieron durante los meses de invierno, y unas veces se producíancon mar fuerte y otras cuando los barcos estaban anclados en los muelles. Estos desastres llamaronla atención sobre el hecho de que los aceros suaves, que normalmente son dúctiles, puedenconvertirse en frágiles bajo determinadas condiciones. Se emprendió un amplio programa deinvestigaciones para encontrar las causas de estas fallas y prescribir los remedios para prevenirlasen el futuro. Como adicional a esta investigación de un problema que acuciaba, se inició otra,más fundamental, destinada a alcanzar un mejor conocimiento de la fractura frágil y de lafractura en general. Aunque la fractura frágil de los barcos concentró la atención sobre el acerosuave, es importante destacar que no es este el único caso en el que constituye un problema larotura frágiL Se han comunicado casos de fractura frágil de depósitos, recipientes de presión,tuberías y puentes, desde fechas tan lejanas como el año 1886.

El conocimiento de las propiedades mecánicas deducidas del ensayo de tracción puede serinsuficiente, dado que algunas roturas pueden alcanzarse por debajo del límite elástico encondiciones particulares que vuelven frágil al metal. Los factores fragilizantes son:

• la triaxialidad de las tensiones. Para provocar esta concentración de tensiones bajo unasolicitación simple, se introduce una entalla en la probeta;

• el descenso de la temperatura (que disminuye la movilidad de las dislocaciones);• el aumento de la velocidad de deformación;• el aumento del tamaño de la pieza.

No es necesario que estos factores estén actuando a la vez para que se produzca la fracturafrágil. Un estado triaxial de tensiones, como el que existe en una entalla, y una temperaturabaja son responsables de la mayoría de las fracturas frágiles durante el servicio. Sin embargo,corno los efectos de estos factores se intensifican a velocidades elevadas de carga, se han usadomuchos tipos de ensayos de impacto para determinar la propensión de los materiales a la fracturafrágiL Aceros que tienen propiedades idénticas cuando se ensayan en tracción o torsión, avelocidades pequeñas de deformación, pueden mostrar diferencias pronunciadas en su tendenciaa la fractura frágil cuando se someten a ensayos de impacto sobre probeta entallada. Latemperatura de transición dúctil-frágil más alta o la menor tensión de fractura de las estructurasgrandes se debe a dos causas. Las estructuras grandes pueden contener estados de tensiones másdesfavorables por efecto de concentradores de tensiones y, también, pueden almacenar mayorcantidad de energía elástica. Esta energía almacenada es la que se emplea en formar la superficiede fractura, cuanto más grande sea la energía disponible de este tipo con más fucilidad se formarála fisura, incontrolable, de propagación rápida.

Se emplean diversos tipos de ensayos de impacto sobre probeta entallada para determinar latendenCia del material al comportamiento frágiL Estos ensayos ponen de manifiesto diferenciasentre los materiales que no son observables en el ensayo de tracción. Los resultados de losensayos de impacto no son fácilmente expresables en forma de datos utilizables para el diseño,porque no se puede medir las tensiones en el estado triaxial creado en la entalla. Además, no

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Impacto - 2

hay un acuerdo general sobre la interpretación o significado de los resultados obtenidos coneste tipo de ensayos.

Uno de los medios, el más clásico y más viejo para caracterizar la fragilización del metal bajo laacción de un golpe es el ensayo de flexión por impacto sobre una probeta entallada. En algunospaíses se lo denomina ensayo de resiliencia.

1. PRINCIPIO DEL ENSAYO

El ensayo consiste en romper de un solo golpe de martillo del péndulo, Ulla probeta entallada enel medio y que reposa sobre dos apoyos. Se determina la Wabsorbida el impacto,la que indica la tenacidad o de la cual se deduce la resiliencia.

La tenaCIdad o tenuCldad u fu. entalla (noteb toughllcss) es la '-'''_, h.'" uú'csatla para producir larotura de la probeta expresada en Joules.

La resiliencia es la energía necesaria para producir la rotura de la probeta (joules) respecto delárea resistente de la probeta enla zona de la entalla (cm2).

Fig. 1. Esquema de la lII~iquillll para ensayo de flexiónpor impacto con probeta Charpy.

2. MÁQUINA DE ENSAYO

Una cuchilla fijada sobre un mar~

tillo que oscila en un plano verti­cal alrededor de un eje O (Fig. l).Durante la caída del péndulo unaparte de la energía almacenada seemplea para romper la probeta.

El centro de gravedad del péndu­lo siempre está próximo a la pun­ta de la cuchilla del péndulo.gunas característIcas comunes atodos los péndulos se dan en latabla 1.

3. EJECUCIÓN DEL ENSAYO·

Cuerpo de la .máquina

Eje de rotaclón

_Cojinete del péndulo

Indicador a fricdónBarra del

t ~nduJo

I M~o"

j Borde de 'I la Ct.ichilla-'

I,..Soporte r//---y

Probeta X-X

Ángulo de la punta'Yde la Ct.i~la

Punta dela cuchina

'"'", Radio de

curvaturadel borde

óe la

cuchilla

Tabla L Características comunes a todas las má­quinas para ensayo de flexión por impacto con pro­beta Charpy.

.. La cuchilla está separada de lavertical en una altura que corres­ponde a una energía de salida deWo 300 joules.

.. Se libera la éuchilla. En su caída,al pasar por la vertical, rompe laprobeta.

.. Se mide la altura a que llega elpéndulo para calcular la energíano absorbida Wl.

Caracterfsticas de la máquina

Distancia entre apoyosRadio de redondeo de los apoyosInclinación del apoyoAngulo de la punta de la cuchillaRadio de curvatura del borde de la cuchilla

Dimensiones

40°-0,5 mm1 a 1,5 mm

1/5300 ± 1"

2a mm

Page 42: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

3

W1

P: peso (N). altura (m)

o

Wo p

peso (N)h

1: altura (m)

vUU4J.IU.....tU en U;"-'11teU.IU~ua en V, llamada

difundido es

de

probeta:mm ± 0,6.

probeta:a 10 mm ± 0.11

• Anchob 10 mm ± 0,09.

• la probeta enal 5 mm

curvatura en el1 mm±

a u

rotura

Page 43: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

• 10

• b la mm 0,11

• ~ ±

• al 8mm±

• mn1±

rotura

enestar en un mismo

dúctilFisura Sen1Hr8aUfrágil

Page 44: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

de eva-

Área de(brillante)

""....""'''''"''"' es mixto en la zona

entre (porde índice va rango frágil

hasta O en 50 corresponde a la temperatura decristalinidad es 50 0JÓ. Inversamente en algunos se mide el porcentaje dúctil(por corte o deslizamiento), en este caso el 100 corresponde a la fractura totalmentedúctil

100% 85% 70% 60% 50%

0%10%20%30%

de apariencia de fractura y comparador de porcentaje de fractura por

10 20 40 50 70 80 90

(b) Gu fa para estimar la apariencia de la fractura

Page 45: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

p

o

OE LA ROTURA SEMI~FRAGIL

OA deforrnaa6n elásticadeformación

Be prop~adóndúctilca propagación frágilDE rotura dúctíl

Page 46: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

rotura o

7

1

y utilizando como

dúctil

frágil

y sobre

LU;lnn~ de una fase rápida):

oo

trrllt.~fJ'l"'a1tJulm (cllvaje)

planos cristalográficos bien definidos llamados planos de(001) los HCP.

{lOO} para

Page 47: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

d

Page 48: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Impacto ~ 9

Fig. 5. MecaniSmo de rotura dúctil mediante lasinclusiones.

ción y coalescencia de éstas por estriccióno cizallamiento, provocando así la roturafinal (Fig. 5).

Así conduce al nacimiento de microrre­lieves llamados hoyuelos (dimples) (Fig.6). Los hoyuelos tienen formas alargadasen la dirección de la deformación, o tienelas formas ligadas a aquéllas partículasque les dieron origen (Fig. 7: aspecto de"madera podrida" proveniente de la pre­sencia de sulfuros alargados).

La presencia de precipitados en losbordes de granos puede también traeraparejado un mecanismo de rotura queconduce a aspecto intergranular dúctilcon microhoyuelos.

3. TIPO POR FISURACIÓNPROGRESIVA

Inclusiones

El ejemplo típico es la rotura por fatiga.Estos tipos de rotura presentan tres fases:

Fig. 6. Fractura dúctil con sus típicos hoyuelos,indican una deformación plástica importante.

Fig. 8. Características típicas de una fractura porfatiga.

Zona defISurafinal

répída

\linea radial

,Origen

Zona depropagación

lenta -

1.. '~"n-"

Fig. 7. Fractura dúctil con sus típicos hoyuelos.LJs mismos se encuentran asociados a la presen­cia de inclusiones (sulfuros).

• Una fase de comienzo o iniciación.• Una fase de propagación lenta.• Una fase de rotura final rápida.

A las tres fases le corresponden treszona') distintas en la fractura (Fig. 8),pero sólo aparecen claramente:

3-1. Escala macroscópica

ti Una zona lisa con grano fino: laregión de propagación lenta porfatiga, en general transgranular.

.. Una zona dúctil, frágil o semi-frágil:la región de rotura instantánea final.

Además, muchas roturas en serViCIOpresentan las líneas de parada que marcan

El examen de la zona de fisuraciónprogresiva (llamada también zona defregado) permite a menudo situar el o laszonas de inicio.

Page 49: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

o

"' .... ...,'...,"' .... verse en

Hu&COs en bordes de grano (cavitadón)

10).

Page 50: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

elevada. casos ....-.r+..""' ....."'r,. ...

roturas sumamente ..........V ..L'.'VoJ.

Fig. 11. Fisura en cuña en un pu":tounión de 3 granos (500x).

Page 51: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

rotura

como VImos, otro......... ,'v .. "'..... se

rotura (típo

en

1.

L

la han este conSl-

Page 52: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

a la ..... "<Ir 9' """-...........ca••• r....lu...~"ri.. (punta) una

111T<]'n1P'TlTP '-' ........ ~A ..''J (por vidrio) en lae infinitamente delgada (el radio de curvatura al fondo de

ü).

x

en el extremo unar

normal, próxima a la PV1'1r'Pn1

yen el plano dea

el de lntlenSiUI(~aC10nde la (modo 1) que depende de la Opn'14n13Trl '1 dey la distribución tensiones en el cuerpo. caso

ua en

.'V ........... al plano de en ..........,"".."" ....toma en cuenta la .....:::..·",..,....0.,,-.... y la distribución de

a

una

E

Page 53: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Gr rotura.

K v módulo de

con 'LJ•• 'l.''L<••U''

K a

la

4"-"'U,'VAA en trescurva

"-''''''''''V4,'-'''''' a un aumento

Page 54: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fracto 4

El valor de Krc se calcula a partir de esta carga con la ayuda de ecuaciones que se han establecidobasándose en el análisis de las tensiones elásticas en probetas-tipo. La validez de la determinaciónde KIC por este método depende de la agudeza real de la extremidad de la fisura de fatiga y lasmedidas de las probetas.

Este método sólo se aplica a los productos de, por lo menos, espesor igual a 7,5 mm, y sólo esválido para aceros de muy alto límite de elasticidad, o en los aceros de resistencia más bajautilizando espesores gruesos.

2-2. Probetas

La mecánica de la fractura se basa en las leyes de la elasticidad lineal, y su campo de aplicacióndebe tomar en cuenta las mismas. Al nivel de las probetas:

• la tensión nominal debe ser inferior al límite elástico;• la zona plástica (o zona plastificada) en el fondo de fisura debe ser despreciable frente a

las medidas de las probetas para que la mayorfa de esta se comporte elásticamente;• las dimensiones de las probetas sean suficientes para que se esté en deformacÍón plana.

Para que estas condiciones se logren, es necesario que:

a y B ~ 2,5 (Krc I Rp)2

a = longitud inicial de la fisura (mm);B = espesor de la probeta (mm).

Fig. 3. Probetas utilizadas para la determinaciónde la fractotenacidad.

Los dos tipos de probetas aceptadasson (tabla 1):

• probetas de flexÍón en tres puntos(Fig. 3.a);

• probetas compactas de tracción(Fig. J.b).

2-3. Fisuración por fatiga

Las condiciones de fisuración por fa­tiga tienen un efecto marcado en losvalores de Krc. por lo tanto nece­sano que:

• la fisuración sea hecha en el metalque ha sufrido el tratamientotérmico completo;

• la longitud de fisura sea superiora 1,3 mm;

bLe----d ¡...""

~ ~----w-W-'-t---~l~~'-------!II"l

(a)

(b)

!l B 1.

~

Page 55: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

• para el último de lalongitud total a relación KCnJÍx ¡E (KI;n.áx v,lluf B1himoalcanzado por K¡ durante laprefisuración en fatiga) sea

inferior a 0,00032'¡;;;. Además,

el Kt~náx no debe ser superior al60% del valor KQ detenninadodurante un ensayo estáticoposterior, si KQ debe serconsiderado como expresiónválida de KIC~

• la variación de intensificación dela tensión no sea inferior a 0,9 de

Kfmáx.

l'meto - S

ValorDimensión \--. . ,.-- ----J

Probeta compacta Probeta de flexión\--.----+-----.----------1---..--------------

W 28::: 0.01 8 28:.: 0,01 BW, 2.5 B ~ 0,02 El 2 B ~ 0.01 BB ± 0,02 B :!: 0,02 BL 1.1 8::: 0,01 B 8 8 " 0.05 8

IL, 2.4 B:.: 0,01 B 8.2 B

B B& ~- ~-

1

_ 8 8

_~e__.....J___0._5_5_B_::: O_.O_l__B 4 B ::: 0.05 B0,5 B::: 0.01 B",,0.6 B

Tabla 1. Dimensiones de las probetas utilizadas parala determinación de la fractotenacidad.

Las medidas de velocidad de fisuración pueden ser hechas por método óptico, método ultrasónico,por corrientes de Foucault, por indicadores de fisuración, por resistIvidad.

2-4. Dispositivos de ensayo

En vista de la obtención de la curva de carga­desplazamiento de los bordes de la entalla, losequipos deben incluir, además de una máquinade tracción, un dispositivo sensor de la fuerza y

un extensómetro de láminas (Fig. 4) unidos a unregistrador XY

A elección: cul'ia do

SOpof!& nl<lqUlnadh

lam,,:;¡.(J

E.x1ensómetro a lárnll1lis

(cakbre resistivo)

2-5. Cálculo e interpretación de los resultados Fig. 4. Extensómetro utilizado para me­dir el avance de la fisura.

Fig. 5. Determinación de FQ a partir de las cur­vas carga-desplazamiento obtenidas.

El cOnjunto de curvas carga-desplaza­miento que se puede conseguir está re­presentado en la figura 5. Se define unvalor critico FQ de la carga F de la si­guiente manera. Se traza a partir del 0[1­

gen de la curva la secante OF.5 que po­see un valor de la pendiente inferior al5% de la tangente üA en la primer par­te de la curva. FQ está definido comosigue (Fig. 5).

.. Tipo 1: la carga en todo puntoprecedente a F.s es Iflfenor a F5, FQ= F5.

.. Los tipos 2 y 3: existe una cargamáxima que precede a F.5 ysuperior a esta, FQ = la cargamáxima.

Carga F

o o

Frn.:P< /A

FmaxÚqI

'1I f s

II

II

/',..

Desplaz.amiento

Page 56: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fracto 6

Ahora KQ se calcula mediante fórmulas apropiadas.

Por ejemplo para las probetas compactas (L = 4 W) expresando FQ en newton, a y Wen mm:

designando: aIW = X

f(X) = [(2 + X)/(l - X)3/2] [0,886 + 4,64 X - 13,32 X2 + 14,72 - 5,6 X4l

Si: 2,5 (Kq!Rp)2 S; a y B, entonces: KQ = Krc

KIC se expresa en MPa.Jm" Yes el factor de intensificación de la tensión crítica en deformación

plana.

3. EJEMPLOS DE RESULTADOS

3-1. Influencia de la temperatura

Los aceros de alta resistencia (Rp > E/150),son poco sensibles al efecto de la temperatu­ra. Los factores metalúrgicos como la densi­dad de inclusiones juegan un papel fundamen­taL

100

so

MPa.rm

Acero tipo A 533 B

Los aceros de media resistencia (E/300 <Rp <E/I50) presentan bien marcada una tempera­tura de transición para K¡c (Fig. 6).

o- 200 -100 o

Fig. 6. Temperatura de transición en un ace­3-2. Comparación de aleaciones diferentes ro de media resistencia.

Un buen criterio de clasificación es calcular(K¡c/Rp)2, cantidad que tiene las dimensiones de una longitud (tabla 2).

Metal Clase Rp (MPa) (K1JRl (1 Cf3m)

~-.--.--.---_._------~~~--

40 COV 20 1850 0,5Tabla 2. Clasificación de diferentesAcero 32 NCO 8 1830 1,9

35 NCO 16 1850 2,5 aleaciones de acuerdo con la relación

Titanio Ti AI6 V4 1020 6,8 (KIClRp)2.

Aluminio Al Cu4 S Mg 500 6,3

Page 57: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fracto -- 7

3-3. Correlación entre K[C y las propiedades mecánicas

Estas cOITe!aciones son sólo aproximadas.

3-3-1. K/c - propiedades de tracción

er = deformacIón a rotura,n = coeficiente endllre¡;imiento.

3-3-2. K/c - propiedades deflex:iótt por impacto (IRSID).

La figura 7 resume el pasaje de KV a Klc.

a) A partir de KV(T), se construye 19(KV)112, con KV en joules.b) Se calcula TKIC a partir de TK28 según: TKIC = 1,40 TK28. (observación: TK28 = TKCV35).c) Se traslada la curva obtenida en a) de manera de hacerla pasar por el punto TKIC,

K¡C :: 100 MPa.Jm.

100

so

o

K¡C (M Pa.1íñ 1KVU)

-200

19(KV)112

KV Fig. 7. Determinación de K¡c a partir de KV.

Page 58: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fatiga - 1

ENSAYOS DE FATIGA

1. INTRODUCCIÓN

Cuando se somete un material metálico a ciclos repetidos de tensiones, sufre modificaciones en lamicroestructura, que han sido agrupadas bajo el término general de daño por fatiga o más simplementefatiga.

Este dafio no se distingue macroscópicamente por ninguna modificación perceptible, y la roturapuede producirse a niveles de tensiones poco elevados, a menudo por deb::yo del límite de elasticida.d,pero cuya repetición constituye el peligro.

La capacidad de un material de resistir a la fatiga se llama resistencia o aguante a la fatiga· (eninglés, francés y otros idiomas: "endurance").

Se ha reconocido, desde 1850, que tul metal sujeto a tensiones repetidas o fluctuantes fallará a unatensión mucho más baja que la necesaria para producir la fractura en tula sola aplicación de la cargaLas fallas ocurridas en condiciones de carga dinámica se llamaron fallas de fatiga, seguramenteporque se observaron casi siempre después de un periodo considerablemente largo de servicio. Durantemucho tiempo se tiNO la idea de que la fatiga era debida a «cristalizacióru> del metal, pero esteconcepto no pudo sostenerse al comprobarse que tul metal es cristalino desde el mismo momento enque solidifica La fatiga tiene cada vez más interés por el desarrollo creciente de equipos en los queel material está sometido a cargas repetidas y vibraciones, como ocurre en automóviles, aviones,bombas, turbinas, etc. En la actualidad se ha afirmado frecuentemente que, por lo menos, el 90 % detodas las roturas en el servicio se producen por fatiga Si incluimos las fallas originadas por fenómenosde corrosión, se estima que el 50 % de todas las roturas que se producen están causadas por fatiga

Una falla por fatiga es especialmente traidora porque se produce sin ningún indicio previo quepermita precaverse contra ella. La fatiga da por resultado una fractura frágil, sin deformaciónnotable. La superficie de fractura suele ser, macroscópicamente, normal al eje de la tensión detracción principal. Las roturas por fatiga se pueden reconocer usualmente por el aspecto de lasuperficie de fractura, que muestra tula región lisa, debida al frotamiento (o fregado) que ocurrecuando se propaga la grieta a través de la sección, y tula región rugosa, originada cuando lapieza ha roto dúctilmente, al no poder soportar la carga, por haber disminuido la sección resistente.Es frecuente que el progreso de la fractura aparezca señalado por una serie de marcas anulares,que parecen propagarse, desde el ptulto de iniciación de la falla, como el frente de las olas haciael interior de una playa. Otro aspecto característico de las fracturas de fatiga, es que la falla seinicia usualmente en un punto de concentración de tensiones, tal como tula esquina aguda oentalla, o en una concentración de tensiones de origen metalúrgico, tal como tula inclusión,especialmente si están muy próximas a la superfície.

Son necesarias tres condiciones básicas para que se produzca una rotura por fatiga. Estas son:1) una tensión máxima de tracción de valor elevado 2) una variación o fluctuaciónsuficientemente intensa de la tensión aplicada, y 3) un número suficiente de ciclos. Además,hay una multitud de otras variables, tales como las concentraciones de tensiones, la corrosión,la temperatura, la sobrecarga, la estructura metalúrgica, las tensiones residuales y las tensionescombinadas, que tienden a modificar las condiciones necesarias para la fatiga. Se desconoce la

Page 59: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fatiga- 2

causa fundamental de la fatiga de los metales, por lo que el efecto de cada uno de estos factoressólo puede ser analizado desde un punto de vista puramente empírico.

Debido a la variabilidad de los resultados de los ensayos de fatiga, se ha despertado un graninterés por el análisis estadístico de los datos. Puesto que la duración en fatiga y el límite defatiga son cantidades estadísticas, es lógico esperar f,lTandes desviaciones con respecto a unacurva media determinada con solo unas pocas probetas. Hay que pensar en la probabilidad deque una probeta alcance determinada duración a una tensión dada, o en la probabilidad fallaa una tensión dada, próxima al límite de fatiga. Esto requiere ensayar un número de probetasmucho más considerable que el que se empleaba anteriormente para poder hacer las estImacIOnesde los parámetros estadísticos. La representación de los clatos de fatiga debería ser tridimensional,estableciéndose una superficie que relacionase la tensión, el número de ciclos y la probabilJdadde falla (y de hecho muchas veces aparecen de esta forma).

1-1. Ciclos de tensión

tiempo

!lampo

-1 < Ro < Ocr

(b) Ciclo allemalJlfo asimétJico

(d) Ciclo pulsalorio de tracción

crmOf----+---f---i...

líem¡xJ

tiempo

(e) Cido alternativo asimétrico aleatorio

01------------............-+-----_

(e) Cldo mtermitente de tracción

(a) Ciclo alternativo simétrico

Fig. 1. Ciclos típicos de tensiones de fatiga.

+0'

-O'

Es conveniente comenzar definiendo brevemente los tipos generales de fluctuación de tensión quepueden producir fatiga La figura 1 sirve para ilustrar sobre los ciclos tipicos de tensiones de fatiga.La figura 1.a representa l.U1 ciclo de inversión completa o ciclo alternativo simétrico de la tensión deforma senoidaL Es un caso ideal que produce una máquina de ensayo de íJexión rotativa y que seaproxima a las condiciones observa-das en servicio para el caso de un ár­bol giratorio que trabaje a velocidadconstante y sin sobrecargas. En estetipo de ciclo de tensiones son iguales O' == o,.........l.--\-_--,-----:....en magnitud las tensiones máxima y m

mínima, pero son de signo opuesto. Deacuerdo con la convención aceptada,la tensión mínima es la algebraicamen­te más pequero del ciclo. La tensiónde tracción se considera positiva y lade compresión negativa. La l.bmuestra un Ciclo alternativo amnétrt­ca de tensIOnes repetidas en el que latensión máxima CJmá.x, y la tensión mí­nima 0min no son Iguales nI en magni­tud ni en sentido. Ambas tensiones sonde tracción en la fíb'l.lr<l 1. c (cIclo in-termitente de tracción) y l.d (ciclopulsatorio de tracción), un cíclo detensiones repetidas puede contener lomismo tensiones de compresión. Lafif,'Ufa l.e representa un ciclo comple­jo aleatorio de tensiones, tal como sepuede encontrar en una parte de un alade avión sometida a sobrecargas pe­riódicas imprevisibles debidas a lasráfagas de viento.

Page 60: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fatiga-~ 3

Un ciclo de tensiones fluctuantes puede considerarse constituido por dos componentes: unatensión media, o estacionaria (crm), y otra alterna o variable (cra). Hay que considerar también elintervalo de tensiones (crr). De la figura l.b puede deducirse que el intervalo de tensiones ocampo de variación de la tensión es la diferencia algebraica entre la tensión máxima y la mínimadel ciclo:

crr = crmáx - crm!nLa tensión alterna o amplitud de la tensión es entonces igual a la mitad del intervalo:

cra = crr /2La tensión media es la media algébrica de las tensiones máxima y mínima del ciclo:

crm = (crmáx + crmin)/2Otra cantidad que se emplea algunas veces al presentar los datos de fatiga es la relación detensiones o rango de tensiones (Ro). Se define por:

Ra = crm!n!crmáx

2. ENSAYOS DE FATIGA

2-1. Diagramas de Wohler

Los ensayos más simples consisten enimponer a series de probetas ciclosde tensiones periódicas sinusoidalesya sea mediante una carga axial o porflexión rotativa (Fig. 2). CualquiercIclo se caracteriza por el crmáx valormáximo de la tensión y por el rangode tensiones Ra = (crrrún /crmáx).

Fig. 2. Formas de generar las tensiones de fatiga detipo senoidal por flexión rotativa.

Para cada nivel de tensión crmáx,manteniendo constante la frecuenciay Ro, se determina en una sene deprobetas la distribución del número de ciclos a rotura, los resultados presentan una dispersiónmás o menos elevada.

El diagrama de Wohler muestrala resistencia del material para unmodo de solicitación dado. Re­presenta la relación experimentalentre el crmáx y N duración de lavida de la probeta. La curva deWóhler corresponde al valor me­dio de N (probabilidad de roturao supervivencia 0,5) (Fig. 3).

Se distinguen sobre esta curva 3rangos definidos.

Díagrama de WOhler

Curva con 10 % de supervivencia

Curva con 50 % de supervívendaI (WO/1ler)

L_1

" " " "" -3(JD -- --- -- --7..-",x-_4

Icurv~ con,90 %,de 3~pe~ncía, I t I 311-

10 1()2 103 10"' 10& 10e 107 10' 10' N (ciclos)

Fig. 3. Diagrama de Wohler.

Page 61: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

conduce a una

constante n

CiD

marcarse un en

"•

Page 62: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fatiga- 5

Ejemplo: diagrama de Goodman-Smith

El límite de fatiga para una pieza en servicio depende de la tensión media. De hecho, se determinael OD en general para R(/= -1 ( Om = O) Yse adopta varias curvas límites cuando Om el:- O. La figura4 representa el caso de una curva límite lineal o recta de Goodman:

Ga = CJD [1 (GmlRm)]

fijando la tensión alternada Ga, para cada Om.

e-o.;¡¡ID

5­E

(j 8

Fig. 4. Diagrama deGoodman-Smith. Fre­cuentemente las tensionesmáximas y mínimas se re­presentan como rectas.Puntos A-A': tensión me­dia Oro = O; Ro =-l.Puntos B-B': tensión mÍ­nima O'mín = O; RO' = O.Punto C: tensión mediaOro =Rm; amplitud 0'1 =O;tracción estática.

traccl6n (Jm

E3fuerzos pulsatoriosde tracción

ae

Rm~ ------------::;,--..-'ilf-

Re O Rpo.2 t-'~-----..",e.-----,I'

/

3. MECÁNICA DE LA FRACTURA Y FENÓMENOS DE FATIGA

Ya vimos en los mecanismos de fractura, que la rotura por fatiga ocurre según 3 fases:

• etapa 1= fase de inicio;• etapa II = fase de propagación lenta;• etapa III = fase de propagación rápida -7 rotura.

Las mecánica de la fractura sólo se puede aplicar cuando intervienen las etapas II y ITI, es decircuando preexiste en el material defectos inmediatamente propagables (fisuras de temple, fisuras

Page 63: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Una forma ,-,u..,,",""""'"

(da/dN) f

es

Page 64: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

7

un material al entalla, se usa

q 1).

inclusiones y en particular aquellas ..H"....'<.4............., en la zona subsuperficial(piel) son

y Un estado compresión aumenta

Comentarios:inician en muchos

tipos comunes como la flexión y la torsión, tensión máxima se produce en lasuperficie, por lo que es lógico que el fallo se inicie allí. Hay una extensa comprobación

que propiedades de fatiga son muy a la condición de lafactores que afectan a la superficie de una probeta fatiga se pueden

dividir groseramente en tres 1) rugosidad la superficie o concentradorestensiones en la en a la fatiga del metal de la superficie,y 3) variaciones en estado de residuales de Además, la

sujeta a corrosión y oxidación.L"'-'."~L'-' que se IniCIaron sobre la fatiga, se reconoció que diferentes

.........,~4~ .......... '-"'0 de obtenidos por los distintos procedimientos de mecanizado, puedenapreciabletnente al comportamiento en fatiga. Las probetas pulidas en las que

las rayas finas (concentradores de tensiones) se orientan paralelamente a la dirección de latensión tracción principal, dan los valores en los

decarburación superficie del acero tratado térmicamente es muy perjudicialpara el comportamiento en la misma manera, la a la fatiga de la

una aluminio cuando se un recubrimiento deendurecíble por

formando ,." ......"'.......Sin embargo, como en estos nrnr'p><::,

en no sesolo a la mayor

la

Page 65: Materiales Merlone- Materiales Metalicos
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9

a propagación de son:

decon

a ceroentre

.."'}'ro,..,·",, ser a la estructura.medios metalúrgicos que puedan

'-'V~~lV'Ul UCUIHv~~'~V a el rI.,.....+'i", aUJ,","-'l~a\Jl\]

loshay un número muy limitado

en

Page 67: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

10

Page 68: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fatiga- 11

tensión, con el fin de determinar la curva de Wohler, pero en cada ensayo se mantiene constantela tensión máxima hasta el fina!. Sin embargo, hay muchas aplicaciones prácticas en las que latensión cíclica no permanece constante, sino que oscila alrededor de un valor medio de diseño.Otras veces existen condiciones complejas de carga. En estas condiciones es dificil considerarun nivel medio de carga y no puede admitirse la variación senoidal. Se han desarrollado ensayosespeciales de fatiga para estos casos, basados en la aplicación de cargas aleatorias.

5. TEORÍAS SOBRE LA FATIGA

No se ha propuesto ningún mecanismo o teoría que explique adecuadamente los fenómenos defatiga. Una de las razones es que parece poco probable que nuestro conocimiento de lasvariaciones estructurales producidas por la fatiga sea completo. Muchas de las teorías propuestasson más bien cualitativas y se aceptan simplemente por el hecho de que el análisis conduce arelaciones análogas a las observadas curvas de WoWer. Ello, sin embargo, no es un criterio deaceptación satisfactorio, porque son muchos los mecanismos supuestos que pueden conducir ala predicción de la forma general de las curvas de fatiga.

Teoría de Orowan. La teoría de la fatiga propuesta por Orowan es una de las primeras quetuvieron aceptación general para explicar los fenómenos de fatiga. Esta teoria predice la formageneral de las curvas de WoWer, pero no se basa en ningún mecanismo específico de deformación,sino en el concepto general de que la deformación por fatiga es heterogénea. Se considera que elmetal contiene pequeñas regiones débiles, que pueden ser áreas orientadas favorablemente parael deslizamiento o zonas de elevada concentración de tensiones debida a entallas metalúrgicas,tales como las inclusiones. Se supuso que estas pequeñas regiones podían tratarse como zonasplásticas en una matriz elástica. Orowan demostró que para ciclos repetidos de amplitud detensión constante, las regiones plásticas experimentarian un aumento de tensión y una disminuciónde la deformación, como consecuencia del progresivo endurecimiento por deformaciónlocalizado. Mostró, además, que l~ deformación plástica total (suma de deformaciones positivasy negativas) converge hacia un valor finito cuando el número de ciclos crece indefinidamente.Este valor límite de la deformación plástica total aumenta con el incremento de la tensión aplicadaa la probeta. La existencia de un limite de fatiga se basa en el hecho de que, por debajo de unatensión determinada, la deformación plástica total no puede alcanzar el valor critico necesariopara la fractura. Sin embargo, si la tensión es tan grande que la deformación plástica total excededel valor crítico, se forma una grieta. La grieta crea una concentración de tensiones y esta formauna nueva región plástica localizada en la que se repite el proceso. El proceso se repite hasta quela fisura se hace lo suficientemente grande para que se produzca la rotura al alcanzarse la máximatensión de tracción del ciclo. Esta teoría, en esencia, supone que el endurecimiento pordeformación localizado consume la plasticidad del metal y se produce la rotura.

Concepto de Wood sobre la fatiga. W. A. Wood, que ha contribuido de forma decisiva a lacomprensión de los fenómenos de fatiga, ha desarrollado un concepto de la fractura por fatigaque no requiere la aparición del endurecimiento por deformación localizado para que se produzcadeformación por fatiga. Ha interpretado sus observaciones microscópicas del deslizamientoproducido por fatiga como indicativas de que las bandas de deslizamiento son el resultado deuna sistemática acumulación de movimientos de deslizamiento fino correspondientes adesplazamientos de 10-7 cm, en vez de los pasos de 10-5 a 10-4 cm que se observan en las bandasde deslizamiento estático. Se cree que tal mecanismo permite la acomodación de deformacionestotales grandes (suma de la microdeformación en cada ciclo) sin que produzca apreciable

Page 69: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

- 12

endurecímiento por deformación. La figura 7 ilustra él concepto de Wood a cómo ladeformación continuada por deslizamiento fino puede condUCir a una de fatiga. La figuramuestra esquemáticamente la estructura fina de una banda de deslizamiento a los aumentosalcanzables con el microscopio electrónico. El deslizamiento producido en la deformación estáticadebe producir un perfil de la superficie del metal como el de la figura 7.a. En cambio, losmovimientos de vaivén del deslizamiento fino de fatiga pueden originar entallas (Fig. 7. b) osalientes (Fig. 7.c) en la superficie. La entalla podría actuar como un concentrador de tensionescon un radio en el fondo de dimensiones atómicas. Tal situación favorecería la Iniciación de unagrieta. Este mecanismo explicaría por qué las grietas de fatiga se inician sobre superficies y enlas intrusiones y extrusiones de bandas de deslizamiento.

(a) (b) (e)

Fig. 7. Microdeformadón queconduce a la formación defisuras por fatiga. a) Deforma­ción estátic¡l; b) deformaciónpor tiga que conduce a unaentalla superficial (intrusión) y

e) extrusión dé:: una handa dedeslizamiento.

Modelos de dislocaciones para la/aliga. El conocimiento creciente del papel desempeñado porsutiles variaciones de la topografia de la superficie en la iniciación de las grietas de fatiga haconducido a varios modelos de dislocaciones para la generación de las intrusiones y extrusionesde las bandas de deslizamiento. Cottrell y Hull han propuesto un modelo que Implica la interacciónde dislocaCIOnes de borde en dos sistemas de deslizamiento, mientras Mott sugiere otro en elque interviene el deslizamiento cruzado de dislocaciones de hélice. Los experimentos de fatigaen cristales iónicos confirman el modelo de Mott y rec~azan el de CottrelL

Teoria del limite de fatiga. Una de las cuestiones más emgmáticas de la fatiga es la eXIstenciaen algunos metales de un límite de fatiga. Una posible explicación de este hecho es la dada porRally y Sinclair, que observaron que los metales que sufren envejecimiento por deformacióntienen una curva de Wohler con un punto anguloso nítido y un límite de fatiga bien definido.Sus ensayos con aceros suaves comprobaron que al disminuir el contenido de carbono y denitrógeno y, por tanto, la tendencia al envejecimiento por deformación, se suavizaba la curva deWohler y el punto anguloso aparecía para un número de ciclos más alto que si los contenidos decarbono fueran mayores. Resultados parecidos fueron obtenidos por Lipsitt y Home. Estossugirieron que el límite de fatiga representa la tensión a la que existe una compensación entre eldeterioro por fatiga y el endureCimiento por envejecJn1iento locali7.ado. La correlación es bastantebuena entre los materiales que presentan a la vez límite de fatiga y endureCImiento pordeformación. Son buenos ejemplos los aceros suaves, el titanio, el molibdeno y la aleación dealuminio con 7 % de magnesio. Los aceros tratados térmicamente muestran un 1 de fatigadefinido, pero por lo general no representan envejecimiento por deformación en el ensayo detracción. Sin embargo, basta un envejecimiento por deformación muy localizado para alas propiedades de fatiga, y es muy posible que el de fatiga sea senSl el cktracción al envejecimiento por deformación.

Page 70: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

1.

(T(K) 0,4 a un material a unapresenta una deformación plástica que evoluciona en función

conducir a rotura. fenómeno se llama

LU""""' ...... U""" ..... de disminuye aumentarlos átomos aunlenta rápidamente con temperatura, es de a.C' .....'.or~

....,~AA ..... A •• .., a las propiedades .U,J."'''''«-J.''''V'-&-'''

esta forma,por

13

Page 71: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

2

manera:

5 000 la

o

Page 72: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

1

(T < 0,5 TI)

termofluencia se llama también logarítmica, porque la deformación plástica es una función

logarítmica tiempo. velocidad deformación tiende hacia un

despreciable allá del cual puede no hay ninguna termofluencia.

(T> 0,5

Ír t

U .... lll.LJ'"2 a roturayentre

1. de termofluencia mostrando las3 zonas características.

de los problemastermofluencia (Fig. 1)

(/JI Etapa 1 (termofluencia primaria): ~ <velocidad deformación ....... "J'AA.U.LU.

regularmente. región se

menudo por: constante; El es

también independiente deTya.

(/JI Etapall(terrnofluenClasectn1daria): El 82.

velocidad de deformación es mínima eindependiente del Esta región se

describe por: ) II t.

mente esta la mayor

estructura. Una

Involucra la

constante.

su

ka T

Page 73: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Fatiga- 16

La temperatura trae consigo la reestructuración de las dislocaciones que conducen a la restauracióndel materiaL La velocidad de restauración puede expresarse bajo la siguiente forma:

(~7l =k'O(;r .O ~ el coeficiente de autodifusión

En el caso de la termofluencia secundaria, (da/dt)c '-~ (da/dt)r, lo que conduce a la expresión:

()K AHIn ¿ :::: In --- + n In a D

P II E R T

LiHD = la energía de activación del la autodifusión.

La termot1uencia aparece como un proceso térmicamente activado favorecido por la aplicaciónde una tensión.

Utilizando la expresión anterior y (f;ph . tr = Constante, se puede demostrar que el parámetro

de equivalencia:

p :::: (J.. _2,3 R In t ]-1T L\H ro

es constante para alE = constante. Una aleación puede caracterizarse entonces por una curvamaestra de termof1uencía que relaCiona por ejemplo la tensIón rotura al parámetro deequivalencia P

Se emplea igualmente como parámetro de equivalencia el parámetro de Larson-M ¡llel'T (13 + log t), análogo al de Holomon y Jaile para el reverudo de los aceros.

4-2. Factores que influyen en la termofluencia

Todo obstáculo a la restauración favorece la resistencia a la termoHuencia:

• la estructura cristalina compacta: HCP o FCC;• precipitados estables térmicamente;• la rotura es esencialmente por descohesión intergranular, la presencia de bordes de granos

es nefasta, de allí el desarrollo de materiales con solidificación dirigida o monocristalinos(álabes de turbinas).

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Metalografia - 1

MÉTODOS DE EXÁMENES METALOGRÁFICOS

ESCALAS DE EXAMEN

El conocimiento de las propiedades de un determinado material pasa por la determinación de lasfases que lo componen, en cuanto a su naturaleza, su forma, su distribución, su cantidad. Estosparámetros se reagrupan bajo el nombre de estructura del material La definición de estructura va adepender de la escala a cuál se lo observa (fig. 1), Yes por consiguiente importante especificar,cuando uno habla de estructura, si se trata de la estructura macroscópica, de la estructuramicroscópica a escala de mícroscopio óptico, o electrónico de barrido, o electrónico de transmisión,o de estructura cristalina.

Podet"msoIvenll!l

1000 (11m)

Ojod""udo

10 1

10 100

102

M1crotIC091o eloc1Júnlco de banido

: ,.;------------: Mk:ro;,copio <rledrónlco de tTansmlslóo MIcroscoplo ópllco

1:::::.lIIP--~------IIIIIII!J---..........-1IIIIlII!I 1 ;

10-< : m-s:I 4

\

1<JI 1o~(5 10")

--------" ~------~

Fig. 1. Escalas de examen macroscópico y microscópico.

EXAMEN MACROSCÓPICO

1. OBJETIVO

El examen macroscópico usa el ojo desnudo, una lupa binocular o un banco macrográfico,desarrollándose siempre a bajos aumentos « 100). Las observaciones se hacen en piezas pulidasatacadas o no atacadas químicamente (macrograjías), o en las superficies de fractura(macrofractografUls).

La macrografia pone en evidencia:

• el tamaño y la forma de los granos: los granos pequeños indican un enfriamiento en generalrápido, considerando que los granos grandes suponen un enfriamiento lento;

• los tratamientos mecánicos: observando la deformación de los granos (deformación en frio), ladiferencia de tamaño de grano (deformación en caliente), bandas de Lüders (fig. 2), fibrado;

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Fig. 2. Observación a ojodesnudo de las bandas deLüders en una probeta deacero de bajo carbono en­sayada por tracción.

• la distribución de inclusiones o cavidades;• la estructura dendrítica (obtenida en la solidificación).

La macrofractografia dirigido al análisis morfológico de las fisuras que pem1ite mediante el estudiode la superficie de fractura determinar si es dúctil o frágil y remontarse al ongen del defecto que haprovocado la fisura.

2. EXÁMENES MACROGR"\FICOS

Lanormalización propone para los productos fabricados en acero, tres tipos de exámenes rnacrográficosque se describen debajo.

2-1. Método por impresión Baumann (con sales de plata y ácido sulfúrico)

2-1-1. Alcance

Se aplica a los aceros aleados o no aleados (S < 0,1%) así como a las fundiciones de hierro.

2-1-2. Generalidtules

Los casos de aplicación del ensayo y lascondiciones de interpretación de losresultados observados son competencia deespecialista.

2-1-3. Objetivo y principio del ensayo

El examen tiene como objetivo revelarpreviamente mediante la unpresión enpapel sensIble totogratko humedeCido deuna solUCIón de ácido sulfúrico la posiciónde las áreas que contienen las inclusionesde sulfuros presentes en el metal. Estasáreas se revelan debido a la liberación localde SU!filro de hidrógeno (H2S) que pfOV(l<.~a

un ennegrecimiento de la capa sensible porla transformación del halogenuro de plataen sulfuro de plata.

La impresión Baurnann revela segrega­ciones, fisuras o porosidades (fig. 3).

Fig. 3. Impresión Baumann de una sección trans­versal de un lingote de acero efervescente. Se ob­serva sopladuras y zonas con diferente intensidadde segregación de azufre.

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Metalografía - 3

2-1-4. Técnica operativa

El papel fotográfico se sumerge durante 5 minutos en el reactivo sulfúrico (3 vol. H2S04, 97 vol.HzO), después del enjuague, la cara sensible se aplica sobre la superficie a estudiar. El papel seretira después de un tiempo variable, de algunos segundos a algunos minutos, luego se fija.

2-2. Ataque con ácidos minerajes fuertes

2-2-1. Alcance

Este tipo de examen no posee límite de empleo.

2-2-2. Generalidades

UJs casos de aplicación del ensayo y las condiciones de interpretación de los resultados observadosson competencia del especialista.

2-2-3. Objetivo y principio del ensayo

El ataque macrográfico con ácidos fuertes tiene por objetivo revelar la estructura de una probetametálica y poner en evidencia las anomalías físicas o químicas susceptible afectar suhomogeneidad.

El reactivo actúa por una disolución a distinta velocidad de la superficie metálica y crea diferenciasde nivel que permite asi la observación. Con este ensayo es posible revelar:

• las heterogen.eidades químicas (segregaciones)~

• las heterogeneidades físicas (fisuras, porosidades);• las heterogeneidades estructurales (templado, descarburación);• la estructura dendrítica de un metal fundido;• la presencia de inclusiones o defectos de dimensiones muy pequeños.

2-2-4. Reactivo

Naturaleza ComposiciónDUftlción

del ataque del ataque

HCI (P,.,.., 1.19 g/mi) 1 volumen 1 hora aAtaque H,O 1 volumen BO·C

dorhldrlco utilizado a 80 "c o ebulllcióno ebunlción

~SO. (P2l1" 1,84 g/mI) 15 volúmenes 12 horasAtaque H.,O 85 volúmenes en frlo,

sulfúrico empleado en frlo 30min

o a 70"c a 70·C

Ataque con HCI (p}()', 1,19 g/mI) 3 volúmenes Algunosagua HN02 (P,.,., 1.33 g/mI) 1 volumen minutosregís empleado a 60 "C aGO "C

La lista dada en la tabla 1 no esrestrictiva. Estos reactivos se Tabla 1. Reactivos de uso macroscópico.usan con el éxito para la mayoríade los exámenes corrientes:

• ataque clorWdrico: distintosgrados de aceros;

• ataque sulfúrico: distintosgrados de aceros~

• ataque al agua regia: usadoen el caso de aceros especia­les que resisten los ataquesanteriores.

Page 77: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

MelcaJo:gralIa - 4

2-2-5. Mecanizado

Generalmente, para evitar la deformación en frío de la superficie, no se usarán muelas congrano grueso o herramientas que no se adapten:

Naturaleza ComposiciónDuración

del ataque del ataque

Ataque cloruro cúprico 1 9Obert1offer cloruro férriCO 30g 10 min

doru(O estanoso 0,5 g aá<:ido dorhldrico (P2O"' 1,19 glml) 50 mi 20 míoagua 50 mialcohol elllico 500 mi

Ataque cloruro cúprico 5gStbad cloruro cíe magnesio .~ 9 10 min

ácido clorhldrico (p""" 1,19 g/m!) 1 mi aagua 20 mi 20 minalcohol etllico 100 mi

Ataque cloruro cúprico 1 9La Chatellef ácido dorhldríco (p"""' 1,19 !,iI1n1) 1.5 a 2,5 ml 5sDupuy según el acero: a

ácido pícrico 0,5 g Jminagua 10 mialcohol etltico l00ml

Ataque cloruro cúprico 1,5 íl 306Fry n° 1 ácido clorhldnco (P",., 1.19 g/mI) 30 mi a

agua 95 mi 5minalcohol 6tmco JO ml

Ataque doruro cúprico 90g 306Fry n" 4 ácido dorh!dríco (pY ' 1,19 g/mi) 120 mi a

agua 100 m! 30 min2-3-3. Objetivo y principio delensayo

e mecanizado grueso (para el

control de porosidad); Tabla 2. Reactivos macroscópicos con sales de cobre.e mecanizado más fino,e rectitIcado, torneado, etc..

Los casos de aplicación delensayo así como las condicionesde interpretación son función decada caso y es competencia delespecialista.

2-3-2. Generalidades

El examen macroscópico porataque con sales de cobre seaplica principalmente aceros noaleados y aleados (tabla 2).

2-3-1. Alcance

2-3. Ataque con sales de cobre

El ataque macrográfico con sales decobre tiene por objetivo poner enevidencia las particularidades quími­cas o físicas inherente a la heteroge­neidad de metal. Este examen per­mite revelar:

• las heterogeneidades químicas(segregaciones);

• el fibrado del metal (originadoen la deformación plástica) (fig.4);

e las heterogeneidades estntctura­les (templado, descarburación);

• las heterogeneidades t1sicas(tisuras, porosidades).

Fig. 4. Fibr-ado en un acero fOI-jado,

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Metalografia - 5

2-3-4. A-fecanizado.

Se recomienda dos niveles de terminado:

• pulido prolongado (heterogeneidades químicas, brillo).• mecanizado cuidadoso (heterogeneidades fisicas, estructurales).

EXAMEN POR l\1ICROSCOPÍA ÓPTICA

1. OBJETIVO DEL EXAMEN

El examen micrográf1co tiene por objetivo principal poner en evidencia la estructura de la muestray las inclusiones no metálicas en el momento de la observación en el microscopio óptico.

2. PREPARACIÓN MICROGRÁFICA DE LA MUESTRA

2-1. Generalidades

La obtención de la superficie de examen requiere efectuar sobre el producto una sucesión deoperaciones de extracción y preparación previas al ataque micrográfico. Es imposible dar algunasreglas estrictas, y generalmente en las normas se da un conjunto de información que debe serconsiderada como consejos que constituyen una buena guía práctica.

2-2. Extracción de la muestra

Deben tomarse algunas precauciones para evitar cualquier modificación de la estructura delmetal, producida por un calentamiento o una deformación del metal originada en la deformaciónen frio.

2-3. Preparación de la superficie del examen

La muestra se corta para conseguir una superficie de examen, generalmente comprendida entre1 y 10 cm2, presentando alguno de los siguientes tipos de estado superficial:

• superficie original;• bruto de corte;• haber sufrido una pasada en una banda abrasiva;• rectificado.

Generalmente la preparación de la superficie final se hace en 2 fases:

• desbastado;• pulido.

Dependiendo del tamaño de la muestra y con la finalidad de conseguir una. superficie plana yevitar el redondeo de los bordes (sobre todo si es.la zona que se quiere observar), la misma sepuede colocar temporalmente en un dispositivo adecuado para su preparación o se puede "incluir"

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6

empleado):en

curva

esdependiendodel

... ranulo ememplearse otras granulometrías, normalmente se emplean

muestra en bruto de corte: 120-220-340-400-600.muestra 1Ju...,....."",....

muestra

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Agitador Aislación Probeta Cátodo

+

Metalografia - 7

Cubierta defibra impregnadade electrólito

Fig. 7. Celda de pulido electrolítico. Fig. 8. Pulido manual con Tampon.

puede reemplazarse por un electrodo hecho en acero inoxidable o en grafito rodeado con unmaterial esponjoso impregnado de electrolito (fig. 8): "pulido con tampón".

Comentarios:El pulido electrolítico deben excluirse si se quiere examinar las inclusiones no metálicasdado que las mismas se desprenden.Este pulido tiene la ventaja de eliminar la deformación superficial producida en el desbastado.En algunos casos, este pulido se emplea después de un pulido con alúmina o con pasta dediamante.

2-3-2-2. PULIDO CON ALúMINA

Este pulido consiste en frotar la muestra sobre discos de fieltro o paño, embebidos de unasuspensión de alúmina. La granulometria de la alúmina se caracteriza por el tiempo necesariopara depositar alúmina en suspensión después de la agitación. Cuanto más fina sea la alúminamayor será este tiempo (12 h, 24 h, 48 h).

2-3-2-3. PULIDO CON PASTA DE DIAMANTE

El pulido se efectúa en forma similar al anterior. El agente de pulido es la pasta de diamantedistribuida con la ayuda de un diluyente sobre un disco de fieltro o paño.

Las diferentes granulometrias (tamaño medio en J1.m de los granos de diamante) empleadas son:14,7,3,1, y,..

Un lavado de la muestra, con la ayuda de un solvente adecuado para la pasta de diamante, sehace en cada cambio de granulometria yal final de pulido. La muestra entonces se seca con airecaliente.

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Metalografla - 8

3. ATAQUES MICROGRÁFICOS

3-1. Observación sin ataque

La muestra pulida puede observarse directamente sin ataque micrográfico en el caso de examinar:las inclusiones no metálicas (sulfuros, óxidos) o fases no metálicas (grafito), heterogeneidadescomo las fisuras, porosidades, etc. Este tipo de observación está basado en la diferencia depoder reflexivo de los diferentes campos de la muestra.

3-2. Ataque químico

Hay ataque preferencial o coloración de cIertos constituyentes respecto a otros. El ataquemicrográfico da diferencias de relIeve o de coloración, entre los diferente constituyentes o entrecristales de una misma fase con diferente onentación, lo que pennite observarlos.

En algunos casos se puede revelar las desigualdades de concentración de

La figura 9 esquematiza estos efectos:

soluciones sólidas.

A: disolución de los bordes granos deuna mIsma fase;B: disolución de los bordes de lasinterfases:C: disolución de las superficies de losgranos de una misma fase según suorientación cristalográfica;D: formación dc una capa superficialadhesiva de producto~ de reacción y cuyoespesor es función de la orientación delgrano en que desarrolla la misma: estascapas son epítáxicas y de espesores bas­tante bajos que dan los colores de inter­ferencia

3-3. Ataque electrolítico

o D D

!~! htd~t d~ ~ ¡

Granos de la fase 11

Fig. 9. Efecto del atnque metalográfico.

Fig. 10. Celda de ataque electrolítico.

La dISolución electroquirruca es delmismo tipo que la disolución química,pero se beneficia de un parámetrosuplementario: el factor eléctrico (tabla Electrodo de3). (erereilcra.--'~

El ataque electrolítico tiene lugar con elmísmo equipo de pulido electrolítico (fi­gura 10), siguiendo la misma curva inten­sidad-potencial. Se utiliza un potencialinferior al' empleado para el pulido.

Contra electrodo

Muestra

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Tabla 3. Reactivos de ataque electrolítico.

REACTIVOS DE ATAQUE ELECTROLfTICO

Metalografia - 9

DESIGNACiÓN COMPOSICiÓN CAMPO DE APLICACiÓN

Solución acuosa -10 9 de ácido oxánco. 100 mi de agua. Examen de la estructura de aceros Inoxidables.de ácido oxálico Tiempo de ataque: 10 a 45 s. 6 V (cátodo acero inox.)

Soludón acuosa - 100 mi de soludón acuosa con 10 % de ácido nítrico, Examen de la estructura de aceros y aleacionescon 10 % de 5 mi de ácido acético. con muy alto teflOf de nlquel.ácido nftrico Tiempo de ataque: 20 s a temperatura ambiente

2 V (cátodo de acero inoxidable)

Solución acuosa - Solución acuosa con 10 % de anhídrido CfÓmico. Puesta en evidencia: estructura y bordes de granode ácido cromico Tiempo de ataque anódlco 15 I.l a 2 mino T: ambiente. de aceros Inoxidables auetenlticos hlpertempladoll.

Solución de - 40 9 de hidróxdio de sodio (soda cáustica). Puesta en evidencia de : carburo~ fase sigma ysoda cáustica 100 mi de agua. ferrita delta de los aceros inoxidables bifásicos.10 N Tll'lmpo de tltaque: 15;¡ a 2 mino T: ambiente.

Solución acuosa - Solución acuosa saturada de nitrato de amonio. PuM"ta en evidencia de los bordes de grano en unsaturada de i iempo de ataque: 1 a 2. min. ij V. 1: ambiente metal afterado a temperaruras elevadas denitrato de amonio calentamiento.

ATACANTE CDMPOSKJÓN PROPósno O CARACTERJsnCADEREVElAOO

lo Nllal 1 a 5 mi HNO] en 100ml de Estructura Qeneral. Es el atacanteetanol o metanol (95%0 mas usado para estudios de rutina.absoluto, también puedeusarse el alcohol amfllcal.

1. Plcral SolucIón salUrada de ácido Estructura qeneraJ. Provee una me-plalca en etanol o Jor resoludón de dertas estructurasmetanol (95%1. de carburos, que las que son obte·

nldas con nltal.

3. Plcral¡oUal 50 mi 1 a 1 % olla!, 50 mi Permite~ la presenda de GUburos4% plera!. en los límites de~ de la fen11a

4. Reactivo de 5 mi HU, 1~ ácido Remarca los limites de qrano de laVllella plulco. y lOU mi etanol o austenlla primaria en aceros temo

metanol (95%) piados y revenidos

5. Super pleral Plcral con alQunas Qotas Estructura Qeneral. Paril una mejor

.- de Hd o cloruro de resolución de carburos. Es preferidozephlran. en 25 mi de para estructuras tratadassolución. térmicamente.

6. SoluclÓfl de loe¿ ~S,0S en 100 mi de Para resolucIón de estructuras endu-metalblsulfllo aqua destilada reddas. SU uso deberla ser precedl-de potasio da por un ataQue con onal o plera!.

7_ Reactivo de 10 mi de H)SO,. 10 mi HNO). DeteccIón de sobrecalentamiento yHowarth 80 mi de aqua destilada. Quemado.

8. SOluclÓfl de 10 q de ácido tarlál'lco en Examlnadón de IncluSlones.ácIdo t.artU1co. 100 mi de ~ua destilada.

9. SOlucIón de 3D g de diaomato de potaslo Revela. las InduSlones de plomo,dk:romalo de en 225 mi de~ destllé:rl1 mediante la coloración de amarillopotasio y áddo caliente; adldonaI JO mi de a dorado, balo luz polarizada.acético l2lacla! ácido acétlco QIadaI.

10. Solución de 16 QCrO, en 145 mi de Revela la oxldaclÓfl InterQranular.cromato agua destilada; adicionar Usado para aceros aleados de conte-alcalino. 80 q NaOH (lentamente nido medio de carbono con contenl-

con aQI1aclÓn constante) do de n/queL

Tabla 4. Reactivosde ataque más co­munes para exa­men microscópicode aceros al carbo­no y aleados ~e me­dio contenido decarbono.

Page 83: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

W1con

4-2. Objetivo y

• su aumento

• suelen el ........ "",....

n-sen J,l,

de y j.J elobjetivo.

\

Pantalla¿' placa lotolgráfica

..... u'.... ...,'''' ... van 5 alOa Y el

daro

Page 84: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Metalografia - 11

4-3. Dispositivo de Huminación

El dispositivo de iluminación incluye varias partes:

.. una fuente luminosa,

.. un iluminador que permite iluminar el objeto uniformemente. El haz incidente se desvíapor un vidrio plano semi-reflectante o un prisma y atraviesa el objetivo para iluminar elobjeto de una manera ortogonal (iluminación en fondo claro) o de una manera oblicua(iluminación en fondo negro) (fig. 12).

4-4. Accesorios

Luz polarizada: un polarizador se intercala en el haz incidente y un sensor en el haz reflejado(fig. 8). Esta luz permite observar sin ataque las fases no cúbicas ópticamente anisótropas (Mg,Zn, Tí, grafito), o para aumentar el contraste de las peliculas epitáxicas formadas sobre lasaleaciones de cobre, hierro, aluminio.Contraste de fase: permite revelar diferencias de nivel muy pequefias en las superficies pulidas.Contraste interferencia1: tiene la misma meta que el contraste de fase, pero permite una mejornitidez.Interferometria: permite la medición de la topografía de la superficie. Se puede apreciar unmicrorelieve del orden de 30 nro.Microscopía en caliente: una platina caliente colocada en el lugar del objeto permite observarel relieve asociado a las transformaciones estructurales (muestra en vacío o gas neutro), o laformación de películas de óxidos (muestra bajo presión parcial de oxigeno).

5. TÉCNICAS DE RÉPLICAS METALOGRÁFICAS

Las réplicas metalográficas se usan para hacer un examen no destructivo del estado de la estructurao de los defectos de una pieza metálica.

Están constituidas por un barniz transparente de nitro-celulosa o un material plástico, incluyendoo no un soporte, que se deposita en la superficie a examinar; previamente pulida y atacada.

Después de secar, la réplica se retira y se observa a bajos aumentos en luz reflejada (está fijadaen un apoyo reflectante), o en luz transmitida.

6. DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO

6-1. Generalidades

El volumen medio de los cristales, es decir el tamaño de grano de un material metálIco, puedecaracterizarse por diferentes tamaños convencionales deducidos de la observación de una secciónplana del material preparada para hacer aparecer los contornos de los cristales seCCIOnados porel plano de corte.

Los métodos de determinación de estos tamaños son meramente geométricos, resultancompletamente independientes de metal o la aleación consideradas. Estos tamañosconvencionales son:

Page 85: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Metalografla - 12

• Número de granos por unidad de área de la superficie de la probeta (m): la unidad de áreaes 1 mm2.

• Área media del grano (a): a ,,, 11m en mm 2

• Tamaño medio del grano (dm) o diámetro medio del grano: d = J<~- == 1/'u

• Longitud media de intersección ([): El codente de la longitud total uno o vanos segmentos

trazados sobre la imagen de la probeta por el número de granos contados sobre esas líneas.

• Índice convencional de tamaño de grano (G): número sin dimensión vinculado con m poruna relación matemátíca y de reglas de aplicación capaces de variar de un metal a otro.Estos índices se designan por G seguidos de una letra propia de cada sistema.

El tamaño medio se caracteriza por G, o por L ' en los casos más frecuentes.

6-2. Principios de evaluación del tamaño de grano

El grano se pone en evidencia por el ataque metalográfico y proyección en un vidrio deslustradode un microscopio óptico. Se puede usar esta imagen o se puede trabajar en una muestrafotográfica de la imagen.

S::: 5.000 mmlO::: 79.8 mm

Fig. 13. Círculo empleado para efectuarel método de conteo del número de gra­nos.

6-3. Método por conteo

Pueden usarse entonces tres métodos:• método por conteo;• método por mtersección;• método por comparación con imágenes tipo.

eligen los aumentos para que el númeromínimo de granos sea de 50 (fig. 13).

6-3-1. Conteo del número de granos

Para un aumento lineal g, la superficie de laprobeta correspondiente al área del círculo es:

S = SOOO/g en mrn2

Para g = 100, S = 0,5 mmz.ng = el número de granos en la circunferenciatrazada.n[ = el número de granos completamente en elinterior.nz = el número de granos cortados por lacircunferencia (aproximado al número superiorsi n2 es impar)

Page 86: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Metalografla - 13

Ejemplo figura 13: ni = 49, nz = 33 => ng = 66.

6-3-2. Determinación del número m

m = 2 (g/100)2 ng .

En particular, si g = 100, m 2 ng.

6-3-3. Determinación de dm

en IJ,m.

6-3-4. Determinación de G (ver 6-5-3)

6-4. Método por intersección

6-4-1. Prindpio

Se cuenta sobre el vidrio deslustrado del microscopio o en la microfotografla de un camporepresentativo, el número de granos que atraviesan por la linea de medición. Se regresa al mismopara contar el número de intersecciones.

La linea de medida puede ser recta o circular. La figura 14 ilustra los tipos de líneas de medidaa emplear.

Fig. 14. Patrón utilizado en el método de conteo deintersecciones, apto para granos no equiaxiales.

+ 1-1------r-----~I ...a b

6-4-1-1. MÉTODO DEL SEGMENTO LINEAL

INTERCEPTADO

La línea de medida se compone de 4segmentos rectos de longitud total 500mm y dispuestas como lo indica la fi­gura 14. Esta disposición permite dis­minuir la influencia de la anisotropíade los granos. El aumento escogidodebe dar por lo menos 50 interseccio­nes por medida

En el caso dónde se cuenta los segmen­tos interceptados, cuando la línea demedida finaliza dentro de un grano, elsegmento correspondiente se cuentacomo 1/2.

d

c

+h

e

.. + ...f

- ab =cd =100 mmef =gh :::: 150 mm

- Diámetro círculos:79,58; 53,05;26,53 mm

9

Page 87: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Metalogratla - 14

En el caso dónde se cuenta las intersecciones, se cuenta 112 cuando el extremo de la línea tocaun borde de grano precisamente, 3/2 cuando una línea corta un punto triple (la unión de 3granos), 1 para una tangencia.

6-4-1-2. MÉTODO DEL SEGMENTO REDONDO INTERCEPTADO

La línea de medida se compone por el juego de tres círculos (total de longitud 500 mm) o por elcírculo de diámetro más grande (longitud 250 mm) de la figura 14.

Este método tiene la tendencia a dar un número de intersecciones ligeramente en defecto, paracompensar esta tendencia, la intersección que corresponde a un punto triple se torna corno 2intersecciones, en lugar de 1,5 del método del segmento lmeal interceptado.

6-4-2. Evaluación de los resultados

Repitiendo varias veces las mediciones del número de intersecciones en campos diferentes,usando la grilla de medida de la figura 14, es posible deducir el valor medio del número de

intersecciones N.

Si L es la longitud de la línea de la medida se obtiene:

El medio valor del segmento interceptado es por consibtuíente:

En el caso de estructuras no equiaxiadas, es posible determinar el número de intersecciones entres cortes uno longitudinal, uno transversal y uno normal.

Usando la expresión de m dada en 6-5-3, se puede demostrar que el índice convencional detamaño del grano da:

G =10,287 6 - 6,643 8 log [.

L (mm) medición a 100 aumentos.

6-5. Método por comparación con imágenes tipo

6-5-1. Principio.

El prinCIpio del método consiste en comparar la imagen dada por el microscoplO con Imágenestipo de las que se conoce el tamaño de los granos. Hay que referirse a las planchas de imágenestipo contenidas en las normas particulares que relacionan al metal considerado.

Page 88: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

6-5-2. Imágenes tipos basadas en dm

dm = dml (gl/g)

dml = tamaño de grano estimado a la primera etapa;gl = awnento que ha servido para las imágenes tipo;g = aumento utilizado.

6-5-3. Imágenes tipo basadas en {ndices convencionales

El índice convencional G es un número positivo, nulo o negativo, deducido de m, números losgranos contados en 1 mm2 de área de muestra. Por definición G = 1 para m = 16, los otrosíndices están dados por la fórmula: m = 8 x 2G.

La tabla 5 da m para G variando de -7 a +17.

Número de granos por unidad de área (m)--_._-valores Ifmites (mm~)Indice de grano (Gel

valor nominal (mm-2)de (exduido) a ~nduldol

Tabla 5. índi­ce del tamañode grano con­vencional (G),según las nor­mas AFNOR(Francesas).

861

2435

609

1 722

6.5 724

~~~~~~~~¡¡¡~••~._._a.~_~8 2048

Page 89: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

·. 16

El método de conteo, descrito previamente, pem1Íte detenninar m, pero la mayoría de las vecesG se obtiene por comparación con las imágenes tipo. Estas imágenes tipo se numeran de 1 aVIII, (fig. 15 Y 16); para un aumento 100, estos números son iguales al índice G.

En el caso que la imagen examinado esté a un aumentoG = M + 6,64 log(g/lOO), dónde M es el número de la nnagen tipo más aproximada.

Comentarios:

e Las imágenes tipo sólo son válidas para granos equiaxiales, el método de la intersección esel que mejor se adapta al caso de los granos alargados (laminación).

• Un grano maclado se cuenta como sólo un grano (ejemplo: aceros austeníticos).e Cualquiera que sea el método, la precisión obtenida raramente es mejor que la media unidad.

El índice indicado será redondeado a un número entero.

6-6. REACTIVOS

En el caso de aceros, el grano femtico se pone en evidencía por el ataque con reactivo Nital oPicral, el grano austenítico por solución acuosa de ácido oxálico o ácido cr6mieo. En el casoparticular de aceros tratados térmicamente, se puede revelar el grano austenítico formado en elmomento de la austertitizaci6n por el método de Bechet-Beaujard o el de Kohn, considerandoque el método Mae Quaid Ehn es específico del tratarmcnto de cémentation (ver nonna).

7. DETERMINACIÓN DEL TENOR DE lNCIJUSIONES EN ACEROS

7-1. Objeto

El objetivo del t~"'~!l,,'n es contar las ll1clusiones no metálicas de los productos laminados oforjados.

Se distingue:

e Los métodos macroscópicos que ponen en evidencia las inclusiones no metálicas visibles alojo desnudo o con la ayuda de una lupa de aumento inferior a 10. Estas mclusiones tienenlongitudes superior o iguales a 500 ¡..un.

e Los métodos microscópicos que ponen en evidencia las inclusiones no metálicas solamentevisibles con la ayuda de Wl microscopio. Las longitudes de estas inclusiones son superioresa 1 ¡lm e inferiores a 500 /-tm.

7-2. Generalidades

Los métodos de detenninación del tenor en inclusiones no metálicas se refieren a las característicassiguientes de las inclusiones

Su forma: se distingue las mclusiones rotas, indeformables durante el trabajado en caliente ylas inclusiones plásticas que se defonnan.

--,-_.------------

Page 90: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

DETERMINACiÓN DEL TAMAÑO DE GRANONF A 04-503

ImGge-type n" I I ImaJ)o-type n° 11

DETERMINACiÓN DEL TAMAÑO DE GRANONF A 04-503

Image-type n° V I Image-type n° VI

1':?t~I-$I-ll' 1$" $'1 ' 1I r~·..:w·I~l·l· :';1~11:;~·j'[~'''11·'1._...__ 11 l' 1" _ '"... ...-.. u H '" 1.. _ _ r;:¡;CI;'l~,I(,~:I,~ll: ¡.':'L~I

Imoge-type n° VII

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Image-type n° ni

1-"""1-11'1 ISI') 1 1 1' I.....::.:.;... u' l" '" ~.. _*.

Fig. 15 Y16. Imágenes tipo para la determinación del tamaño de grano.--J

Page 91: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

18

de SIn

Page 92: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Metalografla - 19

La distribución de las inclusiones según su tamafío puede hacerse según el tabla de § 7-3-1.

7-3-3. Examen magnetoscópico

El ensayo consiste en examinar la superficie maquinada de una probeta o pieza sometidos a uncampo magnético y bañada por un líquido compuesto por una suspensión de polvo magnética.

Las inclusiones no metálicas provocan una distorsión del campo magnético inducido. Estadistorsión atrae y retiene el polvo magnético y así da una indicación visible.

La distribución de las inclusiones según su tamaño puede hacerse según la tabla de § 7-3-1.

7-4. Método micrográfico con ayuda de imágenes tipo

7-4-1. Principio.

La evaluación de las inclusiones se hace por comparación con imágenes tipo que constituyen laescala Jemkontoret (o escala JK). Estas figuras corresponden a campos visuales de diámetro 0,8mm tomados de un corte longitudinal y observado alOa aumentos.

Las imágenes tipo están divididas en 4 grupos principales designados A, B, e, D.

Grupo A. .. tipo sulfuro.Grupo B tipo alúmina.Grupo C tipo silicato.Grupo D tipo óxido.

Cada grupo principal de la esc!lla JK está compuesto de dos subgrupos (series finas y seriesgruesas) y de 5 figuras de referencia que representa proporciones crecientes de inclusión.

Las figuras de la escala JK (1 a 5), serie fina, se da en la figura 17 (en esta figura, el aumento noes de 100 sino de 35). Existen también algunas figuras para la escala JK (0,5-1,5-2,5).

7-4-2. Expresión de los resultados

La marca del símbolo referencia del grupo de inclusiones se sigue del número indicativo delcampo más sucio, la presencia de inclusiones gruesas está sefíalada con la letra e.

Ejemplo: A 2, B le, e 3, D l.El resultado puede ser el promedio de la observación de un número grande de campos (10 a 20).Generalmente se especifica.

Para ensayos precisos es necesario examinar una superficie importante (algunos metroscuadrados); actualmente se tiene la tendencia a extraer las inclusiones por disolución electrolíticade varios kilogramos de metal, esencialmente para la investigación de inclusiones de tamañoimportante.

Page 93: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Metalograíla - 20

DETERMINACiÓN DEL TENOR DE INCLUSIONESNO METÁLICAS EN ACEROS

NF A 04-106A

(Tipo Sulfuro)Serie tina

Espesor hasta inclusopromedio 4 ¡.un

B(TIpo Alúmina)

Serie finaEspesor hasta incluso

promedio 9 ¡..¡m

e(TIpo Silicato)

Serie finaEspesor hasta incluso

promedio 5 J.lm

D(Tipo Óxidos globulrares)

Serie finaEspesor hasta incluso

promedio 8 J.lm

1

2 o 2

, e:,'". .

33.1

1I ...

, I

(0/-11")' «,': 4I I .' , .., .. ....

.-- '---..-:-

Imágenes tipos JemkDnloretAumento" 35

5

. I I\ I II 1 I •

I 1,

.11 ,1 1 ,1;1' I

.,1 '1 'I\ I----~

5

Fig. 17. Imagen tipo para la determinación del estado inciusionario en aceros, tomada de lanorma AJ:t'NOR (NF A 04-106). Está basada en las imagenes tipos Jernkontoret aceptadasmundialmente con pequeñas variantes. En este ejemplo serie fina.

Page 94: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Microscopía - 1

EXAMEN POR MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO

1. PRINCIPIO

Fig. 1. Microscopio electrónico de barrido (MEBo SEM).

El principio del microscopio electrónicode barrido (MEB) es barrer una muestramediante una sonda electrónica (fig.1).La informaci6n que se origina de lainteracción del haz incidente-material (enparticular los electrones secundarios) setransforma en señal eléctrica. Esta señaleléctrica modula la intensidad del haz deun tubo de osciloscopio o televisión debarridósincr6nico.

La intemcción de un haz de electrones incidentes con un material conduce a la emisión de electronessecundarios. La intensidad de emisión de estos electrones depende de la topografia de la superficie(efecto de punta, de arista, etc.), delpotencial local y del número atómico.Estos electrones sólo provienen de la zonasuperficial (algunos nanómetros).

punto del objeto ~ correspondencia puntual -7 punto de la pantalla

La imagen se consigue después del barrido completo de la pantalla.

2. DIAGRAMA DEL MICROSCOPIO DE BARRIDO

La sonda electrónica (fig. 2) tiene un diámetro al nivel de la muestra de 3 a 10 nro. Esta es laresolución límite de este microscopio.

El aumento es igual a la relación del ancho del barrido en la pantalla (valor fijo) sobre el ancho debarrido del objeto. Puede alcanzar 200.000 en los casos más corrientes.

Pero existe un aumento eficaz que es la relación entre el poder de separación del ojo (E) sobre eldiámetro de la sonda (ds).

ejemplo: Si s = 0,2 mm, ds = 10 nm = 10-5 mmGefi<= = vds = 20.000.

Uno de las particularidades del microscopio barrido es su gran profundidad de campo, que es delorden del mm para un aumento de 100 y es aún de 10 ).lm para un aumento de 10.000. Permite laobservación facil de relieves importantes como el de las superficies de fracturas, imágenes topográficas.

Page 95: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

3

materiales poco o no conductores deben cubrirse con depósitos conductoresdiante un proceso previo llamado metalización.

etc.), me~

4. MICROANALIZADOR A SONDA ELECTRÓNICA

Fig. 4. Compuesto interrnetálico de hierroy tungsteno. Distribución de ambos elemen­tos.

La interacción electrones-material provoca laemisión de fotones X (Ka, La, etc.) caracterís­ticos de los elementos químicos contenidos enel volwnen irradiado.

El microanálisis cuantitativo de la composiciónde una región seleccionada se consigue por eltratamiento de la mtensidad de una raya del análisis (por ejemplo: FeKa, Aul\1a, etc.). Losmicrosensores acoplados en el rviEB o son a dispersión de longitud de onda, o a dispersión deenergía.

La distribución de lID elemento elegido en el áreade barrido se traduce en la pantalla por unaimagen X correspondiente a una radiacióncaracterística (figs. 4 y 5).

Fig. 5. Diagrama característico de elementosquímicos obtenido mediante el analizador derayos X del MEB. En este caso se anali.zsba untapón que obstruía un tubo de latón (Cu-Zn) delradiador de un camión Scania. El tapón era deplomo, proveniente de un defecto de fabricación.Se observan los picos característicos del Cu ydel Zn, y 3 picos característicos del Pb.

2.00FS . <$339

4.00 6.00 8.00CPS: 5.50

10.00 12.00 14.00 t6.00 18.00Cnts : 21 KeV: 1~J..2

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE TRANSrvfISIÓN

1. PRINCIPIO

Debido al poder separador restringido de los microscopíos ópticos, no se puede awnentar suamplíficación indefinidamente. Este poder separador (PS) es:

PS 0,6 IJ n sen ¡.l.

Page 96: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Microscopia -- 2

Hg. 2. Esquema del microscopio electrónico de barrido.

Pantalla delosclloscopio

ModulaciónAmplificador de la

intensidad

Condensador

Detector

RX o electrones secundarios

Objetivo

} canón de electron..

}

+ Alta tensión (1 a 5 kV)

l

/' /

Las muestras deben soportar el va­cío y el intenso bombardeo electró­nico. Además, deben tener una bue­na conductividad superficial parapermitir el flujo de las cargas: los

3. MUESTRAS OBSERVADAS

Las muestras (fig. 3 Y4) son soste­nidas por una platina goniométricay normalmente son macizas. Lasmedidas clásicas de los portaobje­tos son del orden de 2 a 3 cm dediámetro pero algunos dispositivosespeciales permite la introducciónde objetos más voluminosos.

Fig. 3. Ejemplos de micrografíasobtenidas mediante el MEB. ay b: superficie de fractura don­de se observa gran cantidad deinclusiones no metálicas (aceroresulfurado). e y d: solidifica­ción dendrítica (aluminio).

a

e

b

d

Page 97: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Microscopía - 4

Si uno qmere disminuir los PS, es necesarioaumentar n sen ~t (lo que es difícil), odisminuir A.

En el caso del microscopio e1ectrómco detransmisión, se va a usar la onda asociaJu él

un haz de electrones que es de muy corta lon­gitud de onda. El diagrama de este microsco­pio será idéntico al del microscopio óptico,pero las lentes serán de tipo electromagnético(fig.S). La apertura numérica de estas lenteses baja, pero veremos que la relación )J n senJi sin embargo disminuirá.

Fig. 5. Microscopio electrónico de transmisión(MET o TEJ\tl).

2. LONGIT'UD DE ONDA ASOCIADA A UN HAZ DE ELECTRONES

Combinando las relaciones:

hA.=-.

mv'donde: h = constante de Planck, m = masa del electrón, v = velocidad del electrÓn.

mom=

Jl- V' ;cl

siendo:. ffi<> = masa del electrón en reposo, c = velocidad de luz; V = tensión de aceleración.

eV = m c2 - tIlo cl ,

donde: e = carga del electrón.

Se obtiene:

heA. := -¡======= ~ nm.

V (volt)A. (nm)

102

0,1226103

38,8 10-3104

12,2 10-3105

3,7 10-3

106

0,87 10-3

Los microscopios funcionan en general bajo una tensión de 105 volts. El poder separador, si jJ=

5,S 1O-~ radianes, es entonces igual a:

PS = 0637 10-3/5 5 10-) = O40 nm,,. ,. ,

Comparado con 200 nm del microscopio óptico.

Page 98: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Microscopía -- 5

3. DIACRAMA DEL MICROSCOPIOELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN

Tiene los mismos elementos que en el caso delmicroscopio óptico pero la "luz" se produce porun cañón de electrones (fig. 5 Y6), los electronesatraviesan la muestra, y las lentes sonelectromagnéticas.

Filamento

Ánodo --¡=:JCI1:::c:J

Objeto

} Cañón de electrone'

} Condensador

Objetivo

Lente intermediaria

Los aumentos pue-den akarrmr 500.000 y el poderde resolución 0,15 nm, que es el orden de tamañode las distuncias interreticulares.

Proyectivo

4. fffUESTRA.S OBSERVADAS

Pantalla o" placa fotográfica/

Fig. 6. Esquema del microscopio electrónicode transmisión.

4-1. Réplicas

Estas muestras deben ser muy delgadas dado queson atravesadas por el haz de electrones (200 nmpara Al, 50 nm para Fe), y de dimensión pequeñadado que serán colocadas en una rejilla de 3 mmde diámetro. Estas muestras pueden ser réplicaso láminas delgadas.

Las répli(.;~ wnstituyen un molde de la superfi­cie (fig. 7), Y se obtienen por vaporización decarbono, de oro, etc., ya sea sobre la muestra Réplica

(réplica directa), o sobre una copia de la super- Fig. 7. Réplica utilizada en el MET..ficie lograda mediante un barniz (réplica indi-recta).

El empleo principal es la réplica indirecta para analizarmicrofractografias en piezas grandes.

4-2. Láminas delgadas

Es la aplicación principal del microscopio electrónico de trans­mIsión. Estas láminas se obtienen por adelgazamiento electrolí­tico (pulido electrolítico prolongado) basta obtener un espesorsuficientemente pequeño para que metal sea "transparente" alos electrones.

Se obtiene una imagen (fig. 8), o un diagrama de difracción (fig.9) que como en el caso de los Rayos X permite determinar lanaturaleza de una fase y su orientación cristalográfica. .

Vig. 8. Lámina delgada que permite la observación de los bordesde grano y las dislocaciones (foto superior).Fig. 9. Diagrama de difacción del aluminio (foto inferior).

Page 99: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Microscopía 6

MÉTODOS TÉRMICOS DE ANÁLISIS

1. ANÁLISIS DlLATOMÉTRICO

Este método consiste en registrar las variaciones de longitud de una probeta sCf:,'Ún la temperaturao el tiempo.

Permite detectar los cambios de fase (transformación alotrópica, fenómenos de precipitación),los puntos de Curie, las transformaciones orden-desorden de las aleaciones.

Pueden hacerse dos tipos de análisis dilatométrico:

.. El análisis dilatométrko diferencial que consiste en ampllilcar la diferencia de dilataciónentre una muestra en estudio y Wl patrón de! cuál conoce las propIedades;

.. El análisis dilatométrico absoluto que permite el registro directo de la dilatación de lamuestra estudiada.

1-1. Dilatómetro diferencial

Regllsttador

Captadores dedesplazamiento

Programaciónhorno

Horno Empujadores//'(,(//L L? --'---"

patróon~~~R~~Cbd~ Amplificador

y .. dilatación dlfefflncial

La figura 1 presenta un diagrama delprincipio de trabajo de este dilatóme­tro.

El sistema de amplificación puede serde tipo mecánico, pero actualmentees más frecuente emplear la ayuda deun sensor de desplazamiento asociadoa un amplificador electrónico.

Fig. 1. Esquema del funcionamiento de un dilatÓ­metro diferenciaL

Fig. 2. Ejemplo de curva obtenida con el dilatóme­tro diferencial.

v calentamiento :::v enfriamiento :::300 "C/h

Al..'e{o MARAG1NGZ 03 NKD 18~D9

500

5

Martensita

I PrecipitaCión11 }Transtormaci6n111 austenílíca

El patrón está constituido frecuente­mente por una muestra en aleación«pyros» (Ni-8Cr-4W-3Fe) de la quese conoce perfectamente los coefi­cientes de dilatación. Pero puede re­emplazarse por otro metal o aleaciónconocida.

Un ejemplo de CUIVa se da en la figura2.

La dilatometria diferencial requiereque la temperatura de la muestra seala misma que la del patrón, lo queimplica velocidades de calentamientoy enfriamiento poco elevadas (300 °C/h como máximo).

Page 100: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Microscopía - 7

20 200 400 800 800

B: bainíta, F: ferrita, M: martensrta, P: perlita, y. austenita

Fig. 3. Esquema del principio de funcionamiento deldilatómetro absoluto.

)( '" temperatura

Registrador

y =dilatación

Acero tipo 3SCD4

'¡ v calentamiento =v enfriamiento =

1 5 "C/s

ITemperatura (oC)

Amplificador

/

Ac,

Probeta

Captador dadesplazamiento

Tubo de sllice

Armazón

Varilladesplazabla

El sistema de amplificación siemprees de tipo electrónico, pero es nece­sario hacer notar bien que la medi­ción de la longitud sigue siendo dife­rencial respecto al apoyo (en gene­ral sílice).

La figura 3 presenta un diagrama ddprincipio de trabajo de este dilatóme­tro.

1-2. Dilatómctro absoluto

Este tipo de equipo se adapta parti­cularmente bien para velocidades decalentamiento o enfriamientos rápidas(hasta 200 oC/s). En este caso, la me­dición de temperatura se logra soldan­do la termocupla directamente en lamuestra.

La dilatometría absoluta es muyempleada para el establecimiento delos diagramas TEC (transformacióncon enfriamiento continuo), o TTT(transformación isotérmIca).

Un ejemplo de curva se da en la figura4.

Fig. 4. Ejemplo de curva obtenida con el dilatóme­tm absoluto.

1-3. Cálculo del coeficiente medio de dilatación am, entre dos temperaturas TI y T2

El eje de las ordenadas de la curva dilatométrica está graduado en mm.

y mm = K Lo (&muestra - M.patrón)

K = el coeficiente de ampIificación~ Lo =Jongitud en mm a OOC de la muestra y el patrón~ L1L =

(L - Lo)/Lo, con L = longitud a T oc.

Por la definición:

y 1 =;,..K.Lo (ÓLlmuestra - ÓLlpatrón)

y 2 = KLo (ÓL2muestra - ÓL2patrón)

Page 101: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

8

K

Um (patrón)

o

Amplificador

VUL'-ILU.Jl&ll con

~ J

111 }

Terrnocuplas

Page 102: Materiales Merlone- Materiales Metalicos

Microscopía - 9

miento o enfriamiento están limitadas a 300 °C/h por los mismos problemas de homogeneidadde temperatura.

Comentario: El análisis térmico diferencial permite determinar las temperaturas de inicio detransformación, pero sigue siendo un método aproximado para la determinación de entalpías(AH) de transformación (superficie de picos). Para este último punto, se han desarrollado otrosdispositivos llamados analizadores calorimétricos diferenciales con compensación de potencia.Estos permiten medir directamente el flujo térmico.

3. ANÁLISIS MAGNÉTICO

ACSJro MARAGING

v calentamiento '"300"'C1h

Registrador

y :::: T y d<f>/dt

Austenit.ll(paramagnética)

X ::: temperatura

Registrador

x:::: tiempo

d<t>ldt :::: variación deflujo magnético

y ::: intensidad de imantación

Imán

t Preeipit.llción11 } Tansrormaci6nni a.ustenitJca

Intensidad de lmantad6n

I 11 llf

Balanza

Imán

Fig. 7. Esquema del funcionamiento de untermomágnetómetro.

Fig. 9. Esquema del equipo que permite medir lavariación de permeabilidad magnética.

100 300 500 700 T (OC)

Fig. 8. Ejemplo de curva obtenida con termomag­netómetro.

Termocupla

Martensita(ferromagnética)

Muestra

Un ejemplo de curva obtenida se da ala figura 8.

Este método permite descubrir la apa­rición o la desaparición de las fases fe­rromagnéticas según la temperatura.Los dispositivos correspondientes sonlos termomagnet6metros.

Un segundo tIpo de dispositivo estábasado en la variación de permeabili­dad magnética promovida por las trans­formaClOnes de las aleaciones. En estecaso, la muestra se enfria en el entre­hierro de un imán permanente y unabobina enrollada en este imán regis­tra, por ejemplo, la aparición de unfase ferromagnétíca (fig. 9).

Un primer tipo de dispositivo (fig. 7)está constítuido de una balanza que re­gistra la variación de fuerza ejercidaen una muestra puesta en el campo nouniforme de un imán permanente. Eldispositivo es cuantitativo si la balan­za permite que la muestra permanezcaconstantemente en la misma posición.

Este método se usa en el estudio de laoxidación de metales.

4. ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉ­TRIeo

Los dispositivos correspondientes sonbalanzas muy sensibles que registran la variación de peso de una muestra puesta en un horno y

en una atn1ósfera oxidante.

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Process Salety In Ihe Chemlcal Industry

11 Plaslícs A Practlcal ''''12 tFaCIIlty Píplng Systems Handbook (2nd EdltlOn)

'¡b:r Optlc tOe Fe"'"''';''''' T,;stlrlg n~~",,,,,, RelíabllllY and Malntalnability

1314 Fiba, Cerarrllc

--15 Fibarglass Ralnlorced PlaSllCS

16 Film Properues 01 Plasbcs and

17 :in,te Elemem Metllod (5th Edition) Vol"",e I ' fhe Basls

18 Fin le Eleme", Method (Slh Editloll) Volcme 2 . Solld

19 FilHe Elernem Merhoo (Sth CUHlV"1 'u'u "" ) , flwld DynalTllCS

20 Fim and ExploslOn Halards or Industnal

Fire Retardant Matenals-

2122 FlUid Mechanics and Thennodynamlcs 01 Turoomachll1ery (4th Edition)

,-------

23 Fluoroplastics, Volume 1 ' Non-Melt Proces$lble Fluoroplastlc

24 Fluoroplastics, Vblume 2 ' Mel!

25 Functional and Smart Matenals ' Stluctural Evoluuon and Slrucrure AnatySls

26 1--' _ ,.. 01

27 Funda l1emals 01 Polymer Englneenng

Gudelínes for Analyzing and Managll19 Irle Secunty of Fixed Chetnlcal Sit¿~

2829 Handbook 01 Adhesive Bonded Stlueturat Repalr

30 Handbook 01 Adhesives and Sealants

31 Handbook 01 AdheSlves Raw Materials (2nd Editibn)

32 Handbook ol Analytical Tecl1nlques In Concrete Sc;ence and Technolbgy

33 Halldbook 01 Carbon, Graphlte, Díamond and Fullerenes

34 Han<lbook 01 C"ramlc Grindin9 and Polishln9

3S Handbook 01 Chemtcat ProcesSing Equlpmenl

36 Handbook 01 Chemlcal Vapor OepoSltion

CO 4- Knov81

1 Handbook 01 Composltes (2nd Edltion)

2 Handbook 01 Compound SemIconductor;¡

3 Halldbook 01 Corrosion Englneenng

4 Halldbook 01 OepoSltion Technotogles for Fllms and Coallngs (2nd Edilion)

5 Handbook el Etnergency Response lo Toxlc ChemlGaI Releases

6 Handbook 01 Evaporarion Technotogy

7 Handbook 01 Filler;¡ , A Oetinltive User'. GUlde and Oalabook (2nd Edítion)

8 Handbook 01 Hard Coatings

9 Handbook 01 Hazardous Chemlcat Properues

10 Handbook 01 Hazardous Malenals Spdls Technology

11 , 01

12 ' 01 Industnal

Handbook 01 Magneto-Optlcal Data Recoro"I9- "-13

14 Handbook 01 Malenal Wealhenn9 (Jrd Edltlon)

15 Handbook 01 Materials lor ProducI OeSl\ln

16 Handbook 01 Mattlema!ical Functions ..,111 Fomlulas. Graphs, al1d Malr,emaUC41 Tables

17 Halldbook 01 Mold, Tool and Oie Repa" Weldll1g

18 , 01 Molded Pan Sh"nl,,'']e and Warpa'Je

19 • 01 Organlc Solve!"

20 , 01 Palnl Raw Malena/s (2nd Edil""')

21 Handbook 01 PhYSlcalVapor (PVO) ">

22 .,IV'" o/ Plaj¡ma Proct::S:iHlg.~ --

23 Handbook 01 Plastlc Foams

24 Handbook 01 PlastlclzefS---

25 . of Plastics Jomlng

. ca 5 - Knov,,!

1 01 POlymer Coatlng' for

2 01 I Concrete and Mortars

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--CO 7 Knovel

1 Mo jern Physlcal and Matenal, ~ '~"'~

¡Mojern Plastics JV

Maten;;ls and Polenlial Applicalíons

Natural Agelng 01 Rubber . Changes 'n Physical , Over 40 Years

New Fibers (2nd Edition)

Optical Sensors and Microsystems

Palnt and Surlaee Coatings (2nd Editlon)

Parlíde Oeposilion and Measurement, Modelling and Símulatíon

, 01 Plastles and

, Stress , Factars (2nd Edillan)

Piping Handboak (7th Edíhon)

Plant Engrneers Relerenee Book (2nd Edltíon)

Plastíe Wastes Management, Control, Reeyding and Disposal

Plaslies - Mic.r0stnlcture and Engineenng Applícatlons (2nd Edition)

Plastics Addrtives - An A-Z Rererenee

Plasllcs Addrtives An Industnal GUlde (Jrd Edlllon) Volume 1

Plastics Addi~ves - An Induslnal Guide (Jrd Edition) Volume 2

Plasti~s AddHives - An Industnal GUlde (Jrd Edltion) Volume J

Plaslics DeSlgn Handbook

Plastics Engineering (Jrd Edrtlon)

Plastios Fallure - Analysis and Preventicn-

Pla'tics Malenal, (7th Edition)

Plastics Processing Oata Handbook (2nd Editlon)

PoIymer Characterization - Labcralory Technrques and Analysis

PolyrTi"r Reinlorcemem

PoIymers lrom Biobased Matenals

CO 8 - Knovel

Polypropylene - An A-Z Relerence

Polypropylene - The Oefinrtive User' Guide and Oatabook

Pnnaples of Engrneenng Mechamos (2nd Editlon)

Pr.;ctical GUlde to Ihe A.sessment of Ihe Useful L~e of Rubbers

Prccess Engtneering Equipment Handbook

Prccess-Industnal Inslruments and Controls Handbook (5th Edltion)

Processing and Preperlles 01 LC Polymers and LCP Based Blends

Pump Handb?ük (Jrd Edltlon)

Pumping SI"llon Oe51gn (2nd Edition)

Puntication ol'laboratory Chemlcal. (5th Edition)

Rapra Collection 01 ose Thermograms

Rapra Collectlon of Inlrared Spectra (2nd Editlcn)

Rare Equa!ions 01 Reac!ions

IReactlve ''j af Polymers

Pecyding af PIastiC Matenals

Recyding ot PVC and Mixed P\astlc \Naste

Resin Transfer Moulding

Rh.""tagy Fundamentals

Rheology Modifiers Handbook Practlcal Use and Applicallon

Rh"ology 01 Filled Polymer Systems

Ro"rk'~ Formulas lor Stress and Straln (7th Edition)

Roofing Handbook (2nd Edltionj

Rotational Molding Tecl1nology

Rubber Formuiary

SemIconductor Materials and Pracess Technology Handbook

Smart Fibre" Fabncs and Clolhlng

~it:l1scnianPhyslcal Tables (gth Revise<l Edition)

Sp',claiízed Molding Techmques

SP~ Plastics Englneering Handbook (5th Edi!ion)

CO 9 - Knov"l

23456789

1011121314151617181920212223242526

1234

567

89

1011121314

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