Si la carga correspondiente al punto I se aplica de nuevo, el material se deformará elásticamente en valor ?e. Por tanto, en el punto I la deformación unitaria total consiste en las dos componentes ?p y ?e y está dada por la ecuación
?= ?p + ?e
Este material puede ser descargado y recargado cualquier número de veces desde el punto I y hasta éste. Por lo tanto,
?e= si/E
El labrado en frío de un material produce un nuevo conjunto de valores para las resistencias, como puede verse en los diagramas esfuerzo – deformación. Si el punto I está a la izquierda del punto U, es decir; si Pi
S´y = Pi/A´i = so?mi Pi<=Pu
Debido al área reducida, es decir, debido a A´i
S´u= Pu/A´i
Puesto que Pu= Su Ao, se halla, con la ecuación :
S´u = SuAo/Ao(1-w) = Su/(1-W) ?i<=?u
Lo cual es válido cuando el punto I está a la izquierda del punto U.
EFECTOS DE LA TEMPERATURA
La resistencia y la ductilidad, o la fragilidad, son propiedades afectadas por la temperatura del entorno de la operación.
Se ha realizado numerosos ensayos de metales férreos sometidos a cargas constantes con temperaturas elevadas durante lapsos prolongados. Se encontró que las probetas se deformaban permanentemente durante los ensayos, aún cuando en ocasiones los esfuerzos reales eran menores que la resistencia cedente del material evaluada en pruebas de corto tiempo realizadas a la misma temperatura. Esta deformación continua bajo la carga se llama flujo plástico( en inglés creep).
El diagrama se obtiene a una temperatura constante especificada. Un cierto número de ensayos suele efectuarse simultáneamente con distintas intensidades de esfuerzo. La curva presenta tres regiones o etapas. En la primera están incluidas la deformación elástica y plástica. En esta etapa ocurre un flujo decreciente que se debe al endurecimiento por deformación. En la segunda etapa se tiene una variación mínima constante del escurrimiento que proviene del efecto de recocido. En la tercera, la probeta experimenta una considerable reducción de área transversal, se intensifica el esfuerzo y el escurrimiento plástico acentuado conduce finalmente a la ruptura.
SISTEMAS DE DESIGNACIÓN NUMÉRICA
En 1975 la SAE publicó el Unified Numbering System for Metals and Alloys (UNS); este sistema también contiene referencias interrelacionadas para otras especificaciones de materiales. El UNS emplea un prefijo literal para designar el material.
En el caso de los aceros, los dos números que siguen al prefijo literal indican la composición, excluyendo el contenido de carbono. Las diversas composiciones utilizadas en los aceros son las siguientes:
G10 acero al carbono simple | G46 acero al níquel-molibdeno |
G11 acero al carbono de corte libre con mayor cantidad de azufre o fósforo | G48 acero al níquel-molibdeno |
G13 acero al manganeso | G50 acero al cromo |
G23 acero al níquel | G51 acero al cromo |
G25 acero al níquel | G52 acero al cromo |
G31 acero al níquel-cromo | G61 acero al cromo-vanadio |
G33 acero al níquel-cromo | G86 acero al cromo-níquel-molibdeno |
G40acero al molibdeno | G87 acero al níquel-molibdeno |
G41acero al cromo-molibdeno | G92 acero al manganeso-silicio |
G43 acero al níquel-cromo-molibdeno | G94 acero al níquel-cromo-molibdeno |
El segundo número indica el contenido aproximado de carbono (en centésimas de 1%).
PROCESO DE TRABAJO EN CALIENTE
Por trabajo ( o labrado) en caliente se entienden aquellos procesos como laminado o rolado en caliente, forja, extrusión en caliente y prensado en caliente, en los cuales el metal se caldea en el grado suficiente para que alcance una condición plástica y fácil de trabajar.
El laminado en caliente se usa por lo general para obtener una barra de material con forma y dimensiones particulares.
El extrusionado es el proceso por el cual se aplica una gran presión a un lingote metálico caliente, haciendo que fluya en estado plástico a través de un orificio restringido.
El forjado o forja es el trabajo en caliente de metales mediante martinetes, prensas o máquinas de forja. En común con otros procesos de labrado en caliente, la forja produce una estructura de grano refinado que da por resultado una mayo resistencia y ductilidad. Las piezas forjadas tienen mayor resistencia por el mismo peso.
PROCESO DE TRABAJO EN FRÍO
El trabajo (o labrado) en frío significa la conformación de un metal a baja temperatura (por lo general, la temperatura del ambiente). En contraste con las piezas producidas por el trabajo en caliente, las que se labran en frío tienen un acabado nuevo brillante, son más exactas y requieren menos maquinado.
Las barras terminadas en frío se producen por rolado, estirado, torneado, esmerilado y pulimentado. Con mucho el mayor porcentaje de productos se elaboran por procesos de laminado y estirado en frío.
Muchas formas diferentes de barras laminadas o roladas en caliente pueden ser empleadas para el estirado en frío.
El rolado y el estirado en frío tienen el mismo efecto sobre las propiedades mecánicas. El labrado en frío da por resultado un gran incremento en la resistencia de fluencia, acrecienta la resistencia última y la dureza, y disminuya la ductilidad.
El recalcado es un proceso de trabajo en frío en el cual el metal se acumula por impactos. Por lo general, esta operación se usa para formar las cabezas de tornillos y remaches. El roscado por laminación es un proceso para obtener una rosca o filete por compresión y rolado de una pieza base. El rechazado es la operación para conformar material laminar de forma circular, alrededor de una forma rotatoria. Estampado es el término que se emplea para describir operaciones de troquelado como silueteado, acuñado, conformado y estirado poco profundo.
TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO
El tratamiento térmico se refiere a acciones con las que interrumpe a varía el proceso de transformación descrito por el diagrama de equilibrio.
Las operaciones comunes de tratamiento son recocido, templado, revenido y templado superficial.
Recocido Cuando un material se somete a trabajo en frío o en caliente, se inducen esfuerzos remanentes o residuales y, además, el material generalmente adquiere una gran dureza debida a estas operaciones de labrado.
Se mantiene a esta temperatura por un tiempo suficiente para que el carbono quede disuelto y difundido a través del material. El objeto tratado se deja enfriar luego lentamente, por lo general en el mismo horno en el que fue tratado. Si la transformación es completa, se dice entonces que se tiene un recocido total. El recocido se emplea para suavizar un material y hacerlo más dúctil, para eliminar esfuerzos remanentes y para refinar la estructura del grano.
Templado la rapidez de enfriamiento es el factor que determina la dureza. Una rapidez de enfriamiento controlada en un material caldeado constituye el proceso que recibe el nombre de templado. Las dos sustancias más utilizadas para templar son el agua y el aceite.
La eficacia del endurecimiento depende del hecho de que cuando la austenita se enfría no se transforma instantáneamente en perlita, sino que se requiere tiempo para iniciar y completar el proceso. Cuando el material es enfriado rápidamente hasta 200 C° o menos, la austenita se transforma en una estructura llamada martensita. Ésta es una solución sólida sobresaturada de carbono en ferrita, y es la clase de acero más dura y resistente.
Revenido cuando una probeta de acero ha sido endurecida totalmente resulta ser dura y frágil en extremo y con esfuerzos resultantes altos. El acero queda inestable y tiende a contraerse al envejecer. Esta tendencia aumenta cuando la probeta se somete a cargas aplicadas exteriormente debido a que los esfuerzos resultantes contribuyen aún más a la inestabilidad. Dichos esfuerzos internos pueden ser eliminados por un proceso de calentamiento ligero llamado de alivio de esfuerzos.
Después de que la probeta ha sido endurecida totalmente por el templado desde arriba de la temperatura crítica, se recalienta a una temperatura inferior a la crítica durante cierto tiempo y luego se deja enfriar al aire tranquilo.
Templado superficial el objeto de esta acción de endurecimiento es producir una corteza dura en una probeta o una pieza de acero de bajo carbono, retenido al mismo tiempo la ductilidad y la tenacidad en el núcleo. Esto se logra aumentando el contenido de carbono en la superficie, es decir, carburizándola. El proceso consiste en introducir la pieza por caburizar en el seno de un material carburizante durante un tiempo y a una temperatura establecidos, dependiendo de espesor de la corteza que se desee y de la composición de la pieza.
ACEROS ALEADOS Y ELEMENTADOS DE ALEACIÓN
Los aceros aleados no sólo poseen propiedades físicas más convenientes, sino que también permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento térmico.
Cromo la adición del elemento cromo origina la formación de diversos carburos de cromo que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil que un acero de la misma dureza producido simplemente al incrementar su contenido de carbono. La adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura.
Níquel la adición de níquel al acero amplía el nivel crítico de temperatura, no forma carburos u óxidos. Esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El cromo se utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y ductilidad proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que aporta el cromo.
Manganeso el manganeso se agrega a todos los aceros como agente de desoxidación y desulfuración, pero si el contenido de manganeso es superior a 1%, el acero se clasifica como un acero aleado al manganeso. Reduce el intervalo crítico de temperaturas.
Silicio este elemento se agrega como desoxidante a todos los aceros. Cuando se adiciona a aceros de muy baja cantidad de carbono, produce un material frágil con baja pérdida por histéresis y alta permeabilidad magnética. El uso principal del silicio es, junto con otros elementos de aleación, como manganeso, el cromo y el vanadio, para estabilizar los carburos.
Molibdeno el molibdeno forma carburos y también se disuelve en ferrita hasta cierto punto, de modo que intensifica su dureza y la tenacidad. El molibdeno abate sustancialmente el punto de transformación. Debido a esta abatimiento, el molibdeno es de lo más eficaz para impartir propiedades deseables de templabilidad en aceite o en aire. Exceptuando al carbono, es el que tiene el mayor efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad.
Vanadio es un fuerte desoxidante y promueve un tamaño fino de grano, también acrecienta la tenacidad del acero. El acero al vanadio es muy difícil de suavizar por revenido, por lo que se utiliza ampliamente en aceros para herramientas.
Tungsteno (wolframio) este elemento se emplea mucho en aceros para herramientas, por que la herramienta mantendrá su dureza aún cuando estuviera candente o al rojo. Produce una estructura densa y fina, impartiendo tenacidad y dureza.
ACEROS INOXIDABLES RESISTENTES A LA CORROSIÓN
Aleaciones a base de hierro y que contienen por lo menos 12% de cromo se denominan aceros inoxidables. Las características más importantes de estos metales es su resistencia a muchas condiciones corrosivas. Los cuatro tipos disponibles son los aceros al cromo ferríticos, los aceros al cromo-níquel austeníticos y los aceros inoxidables martensíticos y templables por precipitación.
Los aceros al cromo ferríticos tienen su resistencia a la corrosión depende del contenido de dicho elemento. Los aceros de muy alto carbono presentan buena templabilidad, tanto que en los de bajo carbono desaparece.
Con muy altos contenidos de cromo la dureza se hace tan intensa que debe prestarse cuidadosa atención a las condiciones de servicio. Puesto que el cromo es costoso, el diseñador deberá de elegir el contenido de cromo mínimo compatible con las condiciones corrosivas.
Los aceros inoxidables al cromo-níquel retienen la estructura austenítica, por lo que son susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede mejorar notablemente por el trabajo en frío, sólo así serán magnéticos. Todos los aceros al cromo-níquel retienen la estructura austenítica, por lo que no son susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede mejorar notablemente por el trabajo en frío.
MATERIALES PARA FUNDICIÓN
Hierro colado gris de todos los matrices para fundición, el hierro gris es el que más comúnmente se usa debido a su costo relativamente bajo, la facilidad de ser fundido o colación en grandes cantidades y a su fácil maquinado. Las principales objeciones son: su fragilidad y su baja resistencia a la tensión. Este material so se suelda con facilidad debido a que puede agrietarse.
Hierro colado blanco si todo el carbono en un hierro de fundición está en forma de cementita y perlita sin que haya grafito, la estructura resultante se conoce como hierro colado blanco. Se puede producir en dos variedades y uno u otro método dan por resultado un metal con grandes cantidades de cementita, y así el producto será muy frágil y duro para el maquinado, pero también muy resistente al desgaste.
Hierro colado maleable si el hierro fundido blanco se somete a un proceso de recocido, el producto se le llama hierro colado maleable. Un hierro maleable de buena clase puede tener una resistencia a la tensión mayor que 350 Mpa., con una elongación de hasta el 18%. Debido al tiempo que se requiere para el recocido, el hierro maleable necesariamente es más costoso que el gris.
Hierro colado dúctil o nodular se combinan las propiedades dúctiles del hierro maleable y la facilidad de fundición y maquinado del gris, y que al mismo tiempo poseyera estas propiedades después del colado.
El hierro colado dúctil es esencialmente el mismo hierro maleable, sin embargo, el hierro dúctil se obtiene agregando magnesio al metal fundido.
El hierro dúctil tiene un alto módulo de elasticidad( de 172 Gpa). El hierro nodular posee una resistencia a la compresión que es mayor que la resistencia a la tensión, aunque la diferencia no es tan grande. Su intervalo de aplicaciones resulta utilizable en piezas de fundición que requieran resistencia a cargas de choque o impacto.
Hierros colados de aleación el níquel, el cromo y el molibdeno son los elementos de aleación más utilizados con el hierro fundido. El níquel aumenta la resistencia y la densidad, mejora la resistencia al desgaste. Cuando se agrega cromo y níquel, la dureza y la resistencia mejoran sin que haya reducción en la maquinabilidad. El molibdeno aumenta la rigidez, la dureza y la resistencia a la tensión y al impacto.
Aceros para fundición la ventaja del proceso de colado es que piezas con formas complejas se pueden fabricar a un costo menor que por otros medios. Los mismos elementos de aleación que se utilizan en aceros para forja se emplean con los aceros para fundición, a fin de mejorar la resistencia y otras propiedades mecánicas. Las piezas de acero fundido también pueden ser tratadas térmicamente a fin de modificar las propiedades mecánicas y, a diferencia de los hierros fundidos, pueden ser soldadas.
METALES NO FÉRREOS
Aluminio las características sobresalientes del aluminio y su aleaciones son su ventajosa relación de resistencia peso, su resistencia a la corrosión y su alta conductividad eléctrica y térmica.
El aluminio puro tiene una resistencia a la tensión de aproximadamente 90Mpa, pero este valor puede mejorarse en forma considerable por el trabajo en frío y por aleación con otros materiales. El módulo de elasticidad es 71 Gpa, lo que significa que tiene más o menos un terco de la rigidez del acero.
El aluminio se funde a los 660 °C, lo que lo hace muy conveniente para la reducción de piezas fundidas en molde permanente o de arena.
La resistencia a la corrosión de las aleaciones de aluminio depende d la formación de una delgada capa de óxido. Esta película se forma espontáneamente por que el aluminio es muy reactivo.
Los elementos de aleación más útiles para el aluminio son cobre, silicio, magnesio, manganeso y hierro. Las aleaciones del aluminio se clasifican como aleaciones para fundición o aleaciones de forja. Las primeras tienen mayores porcentajes de elementos de aleación, con el fin de facilitar el moldeo, pero esto dificulta el trabajo en frío.
Magnesio la densidad del magnesio es igual a 2/3 de la del aluminio y a ¼ de la del acero. Es el más ligero de todos los metales de uso comercial, su mayor empleo está en la industria aeronáutica. Aunque no tiene gran resistencia a peso es comparable con las más resistentes aleaciones de aluminio o de acero. El magnesio no resiste temperaturas elevadas y su punto de cedencia se reduce en forma notable cuando la temperatura se lleva hasta un valor igual al punto de ebullición del agua. Tiene un módulo de elasticidad de 45Gpa a tensión y compresión. Extrañamente ocurre que el trabajo en frío reduce su módulo de elasticidad.
Aleaciones a base de cobre cuando el cobre es aleado con zinc recibe el nombre de latón. Si se liga con otro elemento, a menudo se denomina bronce. Existen cientos de variedades en cada categoría.
Latones con 5 a 15% de zinc son fáciles de trabajar en frío, en especial los que tienen alto contenido de zinc. Son dúctiles, pero a menudo resultan ser duros para el maquinado. La resistencia a la corrosión es adecuada. Las aleaciones llamados latón de dorar(5% Zn), bronce comercial(10% Zn), y latón rojo(15% Zn). El primero se utiliza, principalmente, en joyería, tiene las misma ductilidad que el cobre pero mayor resistencia. El bronce comercial, se emplea también en joyería y en la fabricación de piezas forjadas y estampadas. Sus propiedades de maquinado son deficientes, pero tiene excelentes propiedades para el labrado en frío. El latón rojo posee buena resistencia a la corrosión, así como resistencia a las altas temperaturas.
Latones con 20% a 36% de zinc en este grupo figuran el latón de bajo zinc(20%), el latón para cartuchos(30%) y el latón amarillo(33%). El latón pobre en zinc es muy semejante al latón rojo, y se utiliza en artículos que requieren operaciones de estirado profundo. El latón para cartuchos es el que tiene la mejor combinación de ductibilidad y resistencia. Aunque la maleabilidad en caliente del latón amarillo resulta deficiente, se puede usar prácticamente en cualquier otro proceso de fabricación y, por tanto, en una gran variedad de productos.
La adición de plomo afecta las propiedades de trabajo en frío y la unión por soldadura. En este grupo se tienen el latón de bajo plomo(32.5%Zn, .5%Pb), el latón de alto plomo (34% Zn, 2%Pb) y el latón de corte libre(35.5%Zn, 3%Pb). El latón de bajo plomo no sólo es fácil de maquinar, sino que tiene además excelentes propiedades para el trabajo en frío. El latón de alto plomo se emplea en la manufactura de piezas de instrumentos diversos, cerraduras y relojes. El latón de corte libre también se utiliza en piezas para tornos automáticos y tiene buena resistencia a la corrosión con excelentes propiedades mecánicas.
Latón con 36 a 40% de zinc los latones con más de zinc son menos dúctiles que el latón para cartuchos y no pueden ser trabajados en frío en forma severa. El metal Muntz es de bajo costo y moderadamente resistente a la corrosión. El metal naval tiene una adición de estaño que contribuye a la resistencia a la corrosión.
Bronces el bronce al silicio tiene propiedades mecánicas iguales a las del acero dulce, sí como buena resistencia a la corrosión. Puede ser trabajado en frío o en caliente, maquinado o soldado. Es útil donde quiera que se necesite resistencia a la corrosión combinada con resistencia mecánica.
El bronce al fósforo, que contiene 11% de estaño y fósforo en pequeñas cantidades, es especialmente resistente a la fatiga y a al corrosión. Tiene alta resistencia a la tensión y también al desgaste.
El bronce al aluminio es una aleación termotratable que contiene hasta 12% de aluminio. Este metal tiene mejores propiedades de resistencia mecánica y a la corrosión que las del latón, y además sus propiedades pueden ser variadas en una amplia gama por trabajo en frío, tratamiento térmico o cambio de composición.
El bronce al berilio es otra aleación termotratable que contiene aproximadamente 2% de berilio. Esta aleación es muy resistente a la corrosión y posee alta resistencia, gran dureza y elevada resistencia al desgaste. Se utiliza en resortes y otras piezas sujetas a cargas por fatiga.
SENSIBILIDAD A LA MUESCA (O ENTALLADURA)
Algunos materiales no son completamente sensible a la presencia de muescas o entalladuras y, por lo tanto, en el caso de que existan éstas puede utilizarse un valor reducido de Kt.
smáx= Kf so
aí que es conveniente considerar a Kf como un factor de concentración de esfuerzo reducido a partir de Kt debido a la menor estabilidad de la muesca. El factor resultante se define por la ecuación:
Kf= esfuerzo máximo en probeta con musca/esfuerzo en probeta libre de muesca
La sensibilidad de la muesca q se define por la ecuación
q= Kf-1/Kf-1
donde q está por lo general cero y la unidad. La ecuación indica que si q=0, entonces Kf=1, y el material tiene sensibilidad completa a la muesca.
Trabajo enviado por:THE DOGGFATHER
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