sábado, junio 17, 2006

Resumen

Los términos alta y baja temperatura son completamente relativos respecto a nuestro propio medio natural. Lo que se considera una alta temperatura para metales de bajo punto de fusión (como estaño y plomo) puede considerarse como una baja temperatura para un metal de alto punto de fusión ( como el tungsteno). Por tanto, los metales con menor punto de fusión exhibirán características a bajas temperaturas que requerirán temperaturas relativamente mayores para otros metales; por ejemplo, una temperatura de aproximadamente 1000 ºF puede ser necesaria para recristalizar hierro después de trabajar en frío, pero el estaño y el plomo recristalizarán a la temperatura ambiente o cerca de ella. Las propiedades de los metales generalmente se determinan a temperatura ambiente, y la idea que se tenga respecto a los metales se basa en su comportamiento a temperaturas normales. Cuando se cambia la temperatura, llegando a ser mayor o menor, los cambios en el comportamiento de los metales ocurren a menudo y pueden afectar seriamente su aplicación específica.

Metales a Altas Temperaturas

1.1 Pruebas a Temperatura Elevada

El comportamiento que se observa en los metales al someterlos a esfuerzos a altas temperaturas depende de la duración del periodo de prueba. Como la expectación de vida de las piezas de maquinaria suele ser alta, no es posible llevar a cabo un ensayo por muchos años para determinar qué utilizar en la construcción actual. Es necesario extrapolar basándose en ensayos de tiempos más cortos; sin embargo, esta extrapolación debe hacerse con gran cuidado a partir de pruebas que proporcionen datos útiles. Esto es especialmente difícil para aplicaciones a alta temperatura, ya que ocurrirán cambios en el comportamiento conforme transcurra el tiempo a la temperatura de trabajo.
En las pruebas a alta temperatura, es necesario determinar la dependencia de la resistencia límite (resistencia a la ruptura) y la resistencia a la cedencia (resistencia a la fluencia) respecto al tiempo de aplicación del esfuerzo.
Se han diseñado muchas pruebas para realizar estudios a alta temperatura, pero las más ampliamente utilizadas son:
A) Pruebas de fluencia con pequeñas deformaciones: bajas rapideces de esfuerzos y deformación durante largos periodos.
B) Pruebas de esfuerzo-ruptura (fluencia-ruptura) con mayores deformaciones: intensidades mayores de esfuerzos y deformación durante periodos más reducidos.
C) Pruebas tensiles de tiempo corto con grandes deformaciones: rapideces de esfuerzos altos y deformaciones severas disponibles con el tiempo usual de pruebas de tensión.

1.1.1 Pruebas de fluencia

La fluencia es una propiedad de gran importancia en los materiales para aplicaciones a alta temperatura. Puede definirse como un flujo plástico lento y continuo, bajo condiciones constantes de carga o esfuerzo. La fluencia generalmente se asocia con una rapidez de tiempo de deformación que continúa aún bajo esfuerzos inferiores a la resistencia de cedencia nominal a la temperatura específica a la cual está sujeto el metal. Ocurre a cualquier temperatura, aunque su importancia depende del material y del grado en que se quiera evitar que la deformación continúe.
Una prueba de fluencia es simplemente una prueba de tensión efectuada a carga y temperatura constante. Hay un medio para medir la elongación de la muestra con mucha precisión y un medio para calentar la muestra bajo condiciones estrechamente controladas. La fluencia total o porcentaje de elongación se grafica contra el tiempo, cubriendo para ello la duración completa de la prueba.

1.1.2 Pruebas de esfuerzo-ruptura

Estas pruebas tienen por objeto determinar la capacidad de un material para resistir la fractura a altas temperaturas. En las pruebas de esfuerzo-ruptura, las cargas son suficientemente altas para producir rupturas comparativamente rápidas. El tiempo utilizado suele estar entre 10 y 400 hr, aunque algunas pruebas se pueden efectuar en 1000 hr.
Una serie de muestras son rotas a cada temperatura de interés, bajo carga constante, seleccionando los esfuerzos de tal manera que las fracturas se presenten a partir de unos minutos hasta varios cientos de horas. Los resultados generalmente se grafican en coordenadas log-log y, si no ocurren cambios estructurales durante el periodo de prueba, la relación entre el esfuerzo de ruptura y tiempo y la ruptura efectiva es lineal.
Las principales diferencias entre las pruebas de esfuerzo-ruptura y las de fluencia son el tiempo de prueba, el nivel de rapidez de esfuerzo o deformación, y la sensibilidad de control y medición de temperatura, carga y deformación. Antes de la fractura es posible determinar la elongación como función del tiempo, como en una prueba ordinaria de fluencia. De estos datos, también se puede determinar la rapidez de fluencia en condiciones estables o mínima rapidez de fluencia para esfuerzos muy altos.

1.1.3 Pruebas de tensión en tiempos cortos

Estas pruebas se utilizan para estudiar el efecto de calentar una muestra y probarla bajo intensidades de deformación disponibles en la máquina ordinaria de pruebas tensiles. Las propiedades elásticas a altas temperaturas no son reales, ya que sus valores dependen del tiempo entre las aplicaciones de las cargas, y su precisión depende de la sensibilidad del extensómetro. La duración del ensayo suele ser de sólo unos minutos, y los efectos importantes del tiempo en que permanece sometido a la temperatura no se miden. La prueba de tensión en corto tiempo falla en predecir lo que sucederá en un periodo más corto o más largo y, por tanto, tiene poca aplicación. La prueba algunas veces se utiliza para una rápida estimación de materiales a fin de garantizar que sea conveniente un estudio ulterior, y la resistencia tensil de tiempo corto se emplea a menudo como el punto 0.1 hr. Sobre una curva de ruptura.

1.2 Propiedades de fluencia de varias aleaciones

Los aceros al carbono y los aceros de baja aleación tienen amplias aplicaciones a temperaturas moderadas en especial inferiores a 900 ºF. Un incremento en el contenido de carbono mejora la resistencia de fluencia a temperaturas inferiores cuando los carburos están presentes en forma laminar. Lo contrario es cierto a temperaturas superiores cuando los carburos están esferoidizados. La estructura recomendada de aceros al carbono para servicio a temperatura alta es la normal. La estructura recocida parece ser menos estable y tiende a esferoidizarse más rápidamente, reduciendo la resistencia de fluencia. Utilizar aluminio como desoxidador en la manufactura de acero tiende a producir grano fino, el cual disminuye la resistencia de fluencia. Las adiciones de aluminio deben mantenerse bajas, y su efecto es reducido considerablemente por la presencia de manganeso y molibdeno.
En los aceros de baja aleación, que contienen menos del 10% de aleación, el molibdeno y el vanadio son muy efectivos en aumentar la resistencia de fluencia. El contenido de carbono generalmente se mantiene a menos del 0.15%. El acero con 0.5% de molibdeno se utiliza para tubería y tubos de sobrecalentadores a temperaturas hasta de 850ºF. Por encima de esta temperatura, la esferoidización y la grafitización tienden a tener lugar, con una reducción en la resistencia de fluencia. La adición de 1% de cromo a este acero incrementa la resistencia a la grafitización, y el acero se puede utilizar para tubería y tubos para caldera a temperaturas hasta de 1000ºF.
Los aceros al cromo-molibdeno-vanadio que contienen hasta 0.5% de carbono se utiliza en la condición de normalizado y revenido, o templado y revenido. Tienen resistencia de cedencia y de fluencia relativamente altas y son adecuados para pernos, rotores para turbinas de vapor y otras piezas que funcionan a temperaturas hasta de 1000ºF.

domingo, abril 02, 2006

Metales a Bajas Temperaturas

2.1 Efecto de la baja temperatura sobre las propiedades mecánicas

Conforme la temperatura disminuye por debajo de la temperatura ambiente normal, aumenta la dureza, la resistencia a la cedencia y, con pocas excepciones, la resistencia límite y el módulo de elasticidad de todos los metales y aleaciones.
Respecto al efecto de la temperatura sobre la ductilidad, los metales se clasifican dentro de dos grupos distintos: los que permanecen dúctiles a bajas temperaturas y los que se hacen frágiles. Un indicio de la cantidad de ductilidad, o deformación plástica, antes de la fractura puede obtenerse de un estudio de la superficie de fractura. Una fractura tipo copa-cono es típica de un material dúctil, el cual ha fallado en esfuerzo cortante después de la deformación plástica bajo condiciones de tensión. Un material frágil falla por clivaje sin evidencia de deformación plástica. Conforme la temperatura disminuye, los metales cúbicos centrados en la cara se fracturan sólo por esfuerzo cortante y muestran un decremento gradual y continuo en ductilidad. Los metales con otras estructuras cristalinas pueden fallar por esfuerzo constante a temperatura ambiente, pero al bajar la temperatura el modo de fractura cambia de esfuerzo cortante (dúctil) a clivaje (frágil). El cambio en fractura aparece a menudo como una caída brusca en ductilidad.
Las fracturas por clivaje de miembros estructurales suelen ser repentinas e inesperadas y generalmente dan como resultado una catastrófica falla de la pieza. Durante la Segunda Guerra Mundial hubo gran interés en este problema cuando un número de barcos soldados fallaron en forma con rapidez casi explosiva. En algunos casos, el barco fue partido en dos. El acero utilizado para placas de barco era dúctil a temperaturas normales; aun así, la falla era de naturaleza frágil, con poca deformación plástica.

2.2 Efecto de la temperatura sobre la prueba de una barra muescada

Si las pruebas sobre acero se hacen a muchas temperaturas, una gráfica de energía absorbida contra temperaturas mostrará generalmente un intervalo de temperatura en que los valores de las cargas aplicadas con impacto caen bruscamente conforme la temperatura disminuye. Al mismo tiempo, el modo de fractura cambia desde un tipo fibroso-cortante predominante hasta uno cristalino-clivaje.
La temperatura a la cual aparece algún nivel específico de absorción de energía o fractura se define como temperatura de transición. En las especificaciones de la ASTM, se define como la temperatura a la cual las muestras exhiben una fractura de 50% por corte y 50% por clivaje. A menor temperatura de transición, mejor es el acero para resistir el efecto de fragilización causado por la concentración de esfuerzos, alta intensidad de cargas o bajas temperatura. El estudio de los datos disponibles para hierro y acero indica que su comportamiento a baja temperatura es afectado por dos clases de variables: Factores metalúrgicos y Factores mecánicos.

2.2.1 Factores metalúrgicos


Los factores metalúrgicos importantes interrelacionados que afectan el comportamiento a baja temperatura del hierro y acero son: la composición, desoxidación, tratamiento térmico y microestructura, condición de la superficie y tamaño del grano.
Al aumentar el contenido de carbono disminuye la resistencia a cargas aplicadas con impacto en una barra muescada a temperatura ambiente y eleva la temperatura de transición. La forma física del carbono también es importante. Cuando la cementita está esferoidizada, parece menos perjudicial para las propiedades a baja temperatura.
El Silicio, en cantidades hasta de 0.3% utilizado para desoxidar aceros, disminuye la temperatura de temperatura de transición y mejora la tenacidad de muesca porque se produce un acero más limpio y un grano ferrítico más uniforme. Mayores cantidades tienen el efecto contrario, y la presencia de 4% de silicio da como resultado una estructura frágil aun a temperatura ambiente.
El uso del aluminio agregado al silicio para la desoxidación del acero parece tener un efecto benéfico sobre la tenacidad de muesca de los aceros al medio carbono. La resistencia de cargas aplicadas con impacto a temperatura ambiente mejora y la temperatura de transición disminuye conforme la cantidad de aluminio se incrementa hasta 0.1% aproximadamente. El tamaño de grano ferrítico relativamente fino encontrando en los aceros al aluminio fundidos y forjados tratados en forma térmica contribuye en mucho a la tenacidad mejorada.
Para un tipo de acero y nivel de resistencia específicos, los aceros de grano fino tienen mayor tenacidad de muesca que los de grano grueso. La temperatura de transición disminuye conforme el tamaño de grano decrece. La condición de grano fino se debe generalmente a una práctica de desoxidación que utiliza silicio, aluminio o vanadio.
El níquel es el elemento de aleación más efectivo para aumentar la resistencia a la fragilización a baja temperatura en el acero y es uno de los elementos de aleación que mejora la ductilidad a baja temperatura del hierro. Las adiciones de níquel al acero incrementan la tenacidad a temperatura ambiente, disminuyen la temperatura de transición y amplían el intervalo de temperatura de transición.
La microestructura óptima para tenacidad a baja temperatura es la de martensita revenida. Esta estructura da la más alta tenacidad y la más baja temperatura de transición, comparadas con otras microestructuras de un acero específico. La tenacidad de muesca de la martensita disminuye al aumentar las cantidades de bainita, en tanto que la austenita retenida tiene sólo un ligero efecto sobre la temperatura de transición.

2.2.2 Factores mecánicos

Los factores mecánicos que afectan los resultados de las cargas aplicadas con impacto sobre una barra muescada son la concentración de esfuerzo y la intensidad de deformación. La concentración de esfuerzo está determinada por lo agudo de la muesca. Disminuir el radio de la muesca aumenta la concentración de esfuerzo, lo cual tiende a producir comportamiento frágil a mayores temperaturas. La intensidad de deformación está determinada por la velocidad de choque del péndulo, y la energía absorbida es muy sensible a la velocidad de choque cuando el acero está cerca de la temperatura de transición. Una velocidad de choque alta tiene el mismo efecto que disminuir la temperatura de prueba y tiende a exagerar el comportamiento frágil.
Para resumir, las propiedades óptimas de tenacidad de muesca se obtienen seleccionando un acero aleado al níquel, de grano fino, de bajo contenido de carbono muerto, el cual he sido templado a una estructura totalmente martensítica y revenido al nivel de dureza deseado.
Se debe destacar que los valores de las cargas aplicadas con impacto sobre una barra muescada son válidas sólo en las condiciones en que se lleve a cabo la prueba. Los resultados no pueden utilizarse en diseño y sirven sólo para comparar factores diferentes bajo aquellas condiciones. Cualquier intento para utilizar estos valores para diferentes estructuras de tamaño o distintas intensidades de deformación debe hacerse con extremo cuidado. Los valores llegan a ser significativos para diseño sólo cuando se correlacionan con una estructura particular en una clase de servicio específica.
Hecho Por:
Jorge Sayegh
Estudiante de Ingeniería de Mtto. Industrial (UGMA)
www.ugma.edu.ve