Propiedades qumicas de los metalesLa propiedad qumica ms
importante para uso estructural de un metal es su comportamiento a
la corrosin. La mayora de los metales son bsicas en el
comportamiento qumico (reaccionar con cidos). Pero como se ha
dicho, a causa de las actividades qumicas de los elementos
metlicos,xidos delgadas forman rpidamente en superficies recin
descubiertas de la mayora de los metales. Rutenio, rodio, paladio,
plata, osmio, iridio, platino, y oro son las excepciones. Estos
ocho metales tienen tal actividad bajo qumico que se llaman metales
nobles.Las propiedades fsicas y qumicas de los xidos que se forman
en los metales no nobles, sin embargo, difieren de metal a
metal.Fsicamente, algunos xidos coherentes con fuerza a su metal
comn, mientras que otros fcilmente esquirlas o escamas apagado y
exponen metal comn fresco al aire. Adems, algunos xidos son muy
denso e impermeable a la difusin y permiten muy poco oxgeno
penetren ael metal de base, mientras que otros son muy porosos y
permiten la oxidacin del metal de base para continuar fcilmente.Los
xidos tambin difieren en su comportamiento qumico, y esto afecta a
su compatibilidad con varios ambientes (incluyendopinturas). Muchos
de estos xidos son tambin bsica en el comportamiento qumico. Los
xidos de los metales alcalinos son bases fuertes, mientraslos de
los metales alcalinotrreos son bases moderadamente fuertes. Los
xidos de los metales del grupo 13 de la tabla peridica,tal como
aluminio, son anftero (reaccionar con los cidos y las bases
fuertes). Los xidos de la mayora de los elementos de transicin son
bases dbiles, pero muchos de ellos son anfteros. Esto incluye xido
frrico (Fe2O3), que puede reaccionar con bases fuertes.
Engenerales, los metales ms a la derecha de los xidos forma tabla
peridica que son cada vez ms dbiles. bases Mientras que los xidos
metlicos son protectores en muchas situaciones, tambin debe tenerse
en cuenta que la mayora de los metales estructurales desnudos son
muy qumicamenteactivo, y siempre que su pelcula de xido protectora
se rompe, la reaccin con el medio ambiente puede ser muy
rpida.Comportamiento a la corrosin general de los metalesLos
comportamientos de corrosin generales de varios metales utilizados
en la construccin se discuten a continuacin. Informacin ms
detallada sobrecaractersticas de corrosin se pueden encontrar en
las secciones de este manual que se ocupan de estos metales y sus
aleaciones.El estao tambin est protegido por una capa muy delgada
de xido de (SnO2) que es relativamente impermeable, adherente, y
bastante transparente.Esta capa de xido tiene la buena emitancia
trmica de yacimientos no metlicos, sino porque es muy delgada y
bastante transparente, la superficie tiene casi la misma buena
reflectividad de estao desnudo.Cobre. El producto de corrosin
predominantemente responsable de la proteccin de cobre en ambientes
acuosos es Cu2O.Esta capa de xido no es impermeable, pero es
adherente y proporciona una excelente proteccin contra la corrosin
adicional. En marinosambientes, un atractivo y de proteccin formas
ptina verde, que consiste en una pelcula de cloruro de cobre o
carbonato, a veces con una capa interna de Cu2O.Aluminio. El xido
que las primeras formas sobre aluminio tambin es a la vez muy
impermeable a la difusin y bastante coherente (aunque algunos de
los xido de gris se borre). Por lo tanto, la oxidacin del metal de
base disminuye casi a una parada mientras que la pelcula de xido es
todava tan delgada que es bastante transparente (aproximadamente 1
nm de espesor). El producto de corrosin que se forma en la
superficie demetales desnudo expuesto al aire, sin embargo, rara
vez es un xido simple tal como la capa de barrera delgada de Al2O3
que se forma de aluminio.En aire hmedo, una capa ms permeable de
xido hidratado, Al2O3 3H2O, se forma sobre la capa de xido sobre
aluminio, y es elpropiedades qumicas de estos dos productos de
corrosin que controla el comportamiento qumico de aluminio.Titanio.
El xido que se forma tpicamente sobre titanio en ambientes acuosos
es TiO2, pero puede consistir en mezclas deotros xidos, tales como
Ti2O3 y TiO. La pelcula TiO2 es tpicamente menos de 10 nm de
espesor y, por lo tanto, tambin invisible. Al igual que el estao,
cobre, y aluminio, la superficie de xido tiene tanto buena
emitancia y buena reflectividad. Adems, es impermeableal oxgeno (e
hidrgeno) y es altamente resistente y atac qumica por muy pocas
sustancias.Hierro. En contraste con los metales descritos
anteriormente, el xido que se forma sobre el hierro es mucho menos
densa. Por lo tanto, la capa dexido de hierro-xido es bastante
permeable y se acumula con bastante rapidez a un espesor que se ve
fcilmente (y su color rojizo mejora su visibilidad), y la capa
continuar para espesar hasta que todo el metal de base se
convierte. La roya tambin fcilmente las escamas y se difumina. Este
xido, sin embargo, consiste en xidos hidratados en lugar de xidos
simples, pero estos xidos hidratados puede perder agua debido a
secado y volver a la FeO y Fe2O3 anhidro. Adems, una capa de Fe3O4
(FeO Fe2) 3) a menudo se forma entre el FeO y Fe2O3, y varias
formas cristalinas de FeOOH tambin se ha encontrado que existe en
el complicadosistema de compuestos que se forman en hierro (y
acero). La composicin de esta pelcula de xido y su comportamiento a
la corrosin dependeen la disponibilidad de oxgeno, la humedad, la
temperatura y los niveles de contaminantes atmosfricos presentes.
En ambientes acuosos,pH afecta a la corrosin de hierro y acero.
Mientras que la pelcula de xido ofrece cierta proteccin a hierro y
acero en ambientes alcalinos, el desprendimiento de hidrgeno a bajo
pH tiende a disminuir esta proteccin.Magnesio. La pelcula que las
primeras formas de magnesio es el hidrxido, Mg (OH) 2. Este
hidrxido reacciona entonces con cualquiercido carbnico en el medio
ambiente para formar diversos carbonatos hidratados, incluyendo
MgCO3 H2O, MgCO3 5H2O y 3MgCO3 Mg (OH) 2 3H2O. En atmsferas
contaminadas con compuestos de azufre, sulfitos o sulfatos de
magnesio tales comoMgSO4 7H2O tambin puede estar presente en la
pelcula. Esta pelcula gris es permeable, pero tambin es bastante
adhesivo y no es as de fcilfrotar.El zinc es altamente resistente a
la corrosin atmosfrica debido a la formacin de pelculas de
carbonato bsico insolubles que protegen elsuperficie de
metal.Propiedades mecnicasElasticidad. Cuando un cristal se destac
por una carga interno o externo, la red responde mediante el
movimiento relativo de los tomos (iones) en el mismo de una manera
que tiende a aliviar el estrs. La medida del cambio en el tamao del
objeto de cristal o policristalino causada por el estrs es la cepa.
Cuando se retira la carga, el cristal o el objeto volver a su tamao
original siempre que todos los tomos en el cristal o el objeto
mantienen sus vecinos originales. Cuando se cumple esta
disposicin,la cepa es elstica (el cristal o el objeto ha sufrido
una deformacin elstica) y la cantidad de deformacin es directamente
proporcional ala cantidad de estrs colocado en el cristal o el
objeto. Esta proporcionalidad se llama la ley de Hooke (despus de
Robert Hooke).La relacin entre la tensin aplicada y la deformacin
elstica se denomina el mdulo de elasticidad del material. El mdulo
obtenido bajo tensin unidimensional o carga de compresin se llama
mdulo de Young, E (despus de Thomas Young), mientrasde torsin o la
carga de cizallamiento da el mdulo de rigidez o mdulo de
cizallamiento, el mdulo de G. Young y el mdulo de cizalla estn
relacionadas por la frmula siguiente, que implica la relacin de
Poisson, (despus de Simon Denis Poisson), que es la relacin de la
tensin lateral a axial tensin en un material subrayado:= (E - 2G) /
2GCompresin hidrosttica provoca materiales para contratar en el
volumen. La relacin de la unidad de cambio de volumen a la normal
(perpendicular) tensin de compresin media se llama la
compresibilidad, , del material. La inversa de compresibilidad (la
relacin de la presin normal media sobre el material a su contraccin
unidad) se llama el mdulo de compresibilidad, K, del material. Los
valores de los mdulos elsticos de varios metales se enumeran en la
Tabla 5.Tabla 5 Propiedades mecnicas de los metales seleccionados a
temperatura ambientePlasticidad. Cuando se supera el lmite elstico
del material a granel y no todos los tomos en un cristal o un
objeto bajo estrs mantienen sus vecinos originales (debido a
resbalones y / o hermanamiento), un incremento de la deformacin
plstica se aade a la deformacin elstica decompensar la deformacin
total en el cristal o el objeto. En este punto, se dice que el
material que ha comenzado rendimiento. Luego, cuando else elimina
la carga, los restos de cepas de plstico y el cristal o el objeto
ha sufrido una deformacin permanente, produciendo una deformacin
permanente.Curvas tensin-deformacin. Parcelas de la relacin entre
el estrs nominal aplicada (carga dividida por la seccin transversal
original) ycepa resultante (unidad de deformacin) que se determina
para una muestra de material revelan mucha informacin sobre las
propiedades mecnicas de ese material. Figura 4 muestra una
resistencia a la traccin curva tensin-deformacin tpica de un metal
puro. Se prepara una muestra que tiene una seccin
"Gage"-cross-seccin reducida, se mide el rea de dicha seccin, y una
longitud de calibre estndar(a menudo de 50 mm, o 2 pulg.) est
marcado en la seccin. Tras la carga inicial, el espcimen de metal
se alarga y lateralmente contratos (o lateralmente expande si la
carga est en compresin), y la curva de la tensin frente a la tensin
sigue la lnea de mdulo hasta que llega al lmite de
proporcionalidad, que es esencialmente el mismo punto que el
elstico lmite. Este lmite es tan baja en la mayora de los metales
que es difcil determinar un valor preciso para el mdulo de
elasticidad del metal a partir de una curva tensin-deformacin. Por
lo tanto, este valor de los metales es a menudo determinado no por
una prueba de vibracin snica.Fig. 4 tensin tpica curva de
tensin-deformacin de un metal no ferrosoMetales frgiles, como el
cromo, se fractura durante la carga hasta el lmite elstico en lugar
de mantener la deformacin plstica.Tras la carga de metales dctiles
ms all del lmite elstico, la adicin de la deformacin plstica a la
deformacin elstica hace que eldeformacin total aumente a un ritmo
ms rpido que antes y las curvas de la trama fuera de la lnea de
mdulo. Debido a que tambin es difcilpara determinar en una curva de
tensin-deformacin donde comienza rendimiento, se utiliza una
definicin arbitraria de "ceder". En muchas pruebasnormas, el lmite
elstico de la mayora de los metales se define como la tensin a la
que una lnea paralela a la lnea de mdulo, pero compensadode ella
por 0,2% de deformacin, se cruza con la curva (vase la Fig. 4).Se
debe recordar que la tensin aplicada a la muestra es normalmente el
estrs nominal en lugar de estrs cierto. Enla parte inicial de la
trama, la cantidad de contraccin lateral (adelgazamiento) de la
muestra se distribuye a lo largo de toda laPor lo tanto, la
longitud de ensayo de la probeta y es tan pequea que la tensin
nominal y verdaderos son casi idnticos. Pero en este ltimoparte de
la prueba, estriccin de una probeta de traccin se produce. Es
decir, adelgazamiento comienza a concentrarse cerca de la regin
donde finalmente se producir la fractura. Esta formacin de cuello a
menudo puede convertirse en tan pronunciada que la tensin nominal
disminuir acarga adicional, como se muestra en la Fig. 4, a pesar
de que la tensin verdadera sigue aumentando hasta que se produce la
fractura.Una parcela de estrs tensin nominal frente a deformacin
tal como se muestra en la Fig. 4 veces se llama una curva de
tensin-deformacin de ingeniera para distinguirla de una curva de
tensin-deformacin verdadera (vase tambin la Fig. 5). El punto ms
alto en una curva tensin-deformacin de ingeniera se define en los
estndares de prueba como el de rotura por traccin de la muestra, o
simplemente la resistencia a la traccin. El punto de fractura se
llama resistencia a la fractura o resistencia a la rotura. Tras la
fractura, la energa elstica en el espcimen se libera y la
deformacin elstica se recupera. La cepa de plstico restante en la
muestra, llamado el alargamiento total, se determina entonces
mediante el ajuste de las piezas rotas juntos y la medicin de la
nueva distancia entre las marcas Gage. La reduccin en el rea de la
muestra rotas se determina mediante la medicin de las dimensiones
de la regin rebajada a la fractura y la comparacin de esa rea de la
seccin transversal a la seccin transversal original. Adems de la
traccin y curvas tensin-deformacin de compresin, de vez en cuando
de torsin y / o curvas que llevan se determinan. Tabla 5 se
enumeran los puntos fuertes tpicos y elongaciones totales de varios
metales recocidos.Fig. 5 La verdadera curva de tensin-deformacin
frente a la curva de ingeniera de tensin-deformacinModernos
conceptos de diseo a veces requieren mejores descripciones del
comportamiento tensin-deformacin de lo proporcionado por los
valores tabulares demdulo, resistencia y elongacin. Por lo tanto,
curvas tensin-deformacin a s mismos a veces se reproducen, pero por
lo general slola parte que cubre la primera pequeo tanto por ciento
de alargamiento. Otras veces, la tensin no se muestra en el grfico
final. En su lugar, la pendiente de la curva tensin-deformacin es
descrita por el trazado de la secante o el mdulo de mdulo tangente.
Como se muestra en la Fig. 6, lamdulo tangente se define como la
pendiente de una curva tensin-deformacin en un punto especfico en
la curva; el mdulo secante es lapendiente de una lnea que conecta
el origen de una curva tensin-deformacin con un punto especificado
en esa curva.Fig. 6 tres tipos de relaciones de mdulos que se
pueden derivar a partir de una curva tensin-deformacinLas curvas de
esfuerzo-deformacin de hierro que contiene incluso una pequea
cantidad de carbono son diferentes de las de los metales puros.
Como se vioen la Fig. 7, el punto en el que comienza dando, llamado
el punto de fluencia o lmite de elasticidad superior, est bastante
bien definido. Esto es porque tan pronto como se supera el esfuerzo
correspondiente a este punto, la tensin necesaria para la
deformacin plstica notablementese reduce a un nivel llamado el
punto de menor rendimiento. La trama continuacin, comienza a
aumentar en una curva similar a la de los metales puros. La tensin
en el punto superior de fluencia, en lugar del lmite elstico
inferior, por lo general se presentan como el lmite elstico de
estos materiales.Fig. 7 tensin tpica curva tensin-deformacin para
el hierro que contiene 0,15% de CFluencia es el trmino utilizado
para describir la deformacin plstica dependiente del tiempo, la
fluencia de deformacin, que se produce cuando un material esse
somete a tensin nominal constante. Cuando se aade la cepa de no
dependiente de tiempo que resulta de la carga inicial ala tensin de
fluencia, el resultado se llama deformacin total. (La expansin
trmica que se produce tras el calentamiento a la temperatura de
ensayo,sin embargo, no se incluye). La mayora de pruebas de
fluencia se realiza bajo tensin y a temperaturas que son
relativamente alta para el material que se est probando, y los
trminos de la fluencia de extensin y la extensin total de
utilizacin. Como se muestra en la Fig. 8, la tasa de deformacin por
fluencia durante la carga inicial es bastante rpido, pero disminuye
con el tiempo; esto se llama la fluencia primaria. La velocidad de
fluencia entonces llegauna tasa bastante constante una durante un
perodo de tiempo, que se denomina fluencia secundaria y mnimo. En
la fluencia de tercera etapa o terciariafluencia, la velocidad de
fluencia comienza a aumentar de nuevo y contina aumentando hasta
que la probeta se rompe (si se contina la pruebaa este punto). Las
porciones relativas de el tiempo total a la ruptura tomada por
estas tres etapas depende de varios factores, yen algunas pruebas,
la etapa secundaria se convierte en un punto de la grfica donde
cambia de disminuir a aumentar la curvatura.Fig. 8 Las tres etapas
de una curva de fluenciaLos resultados de ensayos de fluencia se
presentan en una variedad de maneras. A veces, los resultados para
una temperatura dada (especialmente de corta duracin, las pruebas
de alta temperatura) se presentan en forma de curvas de
esfuerzo-deformacin iscronos, que son curvas construidas a partir
de puntos de tiempo igual en las relaciones de tensin-deformacin
determinados en la fluencia de prueba (ver Fig. 9). La
elsticaporcin de tales curvas tensin-deformacin iscronos se agrega
utilizando el valor del mdulo de la temperatura de ensayo
determinadoindependientemente. El estrs que provoca una tensin
especificada a esa temperatura se llama entonces la resistencia a
la fluencia del materialpara esas condiciones. (El trmino
resistencia a la fluencia a veces tambin se utiliza para describir
el estrs que provocar una tasa especificadade fluencia secundaria a
esa temperatura.) Otras veces, los resultados igual-deformacin para
una temperatura dada se representan en tiempo estrsgrficos.Fig. 9
curvas tensin-deformacin iscronas para especmenes de una fluencia
material ensayado a una temperatura dadaCuando se contina un ensayo
de fluencia hasta las rupturas de muestras, la prueba se llama a
menudo la rotura por fluencia o la prueba de rotura por fatiga,y
los resultados se presentan en una parcela de la tensin en funcin
del tiempo a la ruptura.Fatiga. La tendencia de un material para
romper bajo condiciones de esfuerzos cclicos repetidos se llama
fatiga. Fracturas por fatiga son diferentes de las fracturas
dctiles que por lo general resultan de la tensin de fluencia
regular y de carga de la mayora de los metales.En su lugar, la
fractura por fatiga es causada por la propagacin de grietas que
inician en un solo punto o en unos pocos puntos en el material, y
fracturas por fatiga son siempre las fracturas frgiles. La mayora
piezas y muestras de fatiga contienen puntos de concentracin de
tensiones, como la rugosidad de la superficie o cambios en la
seccin de una parte o la muestra, en la que la tensin se concentra
y donde iniciados agrietamiento por fatiga. La cantidad de
concentracin se puede determinar (basado en el comportamiento
puramente elstico) y se reporta como el factor de concentracin de
esfuerzos terica o simplemente el factor de concentracin de
esfuerzos, Kt. El factor de reduccin de la fatiga resistencia o el
factor de fatiga categora pueden determinarse dividiendo la
resistencia a la fatiga de las muestras lisas (sin entalla) por la
resistencia a la fatiga de probetas entalladas. Comparando el
factor de reduccin de la fatiga resistencia a la tericael factor de
concentracin de tensiones da una medida de la sensibilidad del
material a muescas cuando bajo carga cclica; muescasensibilidad es
el factor de fatiga dividido por Kt - 1 y, a menudo se expresa como
un porcentaje.Varios diferentes ensayos de fatiga se han
desarrollado, cada uno diseado para replicar las condiciones de
carga que se encuentran en aplicaciones industriales especficas. La
prueba de rayo giratorio replica la carga axial de un ferrocarril;
la prueba de la placa de flexin, un resorte de lmina; la prueba
axial, bielas y eslabones de la cadena. Algunas pruebas se ejecutan
bajo una carga constante, mientras que otros se ejecutan bajo
constantetensin. Por lo tanto, los valores tabulares de resistencia
a la fatiga o lmite de fatiga son de valor principalmente en la
seleccin del material, en lugar detil en los clculos de diseo
reales.El estrs de una prueba de fatiga por lo general se realiza
un ciclo entre una tensin mxima a la traccin y una tensin mnima a
la traccin o entre unmxima tensin de traccin y una tensin mxima de
compresin. La relacin entre estos dos extremos (donde la compresin
se considera un estrs negativo) se llama la relacin de tensiones,
R. La relacin para el estrs totalmente invertido se convierte en
-1. Otros trminos utilizados para describir una fatiga por tensin
incluyen el estrs (la tensin a medio camino entre los extremos), el
rango de tensin (la variacin de estrs entre los extremos), y la
amplitud de tensin (la variacin estrs entre la tensin media y uno
de los mximos) significa .Los resultados de prueba de fatiga
generalmente se reportan en forma de parcelas de tensin frente a
nmero de ciclos hasta la fractura, denominada SNcurvas. En estas
parcelas, el nmero de ciclos por lo general se representa en una
escala logartmica (y, a veces el estrs es tambin). La mayorametales
tienen curvas SN que muestran continuamente vidas ms largas a
tensiones ms bajas, y la resistencia a la fatiga del material
debeser informado para un nmero dado de ciclos (as como la relacin
de tensiones para la prueba y el factor de concentracin de
esfuerzos si elmuestra contiene una muesca). Para los aceros, sin
embargo, la curva se rompe y se convierte esencialmente en
horizontal en algn estrsnivel llamado el lmite de fatiga (ver Fig.
10).Fig. 10 curvas de fatiga comparativosAlgunos ensayos de fatiga
se llevan a cabo utilizando un enfoque de fractura-mecnica. Esto se
describe en la seccin "Anlisis de Fallas"en este Manual.Tenacidad.
En trminos generales, la dureza es una medida de la cantidad de
energa que un material absorbe durante el esfuerzo parafractura.
Forma de muestras, as como la manera de aplicacin de la carga son
importantes en la determinacin de la tenacidad. Para dinmica(alta
tensin) de los tipos de condiciones de carga y cuando una muesca (o
punto de concentracin de esfuerzo) est presente, resiliencia se
evalu mediante el uso de un ensayo de impacto (vase la seccin sobre
"Pruebas Mecnicas" en este Manual). A medida especial de la dureza
se utiliza en la mecnica de fractura lineales llamados tenacidad a
la fractura (la capacidad de un material para resistir la rotura
cuando unagrieta est presente). Este es un factor de escala, tambin
llamado el factor crtico de intensidad de tensiones, K, que
describe la intensificacinde aplicada la tensin en la punta de una
grieta del tamao y la forma conocida en el inicio de la propagacin
rpida de fisuras. Los detalles de la fracturatenacidad y fractura
mecnica se pueden encontrar en las secciones "Pruebas Mecnicas" y
"Anlisis de Fallas" en este Manual.Para la situacin esttica (bajo
cepa de tasa), la dureza puede determinarse a partir de los
resultados de un ensayo de traccin de tensin-deformacin. esel rea
bajo la curva de tensin-deformacin hasta el punto de fractura.La
dureza es la resistencia de un material a la penetracin de plstico.
Mientras que la medicin de la dureza puede implicar slo un ensayo
de rayado simple o prueba de rebote, por lo general implica la
cantidad de sangra causada por la aplicacin de una fuerza
penetrador de alguna forma y material estndar. Los valores de
dureza son aproximadamente proporcionales a la resistencia de un
metal (vase, porejemplo, las tablas de conversin de la dureza de
los aceros en la seccin "Glosario de trminos y Datos Ingeniera") y
pueden daruna indicacin de sus propiedades de desgaste (resistencia
a la abrasin). Por lo tanto, los valores de dureza pueden ser tiles
durante la seleccin de un material adecuado para una aplicacin.
Tambin son muy tiles durante las operaciones de control de calidad,
pero los valores no pueden seraplicado directamente durante el
diseo de una pieza. Los ensayos de dureza se describen en la seccin
"Pruebas Mecnicas" en este Manual.
