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Ensayo de tracción 

Zonas en las que se ha logrado liberar las dislocaciones (bandas de Lüders). No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso  la  transición  entre  la  deformación elástica  y  plástica  del material no se aprecia de forma clara.

Algunos números pueden ayudar: -Una sola dislocación de borde provoca una deformación de 2.48 × 10−7 mm. Entonces, de la definición de límite elástico convencional 0.02%, surge que unas 400.000 dislocaciones deben moverse para producir la deformación de fluencia en una probeta con una longitud calibrada de 50 mm. Los mecanismos que se consideran responsables del límite de fluencia pronunciado en el hierro son esencialmente atomísticos y se aplican estrictamente al movimiento de una o de pequeños grupos de dislocaciones. La correspondiente tensión de fluencia, sería en este caso menor que la que podría medirse con alguna precisión.

Efectos de la velocidad de deformación

En principio, usted podría deformar la probeta a cualquier velocidad, pero existen fenómenos metalúrgicos que limitan los rangos de velocidades que pueden ser utilizados en la práctica.La velocidad de deformación influye en las interacciones entre las dislocaciones y el carbono y el nitrógeno en solución sólida en la red de hierro.En general, la velocidad de deformación utilizada en un ensayo de tracción se ubica entre los límites 10−2 y 10−4 min−1para evitar posibles efectos de envejecimiento por deformación a velocidades de deformación más lentas y el sobrecalentamiento a velocidades mayores. Una vez que la deformación plástica comienza, el aumento de la tensión es menos sensible a la velocidad de deformación y en las salas de ensayo de planta la velocidad de deformación es frecuentemente incrementada para que la tasa de ensayos sea alta. Para los estudios científicos, como en investigación, esto no es usualmente relevante y una velocidad de deformación constante es utilizada a lo largo del ensayo. Esta es la suposición utilizada en este módulo, pero preste atención a posibles diferencias entre datos de planta y datos de laboratorio debidas a la velocidad de deformación.Note que la deformación es adimensional y que la velocidad de deformación está expresada como deformación por unidad de tiempo.Usted habrá notado que la máquina de tracción es calibrada en términos de una velocidad de desplazamiento (o movimiento) de cabezal especificada en mm o cm por unidad de tiempo.

Tensión verdadera - deformación verdadera

Hasta aquí hemos utilizado una definición de deformación tomando como referencia la longitud calibrada inicial. Esta definición es conocida como deformación ingenieril y la tensión correspondiente es conocida como tensión ingenieril. Para la mayoría de las aplicaciones esto es suficiente pero la velocidad de incremento de la tensión, a medida que aumenta la deformación, es una medida de la manera en que la deformación plástica aumenta la resistencia a la fluencia. Para algunas aplicaciones esta propiedad, conocida como endurecimiento por deformación, es muy importante. Necesitamos entonces definir la tensión a una deformación en particular independientemente de las dimensiones iniciales de la probeta.

Esto se hace utilizando valores de tensión verdadera y de deformación verdadera.

La tensión verdadera es determinada dividiendo la fuerza en cualquier punto específico del ensayo por el área de la probeta en el mismo momento, no por el área original, como en la determinación de la tensión ingenieril. La deformación verdadera es definida como el cambio en la longitud con relación a la longitud instantánea más que a la longitud calibrada original.

La tensión es definida como carga, F, por área unitaria, Aσ = F / Apero para cualquier deformación arbitraria el área de sección transversal se reducirá ya que el volumen de la probeta se mantiene igual o:

A0l0 = Al

Por lo tanto:

σ = Fl / A0l0 = F(Δl + l0) / A0l0

pero F/A0 es la definición de tensión ingenieril, por consiguiente:

Tensión verdadera = σ (1 + ε)donde ε = deformación ingenierilLa deformación verdadera es definida de una manera similar

Deformación verdadera = ln(l / l0) = ln(A / A0) Por lo tanto:

Deformación verdadera = ln(1 + ε)

Area Inicial = 2πRL = 2 x 3,14 x 0,5 cm x 6cm = 18,84 cm2

 Esfuerzo Máximo (UTS) = 50 KN x 10 Mpa = 26,53 Mpa 18,84 cm2 x 1 KN

 Tensión Verdadera en Carga Máxima = σ ( 1 + ε) y ε = ln(l/lo )ε = ln(60/50) = 0,079

σ = Fl/Aolo = 50 KN x 6 cm x ( 1 + 0,079) x 10 Mpa = 41,23 MPa 15,7 cm2 x 5 cm x 1 KN

26,53 Mpa

41,23 MPa

HABLEMOS DE DUCTILIDAD

DuctilidadEs la habilidad que un material posee para deformar se plásticamente, es decir, la relación entre la deformación última y la deformación en el punto de cedencia

TenacidadEs la cantidad de energía que un material absorbe antes de fallar

Esfuerzo-deformación: Curva Real

DISEÑO SISMORESISTENTE

Diseño elástico vs. Respuesta inelástica

No es económicamente viable diseñar una estructura con base en fuerzas calculadas con un espectro de respuesta elástico. Si el edificio puede deformarse plásticamente, puede utilizarse fuerzas menores a las elásticas para el diseño.Mientras mayor sea la incertidumbre en la magnitud del sismo esperado, en las propiedades de los materiales y del suelo, mayor deberá ser la energía disipada.Aunque es conveniente que una estructura sufra deformaciones plásticas durante eventos sísmicos severos de baja recurrencia, éstas deben controlarse para evitar el colapso o cualquier efecto que ponga en peligro la vida.

Factores de ductilidad

El factor de ductilidad se define como la relación entre la deformación última y la deformación en el punto de fluencia. Sin embargo, su caracterización no es tan sencilla como en un ensayo simple de tracción directa.En una estructura, las deformaciones pueden ser desplazamientos de un elemento, desplazamientos relativos entre pisos, rotaciones, curvaturas, etc. Los valores numéricos de la ductilidad expresada con base en diferentes tipo de deformación noson los mismos, por lo que es sumamente importante especificar qué tipo de ductilidad se está trabajando en cada caso

Existen muchas propuestas para la definición del punto de fluencia. Entre otros, pueden citarse:• deformación correspondiente a la formación de la primera rótula plástica• deformación al momento del colapso incipiente (estructura perfectamente elástica)• punto de fluencia de una estructura elasto-plástica que absorbe la misma energía que la real.

Cuando hay deformaciones cíclicas el problema se complica

Carretera fracturada (Japón)

Puente colapsado (Guatemala)

Detalle de Columna

Detalles de Columnas

Detalles de Columnas

Terremoto devasta Nueva Zelanda

Edificio Alto Río Chile

Chile

Chile

AUTOPISTASKOBE ( JAPON)

TITANIC

Figure 2. An optical micrograph of steel for the hull of the Titanic in (a—top) longitudinal and (b—bottom) transverse directions, showing banding that resulted in elongated pearlite colonies and MnS particles. Etchant is 2% Nital.

Figure 3. The microstructure of ASTM A36 steel showing ferrite and pearlite. The mean grain diameter is 26.173 µm. Etchant is 2% Nital.

Figure 4.  A  scanning  electron  micrograph  of the  etched  surface  of  the  Titanic  hull  steel showing  pearlite  colonies,  ferrite  grains,  an elongated  MnS  particle,  and  nonmetallic inclusions. Etchant is 2% Nital

Figure 5. A  scanning electron micrograph of  a Charpy  impact  fracture  surface  newly  created at  0°C,  showing  cleavage  planes  containing ledges and protruding MnS particles.

Figure 6. A scanning electron micrograph showing a fractured MnS particle protruding edge-on from the fracture surface.13

Table III. A Comparison of Tensile Testing of TitanicSteel and SAE 1020

Titanic SAE 102011

Yield Strength 193.1 MPa 206.9 MPa

Tensile Strength 417.1 MPa 379.2 MPa

Elongation 29% 26%

Reduction in Area 57.1% 50%

Shear Fracture Percent

Figure 7. Charpy impact energy versus temperature for longitudinal and transverse Titanic specimens and ASTM A36 steel.

Figure 8. Shear fracture percent from Charpy impact tests versus temperature for longitudinal and transverse Titanic specimens and ASTM A36 steel.

Shear Fracture PercentAt low temperatures where the impact energy required for fracture is less, a faceted surface of cleaved planes of ferrite is observed, indicating brittle fracture. At elevated temperatures, where  the energy  to  cause  fracture  is  greater,  a ductile  fracture with a  shear  structure  is observed.  Figure  8  is  a  plot  of  the  shear  fracture  percent  versus  temperature.  There  is  a fairly strong similarity between this figure and Figure 7, which should be expected as they represent the different measurements of the same phenomenon. Using 50% shear fracture area as a reference point, this would occur in ASTM A36 at -3°C, while for the Titanic steel, this  value would occur at 49°C  in  the  longitudinal direction and at 59°C  in  the  transverse direction. At  elevated  temperatures,  the  impact-energy  values  for  the  longitudinal Titanic steel  is  substantially  greater  than  the  transverse  specimens,  as  shown  in  Figure  7.  The difference between the longitudinal and transverse shear fracture percent from the Titanic is much smaller. This suggests that the banding is a more important factor in the results for the impact-energy experiment as compared with shear fracture percent. 

CONCLUSIONSThe steel used in constructing the RMS Titanic was probably the best plain carbon ship plate available in the period of 1909 to 1911, but it would not be acceptable at the present time for any  construction  purposes  and  particularly  not  for  ship  construction.  Whether  a  ship constructed of modern steel would have suffered as much damage as the Titanic  in a similar accident  seems problematic. Navigational aides exist now  that did not exist  in 1912; hence, icebergs would be sighted at a much greater distance, allowing more time for evasive action. If  the Titanic had not collided with  the  iceberg,  it  could have had a career of more  than 20 years as the Olympic had. It was built of similar steel, in the same shipyard, and from the same design. The only difference was a big iceberg. 

Why Did the World Trade Center Collapse? Science, Engineering, and

Speculation

Figure 1. Flames and debris exploded from the World Trade Center south tower immediately after the airplane’s impact. The black smoke indicates a fuel-rich fire (Getty Images).

Figure 2. As the heat of the fire intensified, the joints on the most severely burned floors gave way, causing the perimeter wall columns to bow outward and the floors above them to fall. The buildings collapsed within ten seconds, hitting bottom with an estimated speed of 200 km/h (Getty Images).

But it is very difficult to reach this maximum temperature with a diffuse flame. There is nothing to ensure that the fuel and air in a diffuse flame are mixed in the best ratio. Typically, diffuse flames are fuel rich, meaning that the excess fuel molecules, which are unburned, must also be heated. It is known that most diffuse fires are fuel rich because blowing on a campfire or using a blacksmith’s bellows increases the rate of combustion by adding more oxygen. This fuel-rich diffuse flame can drop the temperature by up to a factor of two again. This is why the temperatures in a residential fire are usually in the 500°C to 650°C range.2,3 It is known that the WTC fire was a fuel-rich, diffuse flame as evidenced by the copious black smoke. Soot is generated by incompletely burned fuel; hence, the WTC fire was fuel rich—hardly surprising with 90,000 L of jet fuel available. Factors such as flame volume and quantity of soot decrease the radiative heat loss in the fire, moving the temperature closer to the maximum of 1,000°C. However, it is highly unlikely that the steel at the WTC experienced temperatures above the 750–800°C range. All reports that the steel melted at 1,500°C are using imprecise terminology at best. 

Figure 4. A graphic illustration, from the USA Today newspaper web site, of the World Trade Center points of impact. Click on the image above to access the actual USA Today feature.

s scientists and engineers, we must not succumb to speculative thinking when a tragedy such as this occurs. Quantitative reasoning can help sort fact from fiction, and can help us learn from this unfortunate disaster. As Lord Kelvin said, “I often say . . . that when you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it; but when you cannot measure it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meager and unsatisfactory kind; it may be the beginning of knowledge, but you have scarcely, in your thoughts, advanced to the stage of science, whatever the matter may be.” We will move forward from the WTC tragedy and we will engineer better and safer buildings in the future based, in part, on the lessons learned at the WTC. The reason the WTC collapse stirs our emotions so deeply is because it was an intentional attack on innocent people. It is easier to accept natural or unintentional tragedies; it is the intentional loss of life that makes us fear that some people have lost their humanity.

FALLAS POR FATIGA

En ciertas utilizaciones industriales se observa que al repetirse ciclos de carga y descarga se genera un debilitamiento de las piezas, incluso cuando las fuerzas aplicadas son mucho menores que la tensión de rotura estática e incluso del límite elástico del material, generando la iniciación y propagación de una grieta hasta el fallo final por fractura.   A este fenómeno se le conoce como fatiga.   Con cada ciclo se resiente la pieza y después de un cierto número de ciclos determinado, la pieza está tan debilitada que rompe por fatiga.

Además, otra de las características del fallo por fatiga y que lo hace especialmente peligroso es que aparece de una forma inmediata, "sin avisar".   Ejemplos de fallo por fatiga los tenemos en máquinas rotativas, tornillos, vehículos, puentes, plataformas marítimas, barcos, alas de aviones, ruedas de ferrocarril y otros productos de consumo.

El análisis de fatiga estructural es una herramienta para evaluar la validez de un diseño o su durabilidad bajo condiciones de carga simples o complejas, conocidas como cargas de servicio.   Los resultados del análisis de fatiga se representan mediante contornos en color que muestran la duración de los ciclos de carga que la estructura puede soportar antes de que se inicie cualquier grieta. 

¿Qué sabes de la fatiga?

1.- La fatiga hace que fallen las piezas sometidas a cargas muy elevadas.

Verdadero Falso ¡Correcto!

La fatiga hace que fallen las piezas después de haber sido sometidas a una carga, no necesariamente elevada, pero que se repite cíclicamente.

2.- La rotura de una pieza por fatiga se produce de forma casi instantánea.

Verdadero Falso ¡Correcto! El problema de la fatiga es que la rotura viene de una forma repentina, sin darnos cuenta de que la pieza va a fallar.

3.- Una de las zonas donde aparece la fatiga es en las uniones metálicas.

Verdadero Falso ¡Correcto! Para que aparezca la fatiga se deben repetir ciclos de carga y descarga. En una unión no se repiten esos ciclos.