¿Qué es la fatiga y la fluencia en los materiales?

  • Fatiga : cuando un material se somete a ciclos repetidos de tensión o tensión y su estructura se rompe y finalmente se fractura
  • Fluencia : cuando un material se somete a una carga durante mucho tiempo, puede continuar deformarse hasta que se produzca una fractura repentina

Fatiga

Las fracturas debidas a la fatiga son comunes en piezas cargadas cíclicas como bielas conectadas, cigüeñales, álabes de turbina, ruedas de ferrocarril, etc. Las fracturas ocurren con menos tensión que el material.

  • El límite elástico se define en ingeniería como la cantidad de esfuerzo (punto límite) que puede sufrir un material antes de pasar de la deformación elástica a la deformación plástica .

La mayoría de los aceros tienen un límite de resistencia o fatiga de aproximadamente la mitad de la resistencia a la tracción.

  • Resistencia a la tracción – (Resistencia a la tracción máxima) – de un material es el límite de tensión en el que el material se rompe realmente, con la liberación repentina de la energía elástica almacenada.
AceroBSTratamientoTracción Fuerza
– σ u –
(MPa)
Límite de resistencia
– σ e –
(MPa)
σ e / σ u
0.4% de carbonoBS970 080M40Normalizado5402700.5 0.5
0.4% de carbonoBS970 080M40Endurecido y templado7003400,49
Carbono, manganesoBS970 150M19Normalizado5402500,46
Carbono, manganesoBS970 150M19Endurecido y templado7003250,53
3% de molibdeno de cromoBS970 709M40Endurecido y templado10004800,48
Acero para muellesBS970 735A50Endurecido y templado15006500,43
18.8 inoxidableLaminado en frío12004900,41
  • 1 MPa = 10 6 Pa = 1 N / mm 2 = 145.0 psi (lbf / in 2 )
  • El límite de fatiga , el límite de resistencia y la resistencia a la fatiga se usan para describir la amplitud (o rango) de la tensión cíclica que se puede aplicar al material sin causar una falla por fatiga.

Fluencia

En los materiales dúctiles con deformación horizontal, el esfuerzo crítico se encuentra al inicio de este proceso. En los materiales sin deformación horizontal se determina con el método de desviación. Se establece una recta desfasada 0.2%: ϵ = 0.002, paralela a la pendiente con esfuerzos bajos.

La deformación dependiente del tiempo debido a una gran carga a lo largo del tiempo se conoce como fluencia .

En general, tanto el estrés como la temperatura influyen en la velocidad de fluencia. Normalmente, la resistencia a la fluencia disminuye con la temperatura.

Se puede especificar la deformación por fluencia permisible, típica 0.1% / año para pernos y tuberías de acero

¿Qué es el modulo de Rigidez en los materiales?

Módulo de rigidez – G   – (Módulo de corte) en los materiales es el coeficiente de elasticidad para una fuerza de corte. Se define como

  • “la relación entre el esfuerzo cortante y el desplazamiento por unidad de longitud de muestra (esfuerzo cortante)”

El módulo de rigidez se puede determinar experimentalmente a partir de la pendiente de una curva de tensión-deformación creada durante las pruebas de tracción realizadas en una muestra del material.

La definición de módulo de rigidez:

  • la relación entre el esfuerzo cortante y el desplazamiento por unidad de longitud de muestra (esfuerzo cortante)

Módulo de rigidez de algunos materiales comunes

Material

Aleaciones de aluminio
Módulo de corte
– G –
GPa )
3.9
Módulo de corte
– G –
10 6 psi )
27
Aluminio, 6061-T63.824
Aluminio, 2024-T44.0 4.028
Cobre de berilio6,948
Latón5.840
Bronce6.544,8
Cadmio19
Acero carbono11,277
Hierro fundido5.941
Cromo115
Hormigón3.021
Cobre6.545
Vaso26,2
Vidrio, 96% de sílice2.819
Inconel11,579
Hierro dúctil9.1 – 9.663 – 66
Hierro, maleable9.364
Kevlar2.819
Dirigir1.913,1
Magnesio2,416,5
Molibdeno17,1118
Monel metal9.666
Alpaca6,948
Acero al níquel11,076
Nylon0,594.1
Bronce fosforado5.941
Madera contrachapada0,090.62
Policarbonato0,332.3
Polietileno0,12
Caucho0,0003
Acero estructural11,579,3
Acero inoxidable11,277,2
Acero fundido11,378
Acero, laminado en frío10,975
Estaño18
Titanio, grado 25.941
Titanio, grado 55.941
Titanio, 10% Vanadio6.142
Tungsteno161
Madera, Abeto Douglas1.913
Zinc43
Níquel Z1176
  • 1 GPa = 10 9 Pa = 0.145 x 10 6 psi (lb f / in 2 )
  • 1 x 10 6 psi = 6.9 GPa

Qué es el Coeficiente de Poisson y cómo se calcula?

El coeficiente de Poisson es una cantidad adimensional, característica de cada material. Es un indicativo de la deformación de un trozo de material ante la aplicación de ciertos esfuerzos.

Cuando un trozo material que se somete a una tensión, o a una compresión, sufre una deformación, el cociente entre la deformación transversal y la deformación longitudinal es precisamente el coeficiente de Poisson.

Fórmula del coeficiente de Poisson

Para calcular el coeficiente de Poisson es necesario determinar la deformación unitaria longitudinal y transversal.

La deformación unitaria longitudinal εL es el estiramiento dividido entre el largo original:

εL = (L’ – L) / L

De igual manera, la deformación unitaria transversal εT es el estrechamiento radial dividido entre el diámetro original:

εT = (D’ – D) / D

Por lo tanto, el coeficiente de Poisson se calcula mediante la siguiente fórmula:

ν = – εT / εL 

Relación con el módulo de elasticidad y el módulo de rigidez

El coeficiente de Poisson ν, se relaciona con el módulo E de elasticidad (o módulo de Young) y con el módulo de rigidez G, mediante la siguiente fórmula:

ν = E /(2G) – 1

Relación de Poisson para algunos metales comunes:

MetalCoeficciente Poisson μ
Aluminio0,33
Bronce de aluminio0,30
Berilio0.024 - 0.03
Hierro Fundido Corazón Negro0,26
Bronce0,34
Cobre0,36
Oro0,42
Dirigir0.40 - 0.45
Magnesio0,35
Acero suave0,3
Molibdeno0,32
Latón naval0,34
Níquel0,31
Bronce fosforado0,33
Platino0,39
Plutonio0.15 - 0.21
Plata0,37
Acero inoxidable 304L0,3
Tantalio0,35
Torio0.27
Estaño0,33
Titanio0,3
Tungsteno0.28
Uranio0,21
Hierro forjado0,3
Zinc0.25

¿Qué es el esfuerzo en los materiales y cómo se cálcula?


El esfuerzo es la relación entre la fuerza aplicada y el área de la sección transversal donde está actuando la fuerza aplicada.

Esfuerzo normal

El estrés normal se puede expresar como

σ = FN / A (1)

dónde

σ = esfuerzo normal (N / m 2 , Pa, psi)

FN = fuerza aplicada perpendicular al área – Fuerza normal (N, lb)

A = área de la sección transversal (m 2 , in 2 )

Esfuerzo cortante

El esfuerzo cortante se puede expresar como

τ = FV / A (2)

dónde

τ = esfuerzo cortante (N / m2, Pa, psi)

FV = fuerza aplicada en el plano del área – Fuerza de corte (N, lb)

Ejemplo: esfuerzo normal en una columna él-una viga de acero

Una fuerza de 20000 N está actuando en la dirección de una columna universal británica UB 152 x 89 x 16 con un área de sección transversal de 20,3 cm2. El estrés normal en la columna se puede calcular como

σ = (20000 N) / ((20.3 cm2) (0.0001 m2 / cm2)    

= 9852216.75 Pa (N / m2)    

= 9.8 MPa

El límite elástico, la cantidad de tensión que puede sufrir un material antes de pasar de la deformación elástica a la deformación plástica, es típicamente de 250 MPa para el acero.

Ejemplo: esfuerzo cortante en una viga con carga puntual

Viga con carga puntual – fuerza de corte

Para una viga con carga de un solo punto soportada en ambos extremos, la fuerza de corte Fv (o V en la figura anterior) es igual en magnitud para soportar la fuerza R 1 o R 2 .

Las fuerzas de reacción se pueden calcular debido al momento de equilibrio alrededor del soporte 1

F L / 2 = R 2 L (4)

R 2 = F / 2 (5)

R 1 = R 2 = F / 2 (6)

Para una carga de 10000 N puntos perpendicular en una viga similar al ejemplo anterior, soportada en ambos extremos, la magnitud de la reacción y las fuerzas de corte se pueden calcular como

R 1

= R 2     

= V 1     

= V 2     

= (20000 N) / 2     

= 10000 N     

= 10 kN

El esfuerzo cortante se puede calcular como

τ = (10000 N) / ((20.3 cm2) (0.0001 m2 / cm2)   

= 4926108.37 Pa            

= 4.9 MPa

¿Qué es la nomenclatura de los aceros y para qué sirve?

NOMENCLATURA AISI/SAE

La designación que utiliza AISI/SAE se caracteriza por emplear cuatro dígitos que nos van a indicar los aceros al carbono y aceros aleados. Los dos últimos dígitos indican la cantidad de carbono en centésimas de porcentaje. Para aceros al carbono el primer dígito es 1.

Los aceros al carbono se designan 10xx ( ejemplo 1045 es acero al carbono con 0.45% de carbono). En los aceros aleados los primeros dos dígitos representan los elementos importantes de aleación y sus rangos. en algunas ocasiones se cambia de posición letras después de los dos primeros dígitos para indicar otra característica (B indica Boro, L indica Plomo).

También pueden usarse prefijos ( M indica calidad corriente, E indica horno eléctrico, H indica endurecible)

ACEROS INOXIDABLES

Para los aceros inoxidables se se emplea la categoría AISI que utiliza un código de tres dígitos a veces seguido de una o más letras.

El primer dígito da una pista de la clase de acero. Serie 2xx y 3xx corresponden a aceros austeníticos. La serie 4xx contiene los aceros ferríticos y martensíticos.

El segundo y tercer dígito no están relacionados a la composición ni se sigue una secuencia( ejemplo 430 y 446 son ferríticos mientras que 431 y 440 son martensíticos).

( L indica bajo carbono, N indica nitrógeno, Se indica selenio, H indica mayor cantidad de carbono para alta temperatura).

SISTEMA UNS

Se caracteriza por ser un código alfanumérico que inicia con una letra y sigue por cinco dígitos (todo aleaciones). El número UNS es único para cada aleación e indica una composición.

Los prefijos y sufijos usados en el sistema AISI/SAE han sido convertidos a códigos numéricos.Por ejemplo los aceros al carbono y aceros aleados comienzan con la letra ‘’G’’y son seguidos por los 4 dígitos usados por AISI/SAE. El quinto dígito representa los prefijos o letras intermedias del sistema AISI/SAE. ( E, B y L corresponden a 6, 1 y 4 respectivamente).

Los aceros al carbono y aleados no referidos en el sistema AISI/SAE comienzan con la letra ‘’K’’. Los aceros endurecibles comienzan con la letra ‘’H’’.Para los aceros inoxidables se comienza con la letra ‘’S’’ y los tres primeros dígitos corresponden al código AISI.

Los dos últimos dígitos indican las variaciones sobre el grado básico( ejemplo 304L vs 304) tal como se indicó más arriba.Las aleaciones de níquel comienzan con la letra ‘’N’’ (ejemplo H astelloy C-276, UNS=N 10276).

SISTEMA ASI

Aceros y Aleaciones resistentes a corrosión y temperatura

Para un mismo tipo de acero los productos laminados exigen características del acero diferentes a las del acero para productos moldeados (fundidos).

En los laminados el acero debe ser formado en caliente o en frío con facilidad, mientras que en los moldeados, el acero debe fluir con facilidad.

Esto exige diferencias pequeñas en la composición y se traduce en diferencias en la microestructura (tamaño y forma de granos) de los materiales resultantes.

Los productos moldeados no tienen diferenciasen sus características mecánicas según la orientación.

Uno resistentes a la corrosión y otro resistentes a la temperatura(>649ºC).

El código ACI tiene la siguiente forma X X 00 X X XEl primer símbolo es una letra C: resistente a la corrosión o H : resistente a la temperatura.

El segundo símbolo es una letra con la cual se indica su composición de Ni y Cr (posición en el diagrama ternario Fe-Ni-Cr) y rangos de concentración.El tercer y cuarto símbolo indica el contenido de carbono en centésimas de porcentaje(valor máximo para tipo C, valor promedio para tipo H).

Los tres últimos símbolos a la derecha se reservan para indicar presencia de otros elementos especiales o alguna otra característica ( M es molibdeno, C es columbio, Cu es cobre, W es tungsteno, A indica ferrita controlada, F indica mecanizable).

Ejemplos:

  • CF8 (UNS J92600): resistente a la corrosión,composición F en el diagrama ternario, 0.08%de carbono (similar al 304 laminado).
  • CF8M (UNS J92900): igual al anterior másmolibdeno (similar al 316 laminado)
  • CF3 (UNS J92500): igual al CF8 pero con sólo0.03% de carbono (similar al 304L).
  • CF3M (UNS J92800): igual al CF8M pero consólo 0.03% de carbono (similar al 316L).

Sistema EN (europeo)

El sistema EN trata de unificar los productos en el mercado común europeo, por lo cual se debe disponer de un sistema único de nomenclatura para los aceros y aleaciones.

La nueva forma de designar los aceros está contemplada en en el estándar EN 10027, que consta dedos partes.

  • Parte 1 se refiere a los nombres de los aceros.
  • Parte 2 se refiere a los números únicos de los aceros.

Nombres

Los nombres de los aceros se clasifican en dos clases. Clase 1 los aceros son indicados conforme a su aplicacion y propiedades mecánicas y físicas.

Se usa una o más letras relacionadas a la aplicación,seguida de un número relacionado a alguna propiedad relevante a su uso

En el grupo 2 los aceros son designados de acuerdo a su composición química y se subdividen en cuatro sub grupos según el elemento de aleación:

Clase 1

Aceros sin aleación(excepto acero rápido) Mn< 1%. Se designan con la letra C seguida de un número que es 100x Carbono%.

Clase 2

Aceros sin aleación Mn >1%, aceros de corte, aceros aleados (excepto acero rápido) con cada aleante <5%.

Se designan por un número que es 100x Carbono% seguido por símbolos de los elementos aleantes que lo caracterizan(orden decreciente) cada uno con un número redondo que indica su contenido(es el respectivo % multiplicado por un factor de acuerdo a la tabla siguiente).

Elemento Factor Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10Ce, N, P, S 1000 0 0 1 B

Clase 3

Aceros aleados(excepto acero rápido) con mínimo un aleante >5%.

Se designan con una X seguida de un número que es 100x Carbono% seguido por símbolos de los elementos aleantes que lo caracterizan (orden de creciente) cada uno con un número redondo que indica su contenido.

Case 4

Aceros rápidos. Se designan con las letras HS seguidas por números que indican% aleantes en orden W, Mo, V, Co.

Para ambos grupos si el nombre está precedido por la letra G se refiere a ‘’fundido’’.

Números

Los aceros llevan un número único de la forma 1 .xxxx (similar al W.Nr.).

Los dos primeros dígitos indican el grupo de acero, los dos dígitos siguientes se asignan en secuencia.

  • Aceros no aleados
  • Acero básico 1.00xx
  • Acero de calidad 1.01xx
  • Aceros especiales 1.11xx
  • Aceros aleados
  • Aceros de calidad 1.08xx
  • Aceros especialesp.
  • Herramientas 1.23xx
  • diversos 1.35xx
  • Inox(Corr.Temp.) 1.46xx
  • Estruc., presión, ingen. 1.51xx