Apuntes ing mat complemento

Apuntes de Ingeniería de materiales complemento

Sistemas de unidades y factores de conversión:

Sistema Internacional de Unidades (SI):
El Sistema Internacional de Unidades tiene varias unidades básicas a partir de las cuales se
derivan las demás. Las unidades básicas de importancia en mecánica son el metro (m) para
la longitud, el segundo (s) para el tiempo y el kilogramo (kg) para la masa.
Otras unidades usadas en mecánica, llamadas unidades derivadas, se expresan en términos
de las unidades básicas de metro, segundo y kilogramo. Por ejemplo, la unidad de fuerza es
el newton, que se define como la fuerza requerida para impartir una aceleración de un metro
por segundo al cuadrado a un kilogramo. De la segunda ley de Newton (F = m*a), podemos
derivar la unidad de fuerza en términos de unidades básicas:
1 newton = (1 kilogramo)(l metro por segundo cuadrado)
Así, el newton (N) está dado en términos de las unidades básicas por la fórmula:
1N= 1 kg*m/s2
Los nombres, símbolos y fórmulas para las unidades SI de importancia en la mecánica están
dados en la tabla l. Algunas de las unidades derivadas tienen nombres especiales, como
newton, joule, hertz, watt y pascal. Esas unidades son llamadas así en honor de personas
notables de la ciencia e ingeniería y se representan por medio de letras mayúsculas (N, J.
Hz, W y Pa) aunque los nombres de las unidades mismas se escriben con letras minúsculas.
Otras unidades derivadas no tienen nombres especiales (por ejemplo, las unidades de
aceleración, área y densidad) y deben expresarse en términos de unidades básicas y otras
unidades derivadas.

Tabla 1: Unidades principales usadas en resistencia.

Cantidad Sistema internacional (SI) Sistema Inglés
Símbolo Fórmula Símbolo Fórmula
Longitud m Unidad básica ft Unidad básica
Área m2 ft2
Aceleración lineal m/s2 ft/s2
Densidad (masa) Kg/m3 slug/ft3
Peso especifico pcf (libra por
N/m3 lb/ft3
pie3)
Fuerza N Kg*m/s2 lb Unidad básica
Masa Kg Unidad básica slug lb s2/ft
Presión psf (libra por
Pa N/m2 lb/ft2
pie 2)
Esfuerzo psi (libra por
Pa N/m2 lb/in2
pulgada2)
Tiempo s Unidad básica s Unidad básica
Volumen líquidos L 10-3 m3 gal 231 in3
Volumen sólidos m3 cf ft3

Notas:
1 pascal (Pa) = 1 newton por metro cuadrado (N/m2)
1 litro = 0,001 metro cúbico (m3)

1


La aceleración de la gravedad, denotada por la letra g, es directamente proporcional a la
fuerza de la gravedad y por tanto depende también de la posición. Por el contrario, la masa
es una medida de la cantidad de material en un cuerpo y no cambia con la posición.
La relación fundamental entre peso, masa y aceleración de la gravedad puede obtenerse con
la segunda ley de Newton (F = m*a), que en este caso se expresa como:
W = m*g
En esta ecuación, W es el peso en newtons (N). m es la masa en kilogramos (kg) y g es la
aceleración de la gravedad m/s2. La ecuación muestra que un cuerpo que tenga una masa
de un kilogramo tiene un peso en newtons numéricamente igual a g. Los valores del peso W
y de la aceleración g dependen de muchos factores, incluyendo la latitud y la elevación.
El valor recomendado para g para fines ingeníeriles ordinarios sobre o cerca de la superficie
de la tierra es:
g = 9.81 m/s2
Las cargas sobre estructuras, debidas a la gravedad u otras acciones, se expresan
usualmente en unidades de fuerza como newtons, newtons por metro o pascales (newtons
por metro cuadrado). Ejemplos de tales cargas son una carga concentrada de 25 kN
actuando sobre un eje, una carga uniformemente distribuida de intensidad 800 N/m actuando
sobre una viga pequeña. Sin embargo, hay una circunstancia en el SI en la que es permisible
expresar una carga en unidades de masa. Si la carga que actúa sobre una estructura es
producida por gravedad actuando sobre una masa, entonces esa carga puede expresarse en
unidades de masa (kilogramos, kilogramos por metro o kilogramos por metro cuadrado). El
procedimiento usual en tales casos es convertir la carga a unidades de fuerza multiplicándola
por la aceleración de la gravedad (g = 9,81 m/s2).

Prefijos SI:
Los múltiplos y submúltiplos de las unidades SI (tanto unidades básicas como unidades
derivadas) son creados añadiendo prefijos a las unidades. El uso de un prefijo evita el uso de
números demasiado grandes o pequeños. La regla general es que los prefijos deben usarse para
mantener a los números en el intervalo de 0, 1 a 1000.
Todos los prefijos recomendados cambian el tamaño de la cantidad por un múltiplo o
submúltiplo de tres. Similarmente cuando se usan potencias de 10 como multiplicadores, los
exponentes de 10 deben ser múltiplos de tres (por ejemplo 40 x 103 N es satisfactorio, pero 400 *
102 N no lo es). Además, el exponente sobre una unidad con un prefijo se refiere a la unidad
entera; por ejemplo, el símbolo mm2 significa (mm)2 y no m (m)2.

Tabla 2: Prefijos para unidades

Prefijo Símbolo Factor de multiplicación
Giga G 109
Mega M 106
Kilo k 103
micro µ 10-6
Nano n 10-9

2


Sistema inglés:
En este sistema, las unidades básicas de importancia para la mecánica son el pie (ft) para
longitud, el segundo (s) para tiempo y la libra (lb.) para fuerza. El píe se define como:
1 ft = 0, 3048 m (exactamente)
El segundo es igual que en el SI. La libra se define como la fuerza que impartirá a una cierta
masa estándar una aceleración igual a la aceleración de la gravedad. En otras palabras, la
libra es el peso de la masa estándar, que se define como 0,45359237 kg (exactamente). El
peso de esta cantidad de masa es:
W= (0,45359237 kg)(9.806650 m/s2) = 4.448222 N
En donde se ha usado el valor internacional estándar de g. La libra se define entonces como
sigue:
1 lb = 4.448222 N
Que muestra que la libra (igual que el pie) se define realmente en términos de unidades SI.
La unidad de masa en el sistema inglés es el slug, que es una unidad derivada definida como
la masa que será acelerada un pie por segundo cuadrado al actuar sobre ella una fuerza de
una libra. Al escribir la segunda ley de Newton en la forma m = F/a. obtenemos:
1 slug = 1 libra/ 1 ft/s2
Que muestra que el slug se expresa en términos de unidades básicas por medio de la
fórmula
1 slug = 1 Ib-s2/ft
Para obtener la masa de un objeto de peso conocido, usamos la segunda ley en la forma:
m = W/g
Donde m es la masa en slugs. W es el peso en libras y g es la aceleración de la gravedad en
pies por segundo cuadrado. Como se indicó antes, el valor de g, depende de la posición, pero
en cálculos donde ésta no es de importancia, puede usarse el valor internacional estándar de
g:
g = 32,1740 ft/s2
Para fines ordinarios, el valor recomendado es:

g = 32,2 ft/s2
De las ecuaciones anteriores concluimos que un objeto con una masa de 1 slug pesará 32,2
libras sobre la superficie de la tierra.

Conversiones entre unidades:
Las cantidades dadas en unidades inglesas o SI pueden convenirse rápidamente de un sistema
al otro usando los factores de conversión dados en la tabla 3.
Si la cantidad dada está expresada en unidades inglesas, puede convertirse a unidades SI
multiplicando por el factor de conversión. Para ilustrar este proceso, supongamos que el esfuerzo
en una viga es de 10600 psi y que deseamos convertir esta cantidad a unidades SI. De la tabla 3
vemos que un esfuerzo de 1 psi se convierte a 6894.76 Pa. Por tanto, la conversión del valor
dado se lleva a cabo de la siguiente manera:
10600 psi *(6894.76) = 73100000 Pa = 73.1 MPa
Como el valor original está dado con tres dígitos significativos, hemos redondeado el resultado final
también a tres dígitos significativos.
Para invertir el proceso de conversión (es decir, para convertir de unidades SI a inglesas), la
cantidad en unidades SI se divide entre el factor de conversión. Por ejemplo, supongamos que el

3


momento de inercia del área de la sección transversal de una viga sea de 94,73 * 106 mm4. el
momento de inercia en unidades inglesas es entonces:
94,73 *10 6 mm 4
= 228 in4
416231
En donde el término 416231 es el factor de conversión apropiado para momentos de inercia.

Tabla 3: Conversión entre unidades inglesas y unidades SI

Factor de conversión
Unidad Inglesa multiplicativo Igual a unidad SI

Exacto Práctico
Área
Pie cuadrado ft2 0,09290304 0,0929 Metro cuadrado m2
Pulgada cuadrada in2 645,16 645 Milímetro cuadrado mm2
Densidad
Slug por pie cúbico Slug/ft3 515,379 515 Kilog por metro cuadrado kg/m2
Peso especifico
Libra por pie cúbico lb/ft3 157,087 157 Newton por metro cúbico N/m3
Libra por pulgada cúbica lb/in3 271,447 271 Kilonewton por metro kN/m3
cúbico
Fuerza
Libra lb 4,44822 4,45 Newton ( kg m/s2) N
Longitud
Pie ft 0,3048 0,305 Metro m
Pulgada in 25,4 25,4 Milimetro mm
Masa
Slug lb s2/ft 14,5939 14,6 Kilogramo Kg
Momento de inercia
Pulgada a la cuarta in4 416,231 416 Milimetro a la cuarta mm4
0,416231*10-6 0,416*10-6 Metro a la cuarta m4
Presión – Esfuerzo
Libra por pie cuadrado psf 47,8803 47,9 Pascal (N/m2) Pa
Volumen
Pie cúbico ft3 0,0283168 0,0283 Metro cúbico m3
Pulgada cúbica in3 16,3871*10-6 16,3871*10-6 Metro cúbico m3
gal 16,3871 16,4 Centímetro cúbico cm3
Galón 3,78541 3,79 Litro L
0,00378541 0,00379 Metro cúbico m3

4


Unidad I: Ensayos mecánicos
Introducción
La mecánica de materiales es una rama de la mecánica aplicada que trata del comportamiento
de los cuerpos sólidos sometidos a varios tipos de carga. Otros nombres para este campo de
estudio son resistencia de materiales y mecánica de los cuerpos deformables. Los cuerpos sólidos
considerados incluyen barras con cargas axiales, barras y pernos con cargas cortantes y columnas
en compresión.
El objetivo principal de la mecánica de materiales es determinar los esfuerzos, deformaciones
unitarias y desplazamientos en estructuras y sus componentes debido a las cargas que actúan
sobre ellas. Si podernos encontrar esas cantidades para todos los valores de las cargas hasta las
que causan la falla, tendremos una representación completa del comportamiento mecánico de esas
estructuras.
Entender el comportamiento mecánico es esencial para el diseño seguro de todos los tipos de
estructuras, ya sean aeroplanos, antenas, edificios, puentes, máquinas, motores, barcos y naves
espaciales. Ésta es la razón por lo que la mecánica de materiales es una disciplina básica en
muchos campos de la ingeniería. En la mecánica de materiales vamos un paso más allá al
examinar los esfuerzos y deformaciones unitarias dentro de los cuerpos reales; es decir, cuerpos
de dimensiones finitas que se deforman bajo carga. Para determinar los esfuerzos y las
deformaciones unitarias, usamos las propiedades físicas de los materiales así como numerosas
leyes y conceptos teóricos.
Esta unidad tratara de dar respuesta a las siguientes preguntas: ¿es una sección transversal
dada suficiente para soportar la carga propuesta?, ¿Cuánta deformación se produce en el
elemento sujeto a determinado esfuerzo?, ¿Qué margen seguridad contra falla debemos
usar al diseñar una pieza? Para poder responderlas, es necesario recurrir al estudio de las
propiedades mecánicas de los materiales y analizar la relación que existe entre los esfuerzos
aplicados con las deformaciones que producen.

Objetivo general de la unidad:
Describir los tipos de ensayos que se le realizan a los materiales para su caracterización.

Objetivos específicos:
1. Describir el procedimiento para efectuar una prueba estándar de tensión o tracción,
compresión, dureza e impacto y construir la gráfica correspondiente identificando los
puntos relevantes.
2. Definir las propiedades mecánicas que pueden determinarse a partir del diagrama (σ-ε).
3. Establecer claramente el significado de los términos: elasticidad, plasticidad, ductilidad y
maleabilidad.
4. Conocer las diferencias básicas entre los diagramas (σ-ε) para materiales dúctiles y
frágiles, y explicar las diferencias en su comportamiento a la tensión y a la compresión.
5. Describir el procedimiento para modificar el punto de cedencia de un material.
6. Describir los tipos de falla más comunes en un material.
7. Definir los términos: esfuerzo de trabajo y factor de seguridad tanto para materiales
dúctiles como frágiles.

5


Conceptos básicos:
Se han aceptado ciertos términos, los cuales son usados para describir las propiedades
físicas y mecánicas de los materiales, y que se describen a continuación:
Ductilidad: Es la habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse. Es una
característica muy importante en el diseño, puesto que un material dúctil es usualmente muy
resistente a cargas por impacto. Tiene además la ventaja de “avisar” cuando va a ocurrir la
fractura, al hacerse visible su gran deformación.
Elasticidad: Es la habilidad que tiene un material que ha sido deformado de alguna manera
para regresar a su estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido la
deformación. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal manera que no pueda
regresar a su estado original, se dice que ha pasado su límite elástico.
Fragilidad: Es lo opuesto de ductilidad. Un material frágil no tiene resistencia a cargas de
impacto y se fractura aún en cargas estática sin previo aviso. Tanto la fragilidad como la
ductilidad de un material son mediadas arbitrarias, pero puede decirse que un material con
un alargamiento mayor de 5% es dúctil y menor de 5% es frágil. Puede concluirse que, en
forma general, podemos clasificar los materiales en frágiles y dúctiles, habiendo dentro de
ellos diferentes grados.
Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material, efectuada por
un objeto duro.
Maleabilidad: Es la propiedad que permite que un material se deforme mediante martilleo,
rolado o prensado, sin romperse. La maleabilidad, se aumenta normalmente cuando el metal
esta caliente.
Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo la presión y
retener esa nueva forma. El rango de adaptación puede variar considerablemente de
acuerdo con el material y sus condiciones.
Tenacidad: Es la propiedad de resistencia a la ruptura por un esfuerzo de tensión.
Esfuerzo: Fuerza aplicada a un área conocida.

• Deformación unitaria
Consideremos a la barra de sección constante mostrada en la figura 1.1 que soportan una
carga axial P en su extremo.

Figura 1.1: Esquema de la deformación de una barra sometida a una carga axial.
Bajo la acción de la carga, la barra sufrirá una deformación que denominaremos con la letra
griega δ (delta). Con este valor y la siguiente expresión obtendremos la deformación unitaria:
ε = δ/L (1.1)

6


Donde ε (épsilon) es la deformación unitaria, δ es la deformación total (LF – LI ) y L es la
longitud original.

Prueba de tensión de materiales:
Esta prueba es usada para determinar la resistencia, ductilidad y elasticidad del metal.
La información de la magnitud de la carga que soportará un material, es insuficiente si no se
proporciona el área transversal (concepto de esfuerzo), así también es insuficiente la
información de la magnitud de la deformación que se producirá, sin hacer referencia a su
longitud. ¿Que tan significativo es que una barra de cobre se deforme un centímetro en su
dirección axial bajo la acción de una carga? Si la barra es de 10 cm. de longitud, esta
deformación será muy grande comparada con la misma deformación sufrida por una barra de
100 cm.
Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir
su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el
ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente
de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el
desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se
muestra en la figura 1.2.

Figura 1.2: Esquema de maquina universal utilizada en el ensayo de tracción.

La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal móvil a una velocidad
seleccionable. La celda de carga conectada a la mordaza fija entrega una señal que
representa la carga aplicada, las máquinas poseen un plotter que grafica en un eje el
desplazamiento y en el otro eje la carga leída.

7


Figura 1.3: Fotografía de la maquina universal de ensayo de tracción.

Este ensayo consiste en aplicar a una probeta, de dimensiones estándares, una carga que
se incrementa gradualmente, anotando las lecturas de los valores de las cargas y de las
deformaciones correspondientes hasta que se produzca la fractura. La pieza que se prueba,
debe ser circular o rectangular, las piezas más comunes son de 6 mm de lado o 13 mm de
diámetro, teniendo en cada pieza un área de sección transversal de 36 mm2. Los extremos
de las piezas son de mayor tamaño para permitir su sujeción por las mordazas de la
máquina.

Figura 1.3: Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción.

La carga se aplica y se mide mediante un dispositivo de prueba denominado Maquina
Universal, y los valores de los esfuerzos se calculan dividiendo los valores de la carga entre
el área de la sección transversal original de la probeta. La deformación se obtiene midiendo
el incremento de la longitud entre dos puntos marcados en la probeta (en su dirección axial),
antes de comenzar la prueba. Los valores de la deformación unitaria se calculan dividiendo
este incremento entre la longitud original de medición.

8


La figura 1.4 muestra el gráfico obtenido en una máquina de ensayo de tracción para un
acero.

Figura 1.4: Esquema de una curva ingenieril entregada por la maquina universal.

Las curvas tienen una primera parte lineal llamada zona elástica, en donde la probeta se
comporta como un resorte: si se quita la carga en esa zona, la probeta regresa a su longitud
inicial.
Cuando la curva se desvía de la recta inicial, el material alcanza el punto de fluencia, desde
aquí el material comienza a adquirir una deformación permanente. A partir de este punto, si
se quita la carga la probeta quedaría más larga que al principio y se define que ha
comenzado la zona plástica del ensayo de tracción. El valor límite entre la zona elástica y la
zona plástica es el punto de fluencia o fuerza de fluencia (FYP).
Luego de la fluencia sigue una parte inestable, que depende de cada acero, para llegar a una
máxima fuerza (FMAX). Entre la fuerza fluencia y la máxima la probeta se alarga en forma
permanente y repartida, a lo largo de toda su longitud. En F MAX la probeta muestra su punto
débil, concentrando la deformación en una zona en la cual se forma un cuello.
Del diagrama esfuerzo v/s deformación unitaria o curva ingenieril podemos definir varios
conceptos y propiedades mecánicas importantes:
Punto de fluencia o cedencia: En el punto A, la deformación del material se produce
sin incremento sensible en el esfuerzo. Es de gran importancia en el diseño de las
piezas, ya que define el esfuerzo para el cual ocurre una deformación considerable y, la
mayor parte de las mismas, al alcanzar este punto no servirán para el propósito
deseado y por lo tanto habrán fallado. Al esfuerzo que caracteriza a este punto se le
llama esfuerzo de fluencia, σF.
Resistencia máxima: Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original,
que puede resistir un material (Punto B). Este esfuerzo se conoce como esfuerzo
máximo, σM.
Resistencia a la ruptura: Es el esfuerzo basado en la sección original, que produce la
fractura del material llamado esfuerzo de ruptura, σR.
Módulo de elasticidad (E): Conocido también como módulo de Young, es la pendiente
de la parte recta del diagrama esfuerzo v/s deformación unitaria. Para el caso de los
aceros el valor del módulo de elasticidad (E) es aproximadamente de 210 GPa.

9


La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza deje de subir.
Al adelgazarse la probeta la fuerza queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.

Figura 1.5: Esquema de la secuencia de ruptura de las probetas en un ensayo de tracción.

Para expresar la resistencia en términos independientes del tamaño de la probeta, se dividen
las fuerzas por la sección transversal inicial Ao obteniéndose:
Resistencia a la fluencia:
F
σ F = YP
AO
Resistencia a la tracción:
F
σ MAX = MAX
AO
2
Unidades: Kg/mm o Mpa o Kpsi
Considerando una probeta cilíndrica
π 2
AO = * DO
4

Figura 1.6: Ilustra una probeta al inicio del ensayo indicando las medidas iniciales
necesarias.

Analizando las probetas después de rotas, es posible medir dos parámetros: El alargamiento
final Lf (Figura 1.7) y el diámetro final Df , que nos dará el área final Af .

Figura 1.7: Ilustra una probeta al final del ensayo indicando las medidas finales necesarias.

10


Estos parámetros se expresan como porcentaje de reducción de área %RA y porcentaje de
alargamiento entre marcas %∆ L:

% RA= x 100 %

∆L= x 100.
Ambos parámetros son las medidas normalizadas que definen la ductilidad del material, que
es la capacidad para fluir, es decir, la capacidad para alcanzar grandes deformaciones sin
romperse. La fragilidad se define como lo contrario a la ductilidad. Un material poco dúctil es
frágil.
La figura 1.8 muestra un diagrama (σ v/s ε) para un material frágil y uno dúctil. Se sabe que
un aumento en resistencia trae consigo una disminución en ductilidad y dado que ambas
características son deseables en un diseño ingenieril, surge el problema de enfrentar la
selección de los materiales que tengan las combinaciones adecuadas de estas propiedades.
Entre los materiales ingeníeriles, podemos situar como frágiles al concreto y a la fundición
gris y como dúctiles, a la familia de los aceros, las aleaciones de cobre y aluminio, etc.

Figura 1.8: Esquema que permite visualizar la fragilidad y la ductilidad gráficamente.

El área bajo la curva fuerza - desplazamiento (F versus ∆L) representa la energía disipada
durante el ensayo, es decir la cantidad de energía que la probeta alcanzó a resistir. A mayor
energía, el material es más tenaz.
A partir de los valores obtenidos en el gráfico Fuerza-Desplazamiento, se puede obtener la
curva Esfuerzo-Deformación σ - ε. El esfuerzo σ, que tiene unidades de fuerza partido por
área, ha sido definido anteriormente, la deformación unidimensional:

11


Figura 1.9: Presenta un ejemplo del gráfico Esfuerzo-Deformación de un acero.

En la zona elástica se cumple:
σ=E*ε
Módulo de Elasticidad (E) = 210 GPa

En los siguientes ejemplos de curvas σ − ε se puede observar las características de cada
material: el hule muestra una gran ductilidad al alcanzar una gran deformación ante cargas
pequeñas; el yeso y el carburo de tungsteno muestran poca ductilidad, ambos no tienen una
zona plástica; se rompen con valores bajos de elongación: son materiales frágiles. La única
diferencia entre ellos es la resistencia que alcanzan.
Los diagramas esfuerzo-deformación de diversos materiales varían ampliamente y diferentes
ensayos de tensión con el mismo material pueden producir resultados diferentes de acuerdo
con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga. Sin embargo, es posible distinguir
algunas características comunes a los diagramas de varios grupos de materiales y dividirlos
en dos amplias categorías: materiales dúctiles y materiales frágiles, conceptos definidos
anteriormente.
Durante el ensayo de tracción, si se descarga la probeta, luego de alcanzar la zona plástica,
pero antes de producirse la ruptura, la curva σ − ε cambia de forma. La longitud de la probeta
tiende a recuperarse, pero no alcanza la longitud inicial, quedando con una longitud mayor,
que se denomina deformación permanente. A nivel gráfico, la curva se devuelve con la
pendiente de la zona elástica.

12


Figura 1.10: Ejemplos de curvas ingeníeriles de diversos materiales.

Tabla 1.1: Propiedades típicas promedio de algunos materiales usados en ingeniería.

Material σM σF E
Mpa Mpa GPa
Acero inoxidables 280 – 700 400 – 1000 190 – 210
Acero alta resistencia 340 - 1000 550 – 1200 190 – 210
Bronce comercial 82 – 690 200 – 830 36 – 44
Latón laminado 70 – 550 200 – 620 36 – 41
Aluminio 2014-T6 410 480 28
Cobre 55 - 760 230 - 830 40 – 47

13


Comportamiento de los materiales en compresión:
Debido a que en la práctica muchos de los elementos se encuentran cargados en
compresión, es importante conocer el comportamiento de los materiales bajo este tipo de
carga. Las propiedades de un material a la compresión se determinan en el laboratorio en
forma experimental similar a las correspondientes en tensión.
Las conclusiones sobresalientes de estas pruebas las podemos resumir en la siguiente
forma:
I. Los materiales dúctiles presentan los mismos valores en sus características tanto en
tensión como en compresión.
II. Los materiales frágiles no presentan punto de fluencia en ningún caso y el esfuerzo
de ruptura coincide con el esfuerzo máximo.
III. Los materiales frágiles presentan una resistencia máxima mucho mas elevada en
compresión que en tensión. En el caso de la fundición gris, esta relación es
aproximadamente 4:1.

Pruebas de dureza:
La dureza es una propiedad fundamental de los materiales y esta relacionada con la
resistencia mecánica. La dureza puede definirse como la resistencia de un material a la
penetración o formación de huellas localizadas en una superficie. Cuanto mas pequeña sea la
huella obtenida en condiciones normalizadas, mas duro será el material ensayado. El
penetrador en un ensayo de dureza es generalmente una esfera, pirámide o cono hecho de un
material mucho mas duro del que se ensaya, como por ejemplo acero endurecido, diamante o
carburo de tungsteno sinterizado.
En la mayoría de las pruebas patrón, la carga se aplica al oprimir lentamente el penetrador,
perpendicularmente a la superficie ensayada, por un periodo determinado. De los resultados
obtenidos se puede calcular un valor empírico de dureza, conociendo la carga aplicada y el
área de la sección transversal o la profundidad de la impresión. El ensayo de dureza nunca se
debe realizar cerca del borde de la muestra o cerca de otra penetración ya existente.
Las penetraciones microscópicas de dureza se hacen empleando cargas muy pequeñas y se
usan para estudiar variaciones localizadas de dureza en materiales monofásicos y multifásicos
(aleaciones), así como para medir la dureza de granos metálicos.
La mayoría de las pruebas de dureza producen deformación plástica en el material y todas las
variables que influyen en la deformación plástica la afectan; por ejemplo, ya que el esfuerzo de
cedencia se ve afectado considerablemente por la cantidad de trabajo en frío y el tratamiento
térmico. La prueba de dureza puede hacerse muy fácilmente y la información obtenida se
evalúa inmediatamente. Por estas razones y por su carácter no destructivo, se emplea
frecuentemente para control de calidad en producción.

14


Figura 1.11: Fotografía de un ensayo de dureza Brinell

Figura 1.12: Fotografía de un ensayo de dureza Rockwell

Pruebas de impacto o resiliencia:
Existen otros ensayos destructivos que permiten evaluar la resistencia del material frente, por
ejemplo, al impacto (o resiliencia). El ensayo Charpy permite calcular cuánta energía logra
disipar una probeta al ser golpeada por un pesado péndulo en caída libre (Figura 1.13). El
ensayo entrega valores en Joules, y éstos pueden diferir fuertemente a diferentes
temperaturas. La figura 1.14 permite evaluar la diferencia entre probetas antes y después del
ensayo.

Figura 1.13: Esquema de la maquina utilizada en un ensayo Charpa.

15


Figura 1.14: Fotografía de probetas antes y depuse del ensayo de impacto.

El ensayo de impacto consiste en dejar caer un pesado péndulo, el cual a su paso golpea
una probeta que tiene forma paralelepípeda ubicada en la base de la máquina.
La probeta posee un entalle estándar para facilitar el inicio de la fisura. Luego de golpear la
probeta, el péndulo sigue su camino alcanzando una cierta altura que depende de la
cantidad de energía disipada al golpear. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen
en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse.

Unidad 2: Comportamiento de materiales en tracción, cizalle compresión y
variación de temperatura.
Objetivo general: Definir los tipos y naturaleza de las fuerzas ejercidas sobre un material y
distinguir su comportamiento.

Objetivos específicos:
Al terminar el estudio de esta sección usted deberá ser capaz de:
1. Distinguir entre fuerza interna y esfuerzo.
2. Definir esfuerzo normal y esfuerzo cortante.
3. Analizar sistemas sencillos, calculando los esfuerzos que se inducen en sus diferentes
componentes como efecto de la acción de cargas externas.

Estática y resistencia de materiales:
La resistencia de materiales se ocupa del estudio de los efectos causados por la acción de
cargas externas que actúan sobre un sistema deformable; analiza las fuerzas internas
inducidas en sus diferentes componentes, las deformaciones correspondientes y las
relaciones que existen entre estas y aquellas, permitiendo, con base en estos análisis, tomar
decisiones acerca de los materiales a usar, del tamaño y forma correcta de las piezas que
componen un sistema dado, o bien, concluir si una pieza es capaz de resistir un sistema de
cargas propuesto.

Fuerzas internas, esfuerzos normales y cortantes:
El concepto de esfuerzo constituye un pilar en el estudio de la resistencia de materiales. Nos
permite uniformar el criterio en cuanto a la apreciación de la magnitud de una carga
soportada por un elemento cualquiera. Supongamos que se nos pregunta si una varilla de

16


cobre puede soportar una carga de 9810 N Kg., ¿Cuál seria nuestra respuesta? Si la varilla
tiene 10 cm cuadrados de sección transversal, es casi evidente que podrá resistir esa carga.
Ahora, pongamos el caso en que la sección transversal sea de un centímetro cuadrado,
¿será capaz de resistirla? Lo más probable es que no. Por esto en el estudio de resistencia
de materiales, no podemos referirnos al tamaño de la sección que las soportará, razón por la
cual usaremos el concepto de esfuerzo.
Para ilustrar mejor lo dicho anteriormente veamos lo que acontece en el interior de la barra
de sección transversal uniforme mostrada en la figura 2.1, sometida a la acción de una carga
axial que pasa por su centroide.

Figura 2.1: Barra sometida a una carga axial Q.
Efectuando un corte en la sección M-N, se hace visible la fuerza interna P que impide la
separación de la barra al ser solicitada por la fuerza externa Q, figura 2.2.

Figura 2.2: Fuerza interna P y fuerza externa Q.

Por equilibrio estático, las fuerzas P y Q son iguales. En este caso, la fuerza interna P se
distribuye uniformemente en la sección m-n debido a:
• La sección esta suficientemente alejada del punto de aplicación de la carga
concentrada.
• La resultante de la fuerza interna pasa a través del centroide de la área de la sección
(no hay efecto flexionante).
• El material es homogéneo.
• No hay cambios de sección a lo largo de la barra. (Concentración de esfuerzos).

Al estar la fuerza interna uniformemente distribuida en la sección, el valor del esfuerzo, σ
(sigma) en cualquier punto será el mismo por lo tanto la ecuación puede escribirse como:
σ = P/A

17


En donde P es la fuerza interna y A es el área de la sección en que actúa. Figura 2.3. A σ le
llamaremos esfuerzo normal. (La carga actúa perpendicular al área). Es conveniente notar
que el esfuerzo tiene las mismas unidades que la presión y aunque son conceptos similares,
el término presión lo reservaremos para evaluar el efecto de la acción de un medio sobre
otro, como por ejemplo un gas o un liquido sobre un sólido, y dejaremos el término esfuerzo
para designar la acción de fuerzas internas del material actuando sobre su área
correspondiente.

Figura 2.3: Esquema de un esfuerzo normal.

Veamos ahora lo que sucede con el material del remache que une las placas mostradas en
la figura 2.4 y cuya sección perpendicular del remache se muestra en la figura 2.5.

Figura 2.4: Esquema de placas remachadas

Figura 2.5: Sección transversal del remache

Como se muestra en el diagrama de equilibrio de su mitad inferior en la figura 2.5, en la cual
puede observarse que el remache esta sujeto principalmente a una condición de corte,
puesto que la fuerza interna F tiende a trozarlo por dicha sección.
Por lo tanto, si definimos al esfuerzo cortante τ (tau), como la fuerza de corte por unidad de
área, podemos expresarlo matemáticamente como:

τ = F/AC
Donde F es la fuerza interna que tiende a cortar al remache, y AC es el área que la soporta.
Note que en este caso la fuerza actúa paralela al área.

18


Figura 2.6: Sistema compuesto remachado.
π 
En la figura 2.5, AC quedo definida como el área transversal del remache  * d 2  ; sin
4 
embargo, si analizamos la junta remachada de la figura 2.6 y efectuamos los cálculos
correspondientes, veremos que el esfuerzo cortante se reduce a la mitad debido a que la
fuerza de tensión Q actúa sobre 2 áreas de corte figura 2.7, esto es:
τ = F/AC = Q/2AC

Figura 2.7: Esquema que muestra las áreas de cortes.

Esfuerzo de trabajo o admisible:
Del estudio del diagrama (σ-ε) puede concluirse que para poder diseñar una pieza que
satisfaga determinados requisitos, es necesario que el nivel de esfuerzo inducido en la
misma no sobrepase un valor especificado con anterioridad, pues de lo contrario ocurrirá una
falla.
En la práctica, en los diseños nos enfrentamos con una serie de interrogantes cuando se
proyecta. ¿Cómo tomar como base de sus cálculos al esfuerzo de fluencia de un material, si
este valor es el promedio que reporta un fabricante después de hacer numerosas prueba?.
¿Quién garantiza que el valor reportado será más alto que el que representa el material de la
pieza? ¿Cuántos factores como elevación de temperatura, exceso de carga en un momento
dado, operación incorrecta de la maquinaria? Todas estas y muchas mas interrogantes llevan
a la conclusión de que un diseño no puede estar basado en el esfuerzo que produzca falla,
sino que debe existir un margen de seguridad para que el esfuerzo real pueda incrementarse
por factores imprevistos y no se produzca la falla del material. Este valor de esfuerzo que es
la base de los cálculos se denomina esfuerzo de trabajo, esfuerzo admisible o esfuerzo
de diseño.

19


Coeficiente de seguridad:
Las relaciones que nos proporcionan los esfuerzos de trabajo para materiales dúctiles y
frágiles vienen dadas a continuación.
σT = σF/ CS σT = σR/CS
Donde:
σT = Esfuerzo de trabajo o admisible.
σF = Esfuerzo de fluencia.
σR = Esfuerzo de ruptura.
CS = Coeficiente de seguridad.
Por consiguiente, el coeficiente de seguridad es el numero entre el cual se divide la
resistencia de un material para obtener el esfuerzo de trabajo o admisible.
Generalmente, el fijar un factor de seguridad, es un asunto de criterio basado en el uso
apropiado del material y las consecuencias de su falla. Si la falla de la pieza pone en peligro
la operación de todo un sistema o de vidas humanas, por ejemplo, el coeficiente de
seguridad deberá ser mucho más alto que en el caso de una pieza que al fallar no afecte
sustancialmente el comportamiento del mismo. Cuando las cargas son estáticas y no hay
peligro de daños a personas, un coeficiente de seguridad de 2 es razonable. Este numero
indica desde otro punto de vista, relacionado exclusivamente con las cargas que se aplicarán
al sistema, que para producir una falla es necesario duplicar las cargas que se tomaron como
base de diseño, o bien, indica, que se tiene un margen de 100% para sobrecargar al sistema
sin producir falla. Este coeficiente de seguridad es de suma importancia y debe ser siempre
respetado en los diseños.

Ley de Hooke:
La ecuación que gobierna el comportamiento de un material en su región lineal se conoce
como la ley de Hooke. Esta ecuación relaciona la deformación unitaria producida en una
barra de sección uniforme con el esfuerzo normal aplicado a ella, y puede expresarse
mediante la ecuación:
σ=E*ε
Usando las ecuaciones para el esfuerzo normal y para las deformaciones unitarias definidas
anteriormente, la ecuación se transforma en:

P*L
δF =
A* E
La ecuación, es la forma más común de expresar la ley de Hooke, obteniendo un
alargamiento llamado alargamiento por fuerza externa, donde:
P = Carga aplicada a la barra.
L = Longitud total.
A = Área de la sección (constante)
E = Módulo de elasticidad.
δ = Deformación total (alargamiento)
Es muy importante recordar que la ecuación (2.5) puede aplicarse directamente si:
I. La sección transversal de la barra es constante.
II. La fuerza interna P, no varía en dirección axial.
III. El material es isótropo (tiene las mismas propiedades elásticas en cualquier dirección)
y homogéneo.

20


Coeficiente de dilatación lineal:
Se define como la variación por unidad de longitud de una barra recta sometida a un cambio
de temperatura de un grado. El valor de este coeficiente es independiente de la unidad de
longitud, pero depende de la escala de temperatura empleada. Consideraremos la escala
centígrada y el coeficiente de dilatación lineal se denominara por α. Las variaciones de
temperatura es una estructura dan origen a tensiones internas del mismo modo que las
cargas aplicadas.
La variación de longitud debido a un cambio de temperatura será, por lo tanto:
δT = α * L * (∆T) (2.7)

Alargamiento por su propio peso:
Otra variación de longitud que pueden sufrir los materiales es debido el alargamiento por su
propio peso. Esto se deduce al determinar el aumento total de longitud de una barra de
sección constante, colgada verticalmente y sometida como única carga a su propio peso. La
barra es recta inicialmente.

Figura 2.8: Barra de sección constante, colgada verticalmente.

El alargamiento del elemento dy de la figura 2.8 es una derivación del alargamiento por
fuerza externa, ya que se tiene:

P*L
δF =
A* E

Pero la fuerza P es reemplazado por el peso total de la barra que viene dado por:
W=A*Y*ϕ (2.8)
Donde:
A representa la sección de la barra, y es el largo de la barra y ϕ es su densidad.
Con esto se tiene:
dδ P =
( A * Y * ϕ )dy (2.9)
A* E
Integrando, el alargamiento total de la barra es:
A *Y *ϕ A * ϕ * L2 ( A * ϕ * L )L
L
δP = ∫ dy = =
0 A* E A* E * 2 2* A* E
W *L
δP = (2.10)
2* A* E

21


Unidad 3: Fallas en los materiales.
Objetivo: Lograr reconocer y describir las fallas mas comunes que sufren los materiales.
La falla de un material se define como un estado o condición del material por el cual una
pieza o una estructura no satisfacen la función para la cual fueron proyectadas.

En diseño ingenieril, podemos distinguir (entre otros) los siguientes tipos de fallas:
Falla por deformación: Esta falla se presenta cuando el esfuerzo inducido en el material
produce una deformación excesiva (ya sea elástica o plástica) que impida el funcionamiento
correcto de la pieza. Las propiedades del material que deben considerarse en el análisis son:
El módulo de elasticidad y el esfuerzo de fluencia.
Falla por fractura: Esta falla se caracteriza por la ruptura completa del material bajo carga
estática y la resistencia máxima es la propiedad básica para el análisis.
Falla por fatiga: Esta falla se presenta cuando el material se fractura bajo el efecto de
cargas que varían continuamente.
Falla por “Creep”: Se caracteriza por excesiva deformación plástica después de un largo
periodo de tiempo bajo esfuerzo constante.
Falla por impacto: Cuando una carga se aplica en forma súbita o con un choque sobre una
pieza, su efecto es mas perjudicial que en el caso de cargas gradualmente aplicadas. La falla
puede presentarse ya sea por deformación excesiva o por fractura según el tipo de material.
En el diseño de elementos de maquinarias pueden usarse materiales dúctiles o frágiles. Si el
material es dúctil, se considera en general falla cuando el esfuerzo inducido produzca una
deformación tal que pueda causar interferencia en piezas en movimiento, o bien, cuando se
produzca una deformación permanente que haga que la pieza modifique sus dimensiones
originales cada vez que se cargue. En el caso de materiales frágiles, cuya deformación es
pequeña, la falla se producirá cuando el esfuerzo inducido sea de tal magnitud que la pieza
se fracture.
De lo anterior podemos concluir que el diseño con materiales frágiles estará limitado por el
esfuerzo de ruptura, mientras que a los materiales dúctiles los limitara el esfuerzo de fluencia
(previniendo deformación excesiva).

Fatiga en los metales:

¿Qué es la fatiga?
Este término describe la falla de un metal bajo la acción de esfuerzos repetidos de tensión y
compresión. Cuando un esfuerzo es aplicado repetidamente dentro de un periodo de tiempo,
muchos esfuerzos pequeños pueden causar la falla de la pieza, en comparación con el
esfuerzo nominal requerido para causar la falla por alargamiento o golpe.
Se ha estimado que el 80% de todas las fallas mecánicas son causadas por fatiga.
¿Puede ser estimada la fatiga?
Como muchos de los esfuerzos en los mecanismos son muy complejos, la fatiga no puede
ser exactamente calculada; y esto es solo posible, relacionando las características de
servicio de algún equipo con las escalas de prueba de equipos que operen bajo condiciones
tan cercanas a las normales como sea posible, pero alguna información útil puede obtenida
de las pruebas de laboratorio.
¿Cómo se hacen las pruebas de fatiga?
Estas pruebas se pueden realizar en gran escala o pueden ser hechas en probetas de
laboratorio.

22


La mayoría de las pruebas de laboratorio son hechas con una maquina tipo Wohler, que
consiste en un motor eléctrico provisto con un mandril y algún dispositivo para registro, y que
puede ser operado a velocidad constante, pero también tiene medios para aumentar o
disminuir la velocidad de rotación. La probeta preparada se sujeta en el mandril en un
extremo y en el otro extremo que esta sin apoyo se aplica una carga a través de un
rodamiento y la probeta o pieza se hace girar a velocidad constante. Como la probeta gira,
diferentes puntos en su periferia quedan sometidos a carga de tracción y compresión
sucesivamente cuando se ha completado media revolución. Para obtener resultados
satisfactorios varias probetas se prueban y se someten a esfuerzos hasta su destrucción o
hasta 108 esfuerzos. El esfuerzo de cada pieza de prueba es variado usando diferentes
cargas en cada caso. Y a partir de estas pruebas tipo se obtiene la curva esfuerzo v/s nº de
ciclos.

Figura 3.1: Esquema del equipo utilizado en la prueba de fatiga.

Figura 3.2: Esquema de una curva esfuerzo v/s nº de ciclos.

¿Por qué es usada la cifra 108 de esfuerzos?
Las pruebas en algunos aceros y algunas aleaciones aluminio / magnesio han mostrado que
cuando se construye la curva esfuerzo / nº de ciclos, esta tiende a ser horizontal a través de
108 de esfuerzos y esto se llama el limite de resistencia a la fatiga de estos metales. El
limite de resistencia de un metal es el esfuerzo que causa que el metal sea fracturado
después de aplicar un numero N de ciclos de esfuerzos.
Los 2 resultados más importantes de una serie de ensayos de fatiga son:
• La duración para un esfuerzo en particular.
• El límite de resistencia a la fatiga para el material, que se observa a los 108 ciclos.

23


¿Puede la fractura por fatiga ser identificada?
La fractura por fatiga es como cualquier otra factura. Esta consiste de dos áreas distintas. La
primera área es suave y tiene un perfil creciente de marcas acanaladas. Estas marcas
indican el proceso gradual de las grietas de uno o más puntos en la superficie de la pieza de
prueba. El área restante tiene una apariencia cristalina o fibrosa que indica el desgarramiento
final en el metal restante, cuando la sección no alcanza a soportar la carga aplicada.

Figura 3.3: Esquema de fractura por fatiga y fotografia de un eje que ha fallado por fatiga.

¿Cuáles son las causas de las fracturas por fatiga?
Las fallas por fatiga son causadas por mal diseño, mal ensamblado, mal maquinado o por
inclusiones nocivas en el material.
La fisura inicial causa la falla final y siempre parte de un punto donde la concentración de
esfuerzos es alta, tal como la esquina afilada, una vena de lubricación o agujero (falla de
diseño), por aflojamientos que causan vibración o esfuerzos torsionales (mal ensamblado), o
una marca de herramienta.
El material falla porque la grieta avanza disminuyendo el área resistente lo que produce que
el sigma aumente rápidamente llegando al sigma de ruptura.
Las grietas avanzan siempre por esfuerzos de tracción, no de compresión.

¿Qué factores afectan la resistencia a la fatiga?
• Las esquinas con radios adecuados mejoran la resistencia a la fatiga. Una esquina
afilada tiende a reducir la resistencia a la fatiga en un 25% con respecto a otra esquina
con filo adecuado.
• Las fracturas por fatiga se inician por fisuras superficiales, por lo que los tratamientos
y acabados superficiales son importantes. El limite de fatiga se reduce por la limpieza
de las superficies. Una superficie rugosa es mejor que otra pulida.
• El limite de fatiga se incrementa trabajando en frió la superficie, tal como en el rolado o
martillado controlado y por un correcto tratamiento térmico durante la fabricación.

La duración a la fatiga indica cuanto dura un componente cuando un esfuerzo se aplica
repetidamente al material, por ejemplo basándonos en el gráfico de la figura 3.2, si se quiere
diseñar una pieza de acero de herramientas que debe soportar 100000 ciclos durante su vida
útil, entonces debe diseñarse de manera que el esfuerzo aplicado sea menor a 882,9 Mpa.
El límite de resistencia a la fatiga es el esfuerzo por debajo del cual la falla por fatiga nunca
ocurre. Para evitar que se rompa una pieza de acero de herramientas se debe asegurar que
el esfuerzo aplicado nunca sea mayor que 560 Mpa.

24


Ejemplo:
El máximo esfuerzo que actúa en la superficie de una barra cilíndrica cuando se aplica una
fuerza que la dobla en un extremo es:
10.18 * L * W
σ=
d3

Donde:
L: longitud de la barra.
W: es la carga
d: diámetro de la barra.
Se aplica una fuerza de 4,15 kN a una barra de acero para herramientas que gira a 3000
ciclos/min. La barra tiene un diámetro de 2.54 cm y una longitud de 30.48 cm. Basándose en
la figura 3.2.
a) Determinar el tiempo después del cual la barra falla.
b) Calcular el diámetro de la barra que evitará la falla por fatiga.

Primero se debe calcular el esfuerzo con el que se esta trabajando:

10,18 * 0,3048 * 4150
σ=
(0,0254) 3

σ = 785,79 Mpa.

De la figura 3.2, el número de ciclos para la falla es de 950000. El tiempo para ello es:

950000
T=
3000

T = 316.67 minutos

El límite de resistencia a la fatiga es de 560 Mpa por lo tanto:

10.18 * L * W
d3 =
σ

10,18 * 0,3048 * 4150
d3 =
560 * 10 6

d = 0,0284 m = 28,4 mm.

25


Corrosión
Introducción: La corrosión es la deterioración que sufren los metales al ser atacados por los
más diversos agentes químicos. Este ataque se realiza de una manera lenta, pero continúa.
En algunos casos los productos de la corrosión aparecen bajo la forma de una película fina
adherida a la superficie del metal, a la cual simplemente manchan o quitan brillo y que
pueden dificultar o impedir la continuación de la acción corrosiva. En otros casos los
productos de la corrosión forman una capa porosa de mayor espesor, que no ofrece ninguna
protección contra la corrosión exterior.
La causa principal del fenómeno de la corrosión reside en la inestabilidad que tienen los
metales en sus formas afinadas, ya que tienden a volver a su estado natural mediante el
proceso de corrosión.

Principios electroquímicos: La corrosión es esencialmente un proceso electroquímico que
da lugar a que el metal se transforme total o parcialmente pasando del estado metálico al
iónico. Para que exista corrosión es necesario que se establezca el paso de una corriente
eléctrica entre zonas distintas de una superficie metálica, en contacto con un electrolito. Un
electrolito es una solución cualquiera que contiene átomos o grupos de átomos cargados
eléctricamente, llamados iones. Para que el circuito eléctrico esté completo tienen que existir
dos electrodos, ánodo y cátodo, unidos entre sí, los cuales pueden ser dos metales distintos
o zonas distintas de la misma superficie metálica. La unión entre el ánodo y el cátodo pueden
realizarse mediante un puente metálico, pero en el caso concreto de la corrosión ésta tiene
lugar normalmente por simple contacto. Además, para que se establezca el paso de
corriente, tiene que existir una diferencia de potencial entre los electrodos.
Al ponerse en contacto el metal con el electrolito, los átomos metálicos que constituyen el
ánodo pasan a la solución en forma de iones, mientras que las correspondientes cargas
negativas o electrones pasan a través del metal a la zona que constituye el cátodo. Allí los
electrones neutralizan los iones cargados positivamente que pasan de la solución al cátodo.
Estos iones positivos son normalmente iones hidrógenos, que al neutralizarse se transforman
en átomos, los cuales se desprenden en forma de gas hidrógeno. La reacción electroquímica
fundamental puede escribirse en la forma:

A + B+ A+ + B

La corrosión, es decir la desintegración de un metal casi siempre tiene lugar en las zonas de
quien desempeña el papel de ánodo.

Factores que afectan el proceso de corrosión: Uno de los factores más importantes y que
más influencia ejerce en el proceso de la corrosión es la diferencia de potencial que se
establece entre dos metales distintos en contacto mutuo e inmerso en un electrolito. Se
considera que todos los metales que actúan de ánodo en un par galvánico con hidrógeno son
electronegativos y los que actúan como cátodos, electropositivos. Los metales más activos
colocados en la parte superior de la tabla siguiente tienen más tendencia a disolverse que los
de la parte inferior.

26


Tabla 3.1: Elementos ordenados en forma decreciente por su capacidad de oxidación

Más oxidables K
Ca
Na
Mg
Be
Al
Mn
Zn
Cr
Ga
Fe
Cd
In
Menos oxidables Ti

Si elegimos una pareja cualquiera de los elementos indicados el metal más próximo a la
parte superior de la serie constituirá el ánodo, y por lo tanto se corroerá, mientras que el otro
metal, el cual ocupa una posición más próxima al extremo inferior formará el cátodo y recibirá
cierta protección galvánica. La diferencia de potencial que se establece entre ambos metales
guarda relación con la distancia que separa sus posiciones en la tabla. Si un metal está en
contacto con otro que ocupa en la tabla una posición muy próxima a la suya normalmente se
corroerá con mucha más lentitud que cuando está en contacto con otro muy distante de él.
Si el ión metálico se elimina por formación de un compuesto insoluble que precipita sobre el
ánodo y forma una capa adherente e impermeable a la solución corrosiva, que impide su
contacto con el electrolito, el fenómeno cesa. Tal suceso, por ejemplo, con el cromo y el
aluminio, los cuales se recubren de capas de óxidos, de características análogas a las
indicadas y que son causa de la buena resistencia a la corrosión de estos metales.
Otro factor importante que afecta la velocidad de corrosión es la variación de temperatura, ya
que el oxido formado por la reacción y el metal son compuestos diferentes por lo tanto sus
variaciones de longitud no son iguales (dilataciones y/o contracciones) provocando un mayor
desprendimiento del oxido, lo que lleva a tener mayor cantidad de superficie expuesta del
metal al medio ambiente aumentando la velocidad de corrosión, ya que el oxido si se
mantuviera adherido al metal dificultaría el contacto de la humedad y el oxigeno con el metal,
factores indispensables para el proceso de corrosión.

Tipos de corrosión: Las descripciones específicas de los distintos tipos de corrosión están
limitadas a aquellos que tienen importancia en las aplicaciones industriales.
Cuando toda la superficie del metal presenta el mismo grado de ataque se dice que ha
sufrido una corrosión uniforme. Sin embargo, este tipo de corrosión no suele presentarse
en los metales, ya que rara vez estos tienen una homogeneidad tal que el ataque se verifique
por igual en todos los puntos de su superficie.
La corrosión localizada es un ejemplo de corrosión no uniforme, motivada por la falta de
homogeneidad del metal, la cual puede ser debida a las inclusiones, a la segregación o a la

27


existencia de zonas distorsionadas. Esta falta de homogeneidad es causa de que en puntos
localizados se establezcan diferencias de potencial, que originan la formación de profundos
orificios aislados. La corrosión localizada del metal base se produce cuando la capa o
película que lo protege se rompe. Por ejemplo, cuando la capa de cromo que recubre las
defensas de acero de los automóviles se rompe se produce la corrosión de la zona de acero
descubierta.
Se llama corrosión galvánica a la que se presenta en la zona de contacto de dos metales
sometidos a la acción de un medio corrosivo.
Otro ejemplo de corrosión no uniforme es la corrosión ínter granular que se produce al
establecerse una diferencia de potencial entre los contornos de los granos y el resto del
material. Este tipo de corrosión se presenta normalmente cuando precipita una fase de una
solución sólida. Como normalmente la precipitación se verifica con mayor rapidez en los
contornos de los granos, el material próximo a estas zonas pierde la totalidad del elemento
disuelto, creándose una diferencia de potencial y originándose preferentemente la
destrucción de los contornos de unión de dichos granos.
La corrosión bajo tensión es la corrosión acelerada que se produce en los metales que
quedan con tensiones internas de tracción después de una deformación en frío al estar
expuestos a la acción de determinados medios corrosivos.
La corrosión ínter granular y la corrosión bajo tensión afectan en gran medida a las
características mecánicas del material. La disminución de resistencia que experimentan los
metales no es debida a la cantidad de metal que desaparece, sino más bien a la
concentración de tensiones que aparece en las grietas finas que se producen.

Corrosión galvánica Corrosión bajo tensión Corrosión intergranular

Figura 3.4: Fotografías de diversos tipos de corrosión.

Protección contra la corrosión: Muchos son los procedimientos utilizados industrialmente
para combatir la corrosión, y en su mayoría se basan bien en la elección de una aleación o
estructura adecuada o bien en el recubrimiento de las superficies con determinados
materiales protectores. Los más importantes son los siguientes:
1) El empleo de materiales de gran pureza.
2) El empleo de tratamientos térmicos especiales.
3) Un diseño o proyecto correcto.
4) La protección catódica (ánodos de sacrificio).
5) El empleo de inhibidores.
6) Los recubrimientos superficiales.

28


En muchos casos el empleo de metales de gran pureza reduce el riesgo de la corrosión
localizada, ya que, al ser más homogéneo el material, aumenta la resistencia a la corrosión.
Los tratamientos térmicos destinados a homogeneizar las piezas segregadas, aumentan la
resistencia a la corrosión. Los tratamientos de alivio de tensiones, después de una
deformación en frío, son muy utilizados para mejorar la resistencia de las aleaciones a la
corrosión bajo tensión.
En cuanto al diseño de las piezas se debe tender siempre a reducir al mínimo las
superficies en contacto con el agente corrosivo. Las juntas deben proyectarse de modo que
dificulten o impidan la penetración de los líquidos en su interior. Además debe evitarse el
contacto entre materiales muy separados entre sí en la serie de potenciales electrolíticos.
Caso de no ser posible esto, conviene introducir entre goma o algún material plástico, con
objeto de reducir la posibilidad de que se presente la corrosión galvánica.
La protección catódica (ánodos de sacrificio) consiste en colocar el metal que normalmente
se corroería en contacto eléctrico con uno situado por encima de él en las series de
potencial. De este modo el metal más activo desempeña el papel de ánodo. Los metales
utilizados generalmente para proporcionar este tipo de corrosión son el cinc y el magnesio.
Para la protección catódica de los cascos de los buques se colocan ánodos de cinc o
magnesio en el timón y en la región del casco que rodea a la hélice.
Los inhibidores son productos químicos que se adicionan a las soluciones corrosivas para
reducir o eliminar sus efectos, formando en la mayoría de los casos una capa protectora
sobre la superficie metálica.
Entre los recubrimientos superficiales se encuentran las pinturas, las capas de óxido y los
recubrimientos metálicos.
Las pinturas y otros recubrimientos orgánicos se utilizan principalmente para mejorar el
aspecto de las superficies y estructuras. La capa de pintura que recubre los metales solo
ofrece protección eficaz contra la corrosión mientras no se agriete.
Otro recubrimiento es el metalizado con objeto de proporcionar protección contra la corrosión
se realiza con cinc o aluminio. Estos metales se usan comúnmente para recubrir las piezas
de acero y de hierro.
El recubrimiento con cinc, o galvanizado, es de todos los procedimientos de recubrimiento
metálico el más utilizado y el que se aplica en la mayor parte de los productos fabricados con
acero.
La aluminización, o recubrimiento del acero con aluminio por inmersión en caliente, se
emplea en los casos que se necesite que la pieza soporte la corrosión y el calor, como por
ejemplo los silenciadores y tubos de escape, esto se realiza con el aluminio ya que este
forma la alumina que es una capa muy adherente e impermeable.
Todas las capas protectoras o recubrimientos, para que sean efectivos contra la corrosión
deben cumplir con tres requisitos indispensables:
1) Deben adherirse firmemente a la superficie a proteger.
2) No deben ser porosas para evitar el paso de la humedad y el oxigeno.
3) Que sean estables químicamente, es decir que no cambien con el tiempo y el medio.

29

Apuntes ing mat complemento

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Apuntes ing mat complemento

Similar a Apuntes ing mat complemento (20)

Apuntes ing mat complemento