Comportamiento Mecánico de los Materiales

Ensayo de Tracción

• Esfuerzo nominal (σ) = F/S_o
• Elongación o deformación longitudinal (ε) = (l – l_o)/l_o
• Contracción transversal (ε_d) = (d – d_o)/d_o
• Módulo de elasticidad de Young (E): Relaciona tensiones y deformaciones: σ = E.ε
• Módulo de elasticidad transversal o cizalladura (G): τ = G.γ
• Coeficiente de Poisson (μ) = ε_d/ε
• E = 2G(1 + μ)
• Límite de proporcionalidad (σ_p)
• Límite de fluencia (σ_f): Tensiones máxima y mínima de la zona de fluencia.
• Límite elástico real (σ_e*): Origina una deformación permanente de 0,003%.
• Límite elástico convencional (σ_e): Tras estar 10 segundos, deformación permanente del 0,2%.
• Ductilidad (A) = (l_f – l_o)/l_o
• Tenacidad: Área bajo la curva de tensión-deformación.

Ley de Schmid

τ_c = cizallamiento crítico

τ_max = τ_c = σ_e/2

Si τ < τ_c: Deformación elástica (elástica o viscoelástica)

Factores que influyen en el valor de τ_c:

• Dislocaciones ↓
• Impurezas ↑
• Temperatura (Tª) ↓
• Velocidad de aplicación de la carga, deformación plástica previa ↑

Acritud

Aumento de dureza, resistencia mecánica y límite elástico por deformación en frío (por debajo de la temperatura de recristalización).

%CW = (A_o – A_f) / A_o

Alcanza un estado metaestable eliminable por recocido de recristalización.

A mayor % de trabajo en frío, mayor velocidad de recristalización.

Importante: Los metales con estructura hexagonal compacta (HC) son típicamente más frágiles que los de estructura cúbica centrada en las caras (FCC) y cúbica centrada en el cuerpo (BCC) porque tienen menos sistemas de deslizamiento.

Materiales Fibrados

• C = compuesto
• f = fibra
• m = matriz

Esfuerzo longitudinal: Isodeformación

E_c = E_m%_m + E_f%_f

Transversal: Isostensión

1/E_c = %_m/E_m + %_f/E_f

Carga soportada transversalmente con una presión σ en un área A:

F_fibra = F * (E_f%_f / E_c) = σA * (E_f%_f / E_c)

Deformación: ε = σ/E_c

Difusión en Materiales

Primera Ley de Fick

Para régimen estacionario:

Densidad de flujo (kg/m²s): J_x = -D (coeficiente de difusión, m²/s) dC/dx

La pendiente es constante.

Segunda Ley de Fick

La concentración (C) cambia con el tiempo:

dC/dt = D(d²C/dx²)

donde D = D_OExp(-Q_d/RT)

• D_O = 2 x 10^-5
• Q_d = Energía de activación (J/mol)

(C_x – C_o) / (C_s – C_o) = 1 – erf(X / (2√(Dt)))

Factores que influyen en D:

• Temperatura ↑
• Concentración ↑
• Impurezas
• Estructura cristalina (abiertas ↑D)
• Tamaño de grano (↑Área de borde de grano ↑)

Propiedades Eléctricas y Magnéticas

Propiedades Eléctricas

ΔV = IR

ρ: resistividad

ΔV/ΔL = Iρ/A, donde A: sección

Magnetismo

• Ferromagnéticos: Metales de transición.
• Ferrimagnéticos: Óxidos dobles (suma de dos tipos de óxidos) denominados «ferritas». La más general: MO + Fe₂O₃ = MFe₂O₄

El borde de grano dificulta la orientación de los dominios, por ello contribuye a aumentar el ciclo de histéresis. A menor tamaño de grano, mayor dificultad de movimiento.

• Materiales Magnéticos Blandos: Pequeñas pérdidas de energía, área de ciclo de histéresis pequeña, alta permeabilidad y baja fuerza coercitiva. Fácilmente magnetizables y desmagnetizables. Se usan en núcleos de transformadores sometidos a campos magnéticos alternos.
• Materiales Magnéticos Duros: Se emplean en imanes permanentes, que deben tener alta resistencia a la desmagnetización.

Partes importantes de la curva de imantación-campo (B-H):

• B_s: Densidad de flujo de saturación (B_máx)
• M_s: Magnetización de saturación
• μ: Permeabilidad magnética (pendiente B-H)
• B_r: Densidad de flujo de remanencia (campo externo 0)
• H_c: Coercitividad, campo necesario para que la densidad de flujo sea nula.

1 MPa = 1 N/mm² = 10 kgf/cm² = 0,1 kgf/mm²

Aceros y Fundiciones

Hierro

• Hierro α: Temperatura ambiente a 910ºC. Estructura BCC. Ferromagnético hasta 768ºC (Punto de Curie).
• Hierro γ: 910-1400ºC. FCC. Amagnético.
• Hierro δ: 1400-1535ºC. BCC. Débilmente magnético.

Microconstituyentes en Equilibrio

Carbono Disuelto:

• Ferrita δ: Con hierro δ. Máxima solubilidad: 0,08% a 1492ºC (peritéctica a 0,18 y 0,55).
• Austenita: Con hierro γ. Máxima solubilidad: 2,11% a 1158ºC (eutéctica a 4,3 y 6,7, dando ledeburita). R_m = [88, 105] kg/mm², 300 HB, Alargamiento = [30, 60]%. Carácter no magnético. Dúctil, tenaz y denso.
• Ferrita α: Con hierro α. Máxima solubilidad: 0,025% a 723ºC (eutectoide a 0,8). Mínima solubilidad: 0,008% a temperatura ambiente. R_m = [20, 28] kg/mm², HB = 90, Alargamiento = 35%. Magnética. En diferentes formas: proeutectoide, eutectoide (forma parte de la perlita), matriz rodeando glóbulos de cementita.

Carbono Combinado:

El carbono forma con el hierro un compuesto intersticial denominado cementita: 6,7%C. Estructura ortorrómbica. Microconstituyente duro (>68 HRC) y frágil. Diversas formas:

• Cementita proeutectoide (>0,8%C)
• Cementita eutectoide (parte de la perlita)
• Cementita globular dispersa en una matriz de ferrita
• Cementita terciaria

Perlita

• Microconstituyente eutectoide formado por capas alternas de ferrita y cementita.
• 0,8%C
• R_m = 80 kg/mm², A = 15%, [200, 300] HB (en función de la velocidad de enfriamiento).

Curvas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación)

Existen para una composición y tamaño de grano dados. Indican, para cada temperatura, el tiempo necesario para que se inicie y complete la transformación isotérmica de la austenita en otros microconstituyentes.

Microconstituyentes Fuera de Equilibrio:

• A 700ºC: Ferrita y perlita gruesa.
• Sorbita: Enfriamiento continuo o por transformación isotérmica de austenita en la zona de 650-600ºC. R_m = 88-140 kg/mm², 250-400 HB, A = 10-20%.
• Troostita: Zona 600-500ºC. R_m = 140-175 kg/mm², 400-500 HB, A = 5-10%.
• Bainita: Dos tipos: superior (500-450ºC, aspecto arborescente) e inferior (450-225ºC, aspecto acicular).
• Martensita: (Martempering) Fe: BCC, C: centro de bases y centro de aristas laterales. Enfriamiento rápido de aceros desde alta temperatura (típico de aceros templados). Las propiedades varían con la composición. Aumenta la dureza, resistencia y fragilidad con el contenido en carbono. R_m = 170-250 kg/mm², 50-68 HRC, A = 0,5-2,5%. Aspecto acicular (agujas en zigzag, ángulos de 60º). Cristaliza en el sistema tetragonal. La transformación de austenita en martensita depende exclusivamente de la temperatura; las líneas de las curvas TTT que marcan el avance de la formación de martensita son horizontales.

Factores que influyen en las curvas TTT:

• Composición: La adición de aleaciones tiende a retardar las transformaciones.
  • Elementos que forman carburos (Cr, Mo): Actúan más intensamente en las regiones perlíticas que en las bainíticas, formándose dos «narices».
  • Elementos que forman soluciones sólidas con la austenita (Mn): Retrasan todas las transformaciones.
• Tamaño de grano: Al aumentar, se retrasa el inicio y el fin de las transformaciones.

Tratamientos Térmicos

• Combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento.
• Aplicadas a metales o aleaciones en estado sólido.
• Para inducir cambios microestructurales por transformaciones de fase.
• Con objeto de alterar características y propiedades.

Tipos de Tratamientos:

• Térmicos: Sólo afectada la microestructura, no la composición química (recocido, normalizado, temple, revenido…).
• Termoquímicos: También afectan a la composición química (cementación, nitruración, etc.).

Recocido: Calentamiento a temperatura adecuada y enfriamiento lento. Principales objetivos: ablandar el acero, regenerar la estructura o reducir tensiones internas.

• Austenización completa: Sobre hipoeutectoides.
  • De homogeneización: Eliminación de heterogeneidades químicas. Calentamiento a 200ºC por encima de la temperatura crítica superior. Enfriamiento en horno.
  • De regeneración: Afina el tamaño de grano. Calentamiento 50ºC por encima de la temperatura crítica superior. Enfriamiento en horno.
• Incompleta: Sobre hipereutectoides para ablandar y mejorar la maquinabilidad. Calentamientos prolongados entre las temperaturas críticas superior e inferior, y enfriamientos lentos. La cementita adopta forma globular en una matriz de ferrita.
• Subcríticos:
  • De ablandamiento: Disminución de dureza rápida y barata. Enfriamiento al aire.
  • Contra acritud: Aumento de la ductilidad de aceros deformados en frío. Enfriamiento al aire.
  • Subcrítico globular: En aceros al carbono y de baja aleación, disminución de la dureza (forma una estructura globular). Enfriamiento en horno.
  • De alivio de tensiones o de estabilización: Eliminación total o parcial de tensiones internas. Calentamiento a baja temperatura y enfriamiento al aire.

Normalizado:

• Da las propiedades «normales» para su composición.
• Eliminación de tensiones internas, tamaño de grano uniforme, modificación de la estructura de bruto de colada.
• Calentamiento a una temperatura 50-70ºC sobre la temperatura crítica superior. Enfriamiento en aire tranquilo.
• Para aceros de construcción al carbono o de baja aleación.

Temple: (Se corta al bajar la parte de abajo de la «S» en la curva TTT) Martensita y austenita retenida.

• Endurece y aumenta la resistencia mecánica.
• Calentamiento a una temperatura ligeramente mayor que la temperatura crítica superior.
• Velocidad de enfriamiento superior a la crítica de temple.
• El microconstituyente obtenido es martensita, pudiendo quedar austenita retenida.

Factores que influyen en el temple:

• Composición química.
• A mayor tamaño de grano y porcentaje de elementos de aleación, menor velocidad crítica de temple.
• Temperatura de austenización:
  • Hipoeutectoides: Temperatura superior a la crítica superior.
  • Hipereutectoides: Austenización incompleta, por ello, presencia de cementita residual.
• Tiempo de calentamiento.
• Velocidad de enfriamiento.
• Medio de enfriamiento (agua, aceites, sales, aire).

Templabilidad:

• Penetración en la pieza del tratamiento de temple.
• Depende de los elementos de aleación y del tamaño de grano.

Revenido: Martensita revenida (aumenta la resistencia y dureza sin fragilidad).

• Disminuye la dureza, la resistencia y las tensiones internas.
• Aumenta la tenacidad, la ductilidad y la resiliencia.
• Enfriamiento al aire.

Fragilidad de Revenido:

• Fragilidad en la zona de 250-400ºC. Disminuye la tenacidad debido a una película de cementita que envuelve las agujas de martensita.
• Fragilidad de Krupp: Típica de aceros al Cr-Ni cuando el revenido se efectúa entre 450-550ºC. Para evitarla, se añade Mo (0,15-0,5%).

Recocido Isotérmico: Se enfría hasta la temperatura de tratamiento (600-700ºC) y se mantiene hasta la transformación de la austenita. Para ablandar el acero. Ahorra tiempo.

Austempering: Igual que el recocido isotérmico, pero la temperatura de tratamiento está entre M_s y 450ºC. La estructura bainítica proporciona más tenacidad que las piezas templadas y revenidas con igual dureza.

Martempering: Igual que el austempering, se mantiene a una temperatura 200-300ºC superior a M_s para homogeneizar, pero sin transformación aún. Enfriamiento al aire. Estructura martensítica poco tensionada. Martensita y austenita retenida.