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Capítulo 1:

 Prevención de fallas. Materiales y sus propiedades

A la hora de seleccionar un material para una maquina o pieza, hay muchos factores que hay que tener en cuenta, no solo así las características de Esfuerzo y Deformación mencionados en la Parte I de este informe. También se deben considerar muchas veces las propiedades de resistencia de un material, a la corrosión o a la tensión, cosa que no se explayó en la Parte I. Es este el motivo del Capítulo, que no es más que una introducción para un tema para el que se necesitan años de experiencia de campo.

Al someter una probeta a una carga estática de tensión, se genera un gráfico esfuerzo-deformación característico que posee ciertos puntos claves, como se ven a continuación:

Prevención de fallas. Materiales y sus propiedades

Fig. 8

            El punto P recibe el nombre de límite de proporcionalidad (o límite proporcional). Este es el punto en el que la curva comienza primero a desviarse de una línea recta. Hasta ese punto la deformación es elástica, esto es que cuando uno le saca la carga a la probeta esta vuelve a su forma original. El punto E se denomina límite de elasticidad (o límite elástico verdadero), desde ese punto la deformación pasa de ser elástica a semi-elástica como muestra la figura 8. Luego, el punto Y indica el comienzo de la deformación plástica, hasta la rotura del material en el punto F.

            A continuación se presentan algunos parámetros de ensayos de tensión y algunas relaciones útiles:

lₒ      =  longitud calibrada original

lᵢ        =  longitud calibrada correspondiente a una carga Pᵢ cualquiera

Aₒ      =  área transversal original

Aᵢ      =  área transversal mínima bajo la carga Pᵢ.

La deformación relativa o unitaria es, como se menciono en el capítulo 2:

ε= (lᵢ - lₒ)/lₒ                                                                                               (5.1)

ó, para las áreas:

ε = (Aᵢ - Aₒ)/ Aₒ                                                                                                  (5.2)

También existen, o mejor dicho por supuesto, los ensayos de compresión de probetas, que son similares a los ensayos de tensión anteriormente estudiados, y los ensayos de torsión, que representan gráficos denominados diagrama de momento torsionante-ángulo de torsión. El punto máximo del diagrama de torsión, que corresponde al punto U de la figura 8, es Tᵤ. La ecuación

Ssᵤ  =  Tᵤ*r/J                                                                                                                    (5.3)

Donde r es el radio de la barra, y J, el momento polar de inercia de la sección, define el módulo de ruptura para el ensayo de torsión.

La mejor explicación de las relaciones entre esfuerzo y deformación la formuló Datsko. Este investigador describe la región plástica del diagrama esfuerzo-deformación con valores reales mediante la ecuación.

σ=  σₒ*εͫ                                                                                                            (5.4)

donde σ         =  esfuerzo real

            σₒ      =  coeficiente de resistencia o coeficiente de endurecimiento por deformacón

            ε        =  deformación plástica real

            m         =  exponente para el endurecimiento por deformación

La gráfica de esta ecuación en papel log-log da una recta, como se ve en la figura 9. El diagrama presenta tres zonas de interés similares alas estudiadas anteriormente pero vistas con otras herramientas. Estas son: La región elástica sobre la recta AB, designada comportamiento de tipo I, la región plástica sobre la recta Y2C, que define el comportamiento tipo II; y la zona intermedia.

Prevención de fallas. Materiales y sus propiedades

Fig. 9

            En realidad, al respecto del tema de las propiedades de resistencia, características con la temperatura, durabilidad, etc., de los materiales se podrían escribiré volúmenes completos. Existe, en Argentina y en muchos países del mundo la carrera de Ingeniería en Materiales, en las cuales se necesitan de 4 a 5 años de estudio corrido para entender estos temas. Es por eso que el tema de los Materiales y sus Propiedades es realmente extenso e interesante.

            Por otro lado está también el concepto de dureza, o sea, está se mide por la resistencia de una material a la penetración por una herramienta aguda o con punta. Aunque existen muchos métodos para medir la dureza, se considerarán aquí solo los dos de mayor relevancia a la hora de sacar conclusiones concretas al respecto.

            Las mediciones de Grado de dureza Rockwell se realizan fácil y rápidamente, tienen buena reproductibilidad, y el aparato de ensayo es fácil de usar (En definitiva son faciles de entender). Estas consisten en una herramienta o bolilla que penetra en la superficie del material, y con respecto a las características de la muesca resultante se sacan las conclusiones con respecto a la dureza. Las escalas de dureza Rockwell se designan con A, B,C,…., etc. Los penetradores o elementos de penetración se numeran como 1, 2 ó 3, y la carga aplicada es de 60, 100 ó 150 kgf.

            El grado de dureza Brinell (que se designa ) es otra prueba de uso amplio. En cada operación, el penetrador a través del cual se aplica la fuerza es una bola, y el índice de dureza se evalúa como el cociente de la carga aplicada y el área de la superficie esférica en el punto de la penetración. Por lo tanto, las unidades de son iguales a las del esfuerzo, si bien rara vez se indican así. A pesar de durar cierto tiempo, estas pruebas son no destructivas, por lo que son ideales para procesos de fabricación, donde se puede realizar un ensayo pieza por pieza.

            Vamos a tratar ahora un poco más en profundidad las propiedades características de los materiales, así como los tratamientos térmicos que estos pueden recibir, haciendo énfasis en los metales férreos, puesto que son estos los más utilizados.

            El tratamiento térmico del Acero se refiere a las acciones con las que se interrumpe o varía el proceso de transformación descrito por el diagrama de equilibrio. Las operaciones comunes son Recocido, Templado, Revenido y Templado superficial:

Recocido: Consiste en elevar la temperatura del Acero por sobre 55-100° por sobre el punto de equilibrio para homogeneizar la distribución del Carbono en el material, luego se lo deja enfriar en el mismo horno, logrando eliminar esfuerzos remanentes y mejorar la estructura del grano

Templado: Consiste en elevar la temperatura del Acero por sobre 55-100° la temperatura de equilibrio, y enfriarlo de manera medio a muy rápida. De esta manera se aumenta la dureza del material, consiguiendo diferentes configuraciones de grano.

Revenido: Consiste en elevar no mucho la temperatura del Acero, y luego dejarlo enfriar lentamente. Esto sirve para suavizar el material y eliminar esfuerzos remanentes.

Templado Superficial: El objeto de ésta acción es producir una corteza (o superficie exterior) dura en una probeta o una pieza de bajo Carbono, reteniendo al mismo tiempo la ductilidad y/o tenacidad en el núcleo. Esto se logra carburizando la superficie de dicha probeta o pieza con un mechero o elemento carburizante.

            Las aleaciones a base de hierro que poseen por lo menos 12 % de cromo se denominan aceros inoxidables. Las características de estos metales son sus resistencia a muchas condiciones corrosivas. Los cuatro tipos disponibles son los aceros al cromo ferríticos, los aceros al cromo-níquel austeníticos, los aceros inoxidables martensíticos y templables por precipitación.

Los metales férreos tienen características como su resistencia, su bajo costo, su maquinabilidad, la posibilidad de ser utilizados como material de Fundición, etc., que los hacen ser muy utilizados en la Mecánica. Es por eso que existen gran variedad de clasificaciones y tipos de aleaciones de los mismos, que se adecuan a cada o a varias necesidades características a la hora de diseñar una pieza.

            Hay también una amplia gama de metales no férreos que se utilizan en el Diseño Mecánico. Algunos de ellos son el aluminio, con sus aleaciones, las que lo hacen de mucha utilidad como material de fundición, el magnesio y por supuesto el cobre que con sus aleaciones, incluida el Bronce (3% de Silicio y 1 % de Manganeso), los hacen de mucha utilidad para las distintas aplicaciones y/o funciones.

            Para los materiales termoplásticos se puede mencionar lo siguiente:

El término termoplástico se utiliza para designar a un material plástico que se suaviza o es moldeable cuando se le aplica calor; también se aplica algunas veces a plásticos moldeables a presión que se pueden volver a moldear al recalentarlos.

Se llama termoestable ó termofugable a un material plástico para el cual el proceso de polimerización termina en una prensa de moldeo en caliente, donde el material se derrite o licúa a presión. Éstos no pueden ser moldeados de nuevo.

            En la Mecánica se determina teórica y experimentalmente que la existencia de irregularidades ó discontinuidades, ranuras o muescas, aumenta en parte los esfuerzos teóricos significativamente en la inmediata cercanía de la discontinuidad. Estás “muescas” o “muesquitas” luego de ser sometidas a diferentes tipos de esfuerzos llevan al ensanchamiento de las mismas y la posible ruptura o inutilización de la pieza. Un claro ejemplo de esto es cuando se le hace una pequeña incisión a los relojes de pulsera de malla de caucho. Luego de un tiempo, debido a los esfuerzos repetidos de pandeo, compresión y tensión, ésta muesca se ensancha y produce la ruptura de la malla.

            Con estos ejemplos se termina el Capítulo de Materiales y sus Propiedades del presente informe.

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