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CAPITULO I - MATERIALES DE FABRICACION

1.1 ACERO

Acero es la denominacin que comnmente se le da en materiales de ingeniera a una aleacin de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,1 y el 2,1% en peso de su composicin, aunque normalmente estos valores se encuentran entre el 0,2% y el 0,3%. Si la aleacin posee una concentracin de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposicin al acero, son quebradizas y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal relativamente duro y tenaz, con dimetro atmico (dA) de 2,48 , con temperatura de fusin de 1.535 C y punto de ebullicin 2.740 C. Por su parte, el carbono es un material no metlico de dimetro menor (dA = 1,54 ), blando y frgil en la mayora de sus formas alotrpicas (propiedad que poseen determinados elementos qumicos de presentarse bajo estructuras qumicas diferentes, el carbono, que lo hace como grafito, diamante, grafeno y fulereno) (excepto en la forma de diamante). La difusin de este elemento en la estructura cristalina del anterior se logra gracias a la diferencia en dimetros atmicos.

El acero conserva las caractersticas metlicas del hierro en estado puro, pero la adicin de carbono y de otros elementos tanto metlicos como no metlicos mejora sus propiedades mecnicas (fsico-qumicas). .

Existen muchos tipos de acero en funcin del o los elementos de aleacin que estn presentes. La definicin en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el nico aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones especficas reciben denominaciones particulares en funcin de mltiples variables como por ejemplo los elementos que predominan en su composicin (aceros al silicio)), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementacin), de alguna caracterstica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en funcin de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominacin genrica de aceros especiales, razn por la que aqu se ha adoptado la definicin de los comunes o "al carbono" que adems de ser los primeros fabricados y los ms empleados, sirvieron de base para los dems. Esta gran variedad de aceros llev a Siemens a definir el acero como un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia.

Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza, lo que favorece su produccin a gran escala. Esta variedad y disponibilidad lo hace apto para numerosos usos como la construccin de maquinaria, herramientas, edificios y obras pblicas, contribuyendo al desarrollo tecnolgico de las sociedades industrializadas. A pesar de ello existen sectores que no utilizan acero (como la construccin aeronutica), debido a su densidad (7.850 kg/m de densidad en comparacin a los 2.700 kg/m del aluminio, por ejemplo).

1.2 CARACTERSTICAS MECNICAS Y TECNOLGICAS DEL ACERO

Aunque es difcil establecer las propiedades fsicas y mecnicas del acero debido a que estas varan con los ajustes en su composicin y los diversos tratamientos trmicos, qumicos o mecnicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de caractersticas adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genricas:

Su densidad media es de 7850 kg/m. En funcin de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir. El punto de fusin del acero depende del tipo de aleacin y los porcentajes de elementos de

aleacin. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusin de alrededor de 1.375 C, y en general la temperatura necesaria para la fusin aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros elementos de aleacin. (excepto las aleaciones eutcticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rpido funde a 1.650 C.

Su punto de ebullicin es de alrededor de 3.000 C. Es un material muy tenaz (,la tenacidad es la energa total que absorbe un material antes

de alcanzar la rotura, por acumulacin de dislocaciones. En mineraloga la tenacidad es la

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resistencia que opone un mineral u otro material a ser roto, molido, doblado, desgarrado o suprimido, siendo una medida de su cohesin) especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.

Relativamente dctil (propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metlicas o materiales asflticos, los cuales bajo la accin de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse). Con l se obtienen hilos delgados llamados alambres.

Es maleable (la propiedad de un material slido de adquirir una deformacin mediante una compresin sin fracturarse). Se pueden obtener lminas delgadas llamadas hojalatas. La hojalata es una lmina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electroltica, por estao.

Permite una buena mecanizacin en mquinas herramientas antes de recibir un tratamiento trmico.

Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su lmite elstico.

La dureza de los aceros vara entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleacin u otros procedimientos trmicos o qumicos entre los cuales quiz el ms conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un ncleo tenaz en la pieza que evite fracturas frgiles. Aceros tpicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rpidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnolgicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y ockwell, entre otros.

Se puede soldar con facilidad. La corrosin es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma

facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidacin hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosin mejorada como los aceros de construccin corten aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables..

Posee una alta conductividad elctrica. En las lneas areas de alta tensin se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando ste ltimo la resistencia mecnica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalacin.

Se utiliza para la fabricacin de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantacin si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetizacin artificial se hace por contacto, induccin o mediante procedimientos elctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrtico s se le pega el imn, pero al acero inoxidable austnitico no se le pega el imn ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atrada por los imanes. Los aceros inoxidables contienen principalmente nquel y cromo en porcentajes del orden del 10% adems de algunos materiales aleantes en menor proporcin.

Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresin: L = t L, siendo a el coeficiente de dilatacin, que para el acero vale aproximadamente 1,2 105 (es decir = 0,000012). Si existe libertad de dilatacin no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatacin est impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae segn un coeficiente de dilatacin similar al coeficiente de dilatacin del hormign, por lo que resulta muy til su uso simultneo en la construccin, formando un material compuesto que se denomina hormign armado El acero da una falsa sensacin de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecnicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

1.2 FORMACIN DEL ACERO, DIAGRAMA HIERRO-CARBONO (Fe-C)

En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusin (homogeneizacin) tienen

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tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos crticos -temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones - por mtodos diversos.

En la Tabla 1.1 se presentan las fases de la aleacin de hierro-carbono, as como algunos tipos de acero y otras aleaciones a base de acero.

Tabla 1.1 Fases de aleacin, tipos y aleaciones de acero

Fases de la aleacin hierro - carbn Austenita - (hierro-. duro) Ferrita - (hierro , blando) Cementita - (Carburo de hierro Fe3C) Perlita 88% ferrita, 12% cementita Ledeburita (ferrita, cementita eutctica, 4.3% carbn) Bainita Martensita

Tipos de acero Acero al carbono (0.03 2.1% C) Acero corten (para intemperie) Acero inoxidable (aleado con cromo) Acero micro aleado (HSLA baja aleacin, alta resistencia) Acero rpido (muy duro, tratamiento trmico)

Otras aleaciones Hierro dulce (prcticamente sin carbn) Fundicin (>2.1% C) Fierro dctil (grafito esferoidal)

1.2.1 Micro-constituyentes

El hierro puro presenta tres estados alotrpicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente:

Hasta los 911 C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominacin de hierro o ferrita. Es un material dctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferro-magntico hasta los 768 C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeas cantidades de carbono.

Entre 911 y 1400 C cristaliza en el sistema cbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominacin de hierro o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagntico.

Entre 1400 y 1538 C cristaliza de nuevo en el sistema cbico centrado en el cuerpo y recibe la denominacin de hierro que es en esencia el mismo hierro pero con parmetro de red mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado lquido.

Si se aade carbono al hierro, sus tomos podran situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de ste ltimo; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto qumico definido y que recibe la denominacin de cementita de modo que los aceros al carbono estn constituidos realmente por ferrita y cementita.

En la Fig. 1.1 se muestra el diagrama de transformacin del acero. La estructura del acero puede ser variada solo con la influencia de la temperatura.

En esta Fig. 1.1 se puede observar la zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama de equilibrio meta-estable hierro-carbono. Dado que en los aceros el carbono se encuentra formando carburo de hierro se han incluido en abscisas las escalas de los porcentajes en peso de carbono y de carburo de hierro (en azul).

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1.2.2 Transformacin de la austenita

Figura 1.1 Diagrama de transformacin del acero

El diagrama de fases Fe-C muestra dos composiciones singulares: Un eutctico (composicin para la cual el punto de fusin es mnimo) que se denomina

ledeburita y contiene un 4,3% de carbono (64,5 % de cementita). La ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleacin cuando el contenido en carbono supera el 2% (regin del diagrama no mostrada) y es la responsable de la mala forjabilidad de la aleacin marcando la frontera entre los aceros con menos del 2% de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no forjables y fabricadas por moldeo). De este modo se observa que por encima de la temperatura crtica A320 los aceros estn constituidos slo por austenita, una solucin slida de carbono en hierro y su microestructura en condiciones de enfriamiento lento depender por tanto de las transformaciones que sufra sta.

Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutctico pero en estado slido, donde la temperatura de transformacin de la austenita es mnima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5% de cementita) y se denomina perlita. Est constituido por capas alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecnicas intermedias entre las de la ferrita y la cementita.

La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de aleaciones de acero: Aceros hipoeutectoides (< 0,77% C). Al enfriarse por debajo de la temperatura crtica A3

comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales) de austenita y al alcanzar la temperatura crtica A1 la austenita restante se transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.

Aceros hipereutectoides (>0,77% C). Al enfriarse por encima de la temperatura crtica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.

1.2.3 Otros micro-constituyentes

Las texturas bsicas descritas (perlticas) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos trmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes:

La martensita es el constituyente tpico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantnea al enfriar rpidamente la austenita. Es una solucin sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitucin de la estructura

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cbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente ms duro de los aceros.

Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aqulla.

Tambin se puede obtener austenita por enfriamiento rpido de aleaciones con elementos gammgenos (que favorecen la estabilidad del hierro ) como el nquel y el manganeso, tal es el caso por ejemplo de los aceros inoxidables austenticos.

Antao se identificaron tambin la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequea distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han cado en desuso.

1.3 OTROS ELEMENTOS EN EL ACERO

1.3.1 Elementos de aleacin del acero y mejoras obtenidas con la aleacin

Las clasificaciones normalizadas de aceros como la AISI, ASTM u UNS, establecen valores mnimos o mximos para cada tipo de elemento. Estos elementos se agregan para obtener unas caractersticas determinadas como templabilidad, resistencia mecnica, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, soldabilidad o maquinabilidad. A continuacin se listan algunos de los efectos de los elementos de aleacin en el acero:

Aluminio.- se usa en algunos aceros de nitruracin al Cr-Al-Mo de alta dureza en concentraciones cercanas al 1% y en porcentajes inferiores al 0,008% como desoxidante en aceros de alta aleacin.

Boro.- en muy pequeas cantidades (del 0,001 al 0,006%) aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleacin en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado tambin como trampa de nitrgeno, especialmente en aceros para trefilacin, para obtener valores de N menores a 80 ppm.

Cobalto.- muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades magnticas de los aceros. Se usa en los aceros rpidos para herramientas y en aceros refractarios.

Cromo.- Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la resistencia a la corrosin. Aumenta la profundidad de penetracin del endurecimiento por tratamiento termoqumico como la carburacin o la nitruracin. Se usa en aceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. Tambin se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como mbolos, ejes, etc.

Molibdeno.- es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, as como su tenacidad. Los aceros inoxidables austenticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosin.

Nitrgeno.- se agrega a algunos aceros para promover la formacin de austenita. Nquel.- Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al

impacto. El nquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosin.

Plomo.- el plomo no se combina con el acero, se encuentra en l en forma de pequesimos glbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fcil mecanizacin por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15% y 0,30% debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0,5% debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Se aade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.

Silicio.- aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.

Titanio.- se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura.

Tungsteno.- tambin conocido como wolframio. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y dursimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14

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al 18 %, proporciona aceros rpidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.

Vanadio.- posee una enrgica accin desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, traccin y poder cortante en los aceros para herramientas.

1.3.2 Impurezas en el acero

Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composicin de los aceros. Se encuentran en los aceros y tambin en las fundiciones como consecuencia de que estn presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleacin. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mnimas.

Azufre.- lmite mximo aproximado: 0,04%. El azufre con el hierro forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita, da lugar a un eutctico cuyo punto de fusin es bajo y que, por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente, dicho eutctico se encuentra en estado lquido, lo que provoca el desgranamiento del material.

Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que el hierro por lo que en lugar de FeS se forma MnS que tiene alto punto de fusin y buenas propiedades plsticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente cinco veces la concentracin de S para que se produzca la reaccin. El resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundicin menos porosa, y por lo tanto de mayor calidad.

Aunque se considera un elemento perjudicial, su presencia es positiva para mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el porcentaje de azufre es alto puede causar poros en la soldadura.

Fsforo: lmite mximo aproximado: 0,04%. El fsforo resulta perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como tambin por formar FeP (fosfuro de hierro). El fosfuro de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutctico ternario denominado esteadita, el que es sumamente frgil y posee punto de fusin relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitindole al material su fragilidad.

Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la ductilidad y la tenacidad, hacindolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar la resistencia a la tensin y mejorar la maquinabilidad.

1.4 DESGATE

Es la degradacin fsica (prdida o ganancia de material, aparicin de grietas, deformacin plstica, cambios estructurales como transformacin de fase o recristalizacin, fenmenos de corrosin, etc.) debido al movimiento entre la superficie de un material slido y uno o varios elementos de contacto.

1.5 TRATAMIENTOS DEL ACERO

1.5.1 Tratamientos superficiales

Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la atmsfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de los componentes de acero para protegerles de la oxidacin y corrosin. Muchos tratamientos superficiales estn muy relacionados con aspectos embellecedores y decorativos de los metales.

Los tratamientos superficiales ms usados son los siguientes: Cincado.- tratamiento superficial antioxidante por proceso electroltico o mecnico al que se

somete a diferentes componentes metlicos. Cromado.- recubrimiento superficial para proteger de la oxidacin y embellecer.

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Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la chapa de acero. Niquelado: bao de nquel con el que se protege un metal de la oxidacin. Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeas de acero, como la

tornillera. Pintura: usado especialmente en estructuras, automviles, barcos, etc.

1.5.2 Tratamientos trmicos

Un proceso de tratamiento trmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecnicas de dureza, tenacidad y resistencia mecnica del acero. Los tratamientos trmicos cambian la microestructura del material, con lo que las propiedades macroscpicas del acero tambin son alteradas.

Los tratamientos trmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su composicin qumica son:

Temple.- el proceso que comprende el calentamiento de los metales o las aleaciones en estado slido a temperaturas definidas, mantenindolas a esa temperatura por suficiente tiempo, seguido de un enfriamiento a las velocidades adecuadas con el fin de mejorar sus propiedades fsicas y mecnicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento trmico son, bsicamente, el acero y la fundicin, formados por hierro y carbono. Tambin se aplican tratamientos trmicos diversos a los slidos cermicos.

Revenido.- Es el tratamiento trmico efectuado sobre un producto templado con el fin de obtener modificaciones que le confiera las caractersticas de empleo deseadas. El ciclo trmico se compone de las siguientes etapas: a) calentamiento hasta una temperatura determinada pero inferior a A1, b) uno o varios mantenimientos a una o varias temperaturas determinadas, c) uno o varios enfriamientos hasta la temperatura ambiente (generalmente al aire, agua o aceite).

El objetivo del revenido es mejorar la tenacidad de los aceros templados, a costa de disminuir la dureza, la resistencia mecnica y su lmite elstico. En el revenido se consigue tambin eliminar, o por lo menos disminuir, las tensiones internas del material producidas a consecuencia del temple. El proceso completo de temple ms revenido se conoce como bonificado, que como su nombre lo indica, mejora o beneficia el acero, aumentando su vida.

La temperatura de revenido es por encima de 650C, se obtiene estructura de grano grueso, al bajar la temperatura de revenido, se van obteniendo estructuras cada vez ms finas y ms duras, en trminos generales la temperatura de revenido vara entre 200 y 650 C. La duracin del revenido para un acero dado, la permanencia a la temperatura del revenido depende de la forma y dimensiones de la pieza, en general, para los aceros con contenido medio de carbono se recomienda una hora, ms una hora por pulgada de espesor.

Recocido.- Todos los tipos de realizacin del tratamiento trmico, que tienen como consecuencia un refrigeramiento lento generalmente luego de calentar la pieza de trabajo a una temperatura determinada, se denominan como recocido. Como el calentamiento se debe realizar lentamente, uniformemente y enrgicamente, se prefieren especialmente hornos como fuente trmica, que tengan dispositivos de medicin de la temperatura. Si no existe ninguna posibilidad de medir la temperatura exactamente, se debe valorar entonces de forma aproximada basndose en la coloracin del material durante el calentamiento:

Normalizado.- es un tratamiento trmico que se emplea para dar al acero una estructura y unas caractersticas tecnolgicas que se consideran el estado natural o inicial del material que fue sometido a trabajos de forja, laminacin o tratamientos defectuosos. Se hace como preparacin de la pieza para el temple.

El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 30 y 50 grados centgrados por encima de la temperatura crtica superior, tanto para aceros hipereutectoides, como para aceros hipoeutectoides, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformacin completa en austenita. A continuacin se deja enfriar en aire tranquilo, obtenindose una estructura uniforme. Con esto se consigue una estructura perltica con el

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grano ms fino y ms uniforme que la estructura previa al tratamiento, consiguiendo un acero ms tenaz. Es lo que llamamos perlita fina (observar un diagrama TTT, de la fase austenita y posteriormente realizar una isoterma a una temperatura determinada).

Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento trmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersin en aceite o el uso del aire como refrigerante.

El mtodo del tratamiento trmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales.

Segn ese mtodo, en algunos sistemas de clasificacin, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es indicativo del uso de aceite (del ingls: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo (Shock resistant).

1.5.3 Tratamientos termoqumicos

Los tratamientos termoqumicos son tratamientos trmicos en los que, adems de los cambios en la estructura del acero, tambin se producen cambios en la composicin qumica de la capa superficial, aadiendo diferentes productos qumicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmsferas especiales. Entre los objetivos ms comunes de estos tratamientos estn aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el ncleo ms blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosin.

Cementacin (C).- aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentracin de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmsfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona perifrica, obtenindose despus, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el ncleo.

Nitruracin (N).- al igual que la cementacin, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrgeno en la composicin de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 C, dentro de una corriente de gas amonaco, ms nitrgeno.

Cianuracin (C+N).- endurecimiento superficial de pequeas piezas de acero. Se utilizan baos con cianuro, carbonato y cianato sdico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 C.

Carbonitruracin (C+N): al igual que la cianuracin, introduce carbono y nitrgeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoniaco (NH3) y monxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

Sulfinizacin (S+N+C).- aumenta la resistencia al desgaste por accin del azufre. El azufre se incorpor al metal por calentamiento a baja temperatura (565 C) en un bao de sales.

1.6 ENSAYO DE TRACCIN

El ensayo de traccin de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de traccin creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. Este ensayo mide la resistencia de un material a una fuerza esttica o aplicada lentamente. Las velocidades de deformacin en un ensayo de tensin suelen ser muy pequeas ( = 104 a 102 s1).

En un ensayo de traccin pueden determinarse diversas caractersticas de los materiales elsticos:

Mdulo de elasticidad: o Mdulo de Young, que cuantifica la proporcionalidad anterior. Coeficiente de Poisson: que cuantifica la razn entre el alargamiento longitudinal y el

acortamiento de las longitudes transversales a la direccin de la fuerza. Lmite de proporcionalidad: valor de la tensin por debajo de la cual el alargamiento es

proporcional a la carga aplicada.

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Lmite de fluencia o lmite elstico aparente: valor de la tensin que soporta la probeta en el momento de producirse el fenmeno de la cedencia o fluencia. Este fenmeno tiene lugar en la zona de transicin entre las deformaciones elsticas y plsticas y se caracteriza por un rpido incremento de la deformacin sin aumento apreciable de la carga aplicada.

Lmite elstico (lmite elstico convencional o prctico): valor de la tensin a la que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.) en funcin del extensmetro empleado.

Carga de rotura o resistencia a la traccin: carga mxima resistida por la probeta dividida por la seccin inicial de la probeta.

Alargamiento de rotura: incremento de longitud que ha sufrido la probeta. Se mide entre dos puntos cuya posicin est normalizada y se expresa en tanto por ciento.

Estriccin: es la reduccin de la seccin que se produce en la zona de la rotura.

Normalmente, el lmite de proporcionalidad no suele determinarse ya que carece de inters para los clculos. Tampoco se calcula el Mdulo de Young, ya que ste es caracterstico del material; as, todos los aceros tienen el mismo mdulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes.

La Fig. 1.2 muestra una probeta de ensayo de cobre antes y despus del proceso de testeo.

Figura 1.2 a)Probeta de cobre antes del ensayo de traccin, b) Probeta de cobre fracturada despus del ensayo de traccin.

1.7 CURVA DE TENSIN - DEFORMACIN

En el ensayo se mide la deformacin (alargamiento) de la probeta entre dos puntos fijos de la misma a medida que se incrementa la carga aplicada, y se representa grficamente en funcin de la tensin (carga aplicada dividida por la seccin de la probeta). En general, la curva tensin-deformacin as obtenida presenta cuatro zonas diferenciadas:

1. Deformaciones elsticas: Las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta, son de pequea magnitud y, si se retirara la carga aplicada, la probeta recuperara su forma inicial. El coeficiente de proporcionalidad entre la tensin y la deformacin se denomina mdulo de elasticidad o de Young y es caracterstico del material. As, todos los aceros tienen el mismo mdulo de elasticidad aunque sus resistencias puedan ser muy diferentes. La tensin ms elevada que se alcanza en esta regin se denomina lmite de fluencia y es el que marca la aparicin de este fenmeno. Pueden existir dos zonas de deformacin elstica, la primera recta y la segunda curva, siendo el lmite de proporcionalidad el valor de la tensin que marca la transicin entre ambas. Generalmente, este ltimo valor carece de inters prctico y se define entonces un lmite elstico (convencional o prctico) como aqul para el que se produce un alargamiento prefijado de antemano (0,2%, 0,1%, etc.). Se obtiene trazando una recta paralela al tramo proporcional (recto) con una deformacin inicial igual a la convencional.

2. Fluencia o cedencia. Es la deformacin brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenmeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleacin bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plsticamente. Alcanzado el lmite de fluencia se

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logra liberar las dislocaciones producindose la deformacin bruscamente. La deformacin en este caso tambin se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrndose en las zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de Luders). No todos los materiales presentan este fenmeno, en cuyo caso la transicin entre la deformacin elstica y plstica del material no se aprecia de forma clara.

3. Deformaciones plsticas: si se retira la carga aplicada en dicha zona, la probeta recupera slo parcialmente su forma quedando deformada permanentemente. Las deformaciones en esta regin son ms acusadas que en la zona elstica.

4. Estriccin. Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de la probeta aprecindose una acusada reduccin de la seccin de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarn acumulndose hasta la rotura de la probeta por esa zona. La estriccin es la responsable del descenso de la curva tensin-deformacin; realmente las tensiones no disminuyen hasta la rotura, sucede que lo que se representa es el cociente de la fuerza aplicada (creciente) entre la seccin inicial y cuando se produce la estriccin la seccin disminuye, efecto que no se tiene en cuenta en la representacin grfica. Los materiales frgiles no sufren estriccin ni deformaciones plsticas significativas, rompindose la probeta de forma brusca. Terminado el ensayo se determina la carga de rotura, carga ltima o resistencia a la traccin: la mxima resistida por la probeta dividida por su seccin inicial, el alargamiento en (%) y la estriccin en la zona de la rotura.

La Fig. 1.3 muestra la curva de tensin deformacin para un tipo de acero.

Figura 1.3 a) Curva tensin-deformacin, b) Diagrama de tensindeformacin tpico de un acero de bajo lmite de fluencia.

Otras caractersticas que pueden caracterizarse mediante el ensayo de traccin son la resilencia (en ingeniera, la resilencia es una magnitud que cuantifica la cantidad de energa por unidad de volumen que almacena un material al deformarse elsticamente debido a una tensin aplicada) y la tenacidad, que son, respectivamente, las energas elstica y total absorbida y que vienen representadas por el rea comprendida bajo la curva tensin-deformacin hasta el lmite elstico en el primer caso y hasta la rotura en el segundo.

1.8 ESFUERZOS

La constitucin de la materia de los slidos presupone un estado de equilibrio entre las fuerzas de atraccin y repulsin de sus elementos constituyentes (cohesin). Al actuar fuerzas exteriores, se rompe el equilibrio interno y se modifican la atraccin y repulsin generndose por lo tanto una fuerza interna que tender a restaurar la cohesin, cuando ello no ocurre el material se rompe.

1.8.1 Clasificacin de los esfuerzos:

a) Esfuerzos normales: Son producidos por cargas que tienden a trasladar a las secciones transversales en un determinado sentido. Entre ellos se tiene a la traccin, compresin y flexin.

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Traccin y compresin: Se obtiene cuando las fuerzas exteriores, de igual magnitud, direccin y sentido contrario, tienden a estirar (traccin) o aplastar (compresin) el material segn el eje en que actan.

Flexin: Tiene lugar cuando se producen pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan el giro de las secciones transversales con respecto a las inmediatas

b) Esfuerzos tangenciales: Son generados por pares de cargas, que actan en el plano de las secciones transversales y tienden a producir sus giros o deslizamientos. Torsin: Se origina por efecto de pares que actan sobre los ejes de las secciones

transversales, produciendo el giro de las mismas en sus planos. Corte: Las fuerzas actan normales al eje del cuerpo, desplazando entre s las secciones

inmediatas.

1.9 COEFICIENTE DE SEGURIDAD

Para impedir que un material pueda exceder su lmite elstico se limita el esfuerzo a una fraccin de ste, o bien a un determinado valor bajo condiciones de seguridad. El divisor kS es el coeficiente de seguridad, sus valores dependen de las caractersticas del material, la naturaleza del esfuerzo y de las condiciones de trabajo. En el hierro y el acero S vara de 2 a 3 o bien de 2 a 1,5; para fundicin de 7 a 10 y para maderas y las rocas de 7 hasta 20 en casos muy desfavorables.

1.10 TENSIN ADMISIBLE

El cociente entre el lmite elstico por el coeficiente de seguridad es la tensin mxima que se acepta para que un material trabaje en condiciones de seguridad. Esta tensin se llama tensin admisible o coeficiente de trabajo.

En la Tabla 1.2 se presentan los valores de las tensiones admisibles para diversos tipos de materiales.

Tabla 1.2 Tensin admisible para algunos materiales

Valores de Tensin admisible

Material Traccin Compresin Flexin Corte

Hierro 750 a 1000 750 a 1000 750 a 1000 600 a 800

Aceros - perfiles - chapas 750 a 1800 750 a 1800 750 a 1800 600 a 1200

Fundicin gris 250 500 a 1000 ---------- 200

Cobre 400 a 600 600 a 700 ---------- 300 a 500

Pino tea 60 a 100 40 a 60 40 a 100 10 a 35

Granito ---------- 40 a 60 ---------- ----------

Caliza ---------- 15 a 60 ---------- ----------

Ladrillo prensado ---------- 10 a 12 ---------- ----------

Ladrillo comn ---------- 5 a 6 ---------- ----------

Hormign simple ---------- 10 a 40 ---------- ----------

Hormign armado 35 a 60 35 a 75 35 a 70 35 a 60

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1.11 CLASIFICACIN DE LAS CARGAS

En la Tabla 1.3, se presentan las definiciones sumarias para diversos tipos de cargas.

Tabla 1.3 Cargas y definicin.

TIPO DE CARGA DEFINICIN Esttica Acta en reposo

Dinmica Acta en movimiento

Permanente Carga esttica que acta constantemente y con la misma intensidad

Intermitente Carga cuya intensidad vara de cero a un mximo

Instantnea Cuando acta repentinamente con toda su intensidad, pero sin choque

Variable Carga cuya intensidad oscila desde un mnimo que no es cero a un mximo

Alternada Su intensidad varia desde un mximo positivo a un mximo negativo

Concentrada Acta en un punto

Distribuida Repartida en la superficie